直缝埋弧焊管扩径机的应用

简述了直缝埋弧焊管用扩径机的主要作用;介绍了水压式扩径机和机械式扩径机的工作原理,并结合公司两条直缝埋弧焊管生产线上扩径机在生产实践中的应用效果,分析了水压扩径和机械扩径主要的优缺点。

扩径机作为提高焊管质量的一种极为关键的技术装备,越来越多地在制管生产中得到运用,尤其对于直缝埋弧焊管,扩径机是不可缺少的装备。我公司现有HME和UOE两条直缝埋弧焊管生产线,为了满足用户的多元化选择,配备有水压扩径机和机械扩径机。根据我公司生产的直缝埋弧焊管(直径508～1626mm;壁厚6.4～25.4mm;管长12m,材质达X70)的有关情况并结合国内外有关资料,拟对直缝埋弧焊管生产用两种类型扩径机作一简明的介绍,并着重阐述我公司水压扩径机在生产中应用的效果。

1扩径机的作用

1.1可有效地提高钢管的尺寸精度

直缝埋弧焊管的成型方式主要有UO、RB、JCO、C和Hu-Metal等五种,而采用这五种成型方法所生产的钢管,却不同程度地存在着几何尺寸精度不高的问题。由于直缝埋弧焊缝是在管体的一面进行内、外焊,因而钢管在热应力的作用下要发生弯曲变形,且焊缝部位纵向收缩量也较大,使钢管的平直度严重受到影响,另外,这五种成型方式所生产的钢管,都存在椭圆度较大问题,尤其是JCO和C成型后的钢管。因此,必须要通过扩径机定径、整形,从而提高钢管的尺寸精度。

1.2减少或消除在制管、试验过程中引起的包辛格效应

由于钢管在成型和试验过程中会产生包辛格效应,使屈服强度下降,而钢管在扩径时冷作硬化,扩径后可提高钢管的屈服强度,这样就减少了为达到钢管的强度要求而提高板材等级所造成的浪费。

1.3消除钢管成型和焊接的残余应力

冷扩径可以消除焊接钢管成型和焊接时造成的残余应力,改善钢管内应力的分布状态,从而避免因所输送介质—石油或天然气中的H2S在钢管应力集中的区域产生氢脆甚至裂纹的情况,图1所示为扩径前、后钢管内应力比较。除此之外,扩径对焊接质量及焊接性能也是一种很好的检验。

2水压式和机械式扩径机的工作原理

2.1水压式扩径机的工作原理

我公司的水压扩径机系美国VERSON公司的产品,是UOE生产线关键设备之一,能使整根管子定径并同时实现管子的强化和校直。其工作原理和主要过程如下:

水压式扩径前将焊管的两端在150mm范围内清除内、外焊焊缝余高后,由输送辊送入水压扩径台架。随后,由固定端动力缸低压(约0.7MPa)

将焊管轴向定位,再由固定端动力缸的高压(约7MPa～13MPa)将钢管推入两端带径向密封的封头,先完成两端的机械扩径。水压扩径时,通过内腔与钢管扩径尺寸一致的左、右两部分外模将钢管包容其间,启动液压缸使锁模装置锁紧外模(见图2),然后由未装动力缸的充水端向钢管内部注入高压水使其膨胀变形,直至达到模具内腔尺寸,实现水压对钢管的整体扩径。扩径后松开锁模装置左右两半外模,按标准要求在原位置进行水压试验。由开始扩径到完成水压试验,整个过程只需3min左右,效率很高。

2. 2机械式扩径机的工作原理

我公司的机械扩径机是由自己设计、制造,拥有独立知识产权的焊管整形设备,为双工位布局,既可以对钢管整体扩径,又可以对管端进行整型,实现一机两用。图3所示为机械式扩径机的工作原理示意图。

扩径头是机械式扩径机的关键部件。扩径头是由多个扇形块组成的芯棒安装在楔形体上,而楔形体固定在液压缸的活塞杆上。当液压缸活塞和楔形体向右移动时,由于构成芯棒表面的扇形块向外扩展,使芯棒圆周增大。楔形块的力借助斜块通过扇形块作用在钢管上,从而使与芯棒接触的一段钢管得到扩径。当活塞和楔形体向左移动时,钢管与芯棒脱离开,以便再次送进,进行下一段钢管的扩径。机械式扩径首先是将直焊缝对准扩径头模具上的槽,然后将钢管分步送入扩径头一段一段地进行(扩径长度一般为0.9～1.0m),最后完成全长钢管的扩径。

3水压式扩径机与机械式扩径机主要的优缺点

(1)通过水压式扩径后,可使全长范围内钢管的内应力明显减少,且分布均匀。而机械式扩径机是分段进行的,在重叠处,所受的拉应力就较大,有时在该处会出现“波浪”现象。

(2)水压式扩径由于是整体一次扩径,因而扩径后钢管的几何尺寸精度较高,平直度可小于0.1%L,椭圆度不大于0.8%D,见表1。而机械式扩径机扩径后的平直度很难达到小于0.1%的水平。

(3)水压式扩径机由于是高压充水,兼之水压扩径和水压试验是在同一台设备上进行的,因此,速度快、效率高。从水压扩径到完成水压试验,只需3min左右。而机械式扩径机一般是在两个工位上进行的,同时,扩径后还要在水压机上进行水压试验。所以,生产所需的时间较长。

(4)机械式扩径机可使钢管在全长范围内的内径均匀一致,不受管子壁厚和屈服强度的影响,容易满足对钢管内径的严格要求。而水压式扩径机是采用外模控制钢管外径,如果壁厚相差大,就不易保证内径尺寸一致。但水压扩径的钢管,由于管端是在一定的轴向压力的作用下插入两端封头实现扩径的,实际上管端使用的是机械扩径。所以,水压扩径后管端内径尺寸的精度和机械式扩径是相同的。

(5)机械式扩径机在扩径头上加工有凹形槽,并可以将其对准钢管的内焊缝,因为不需要外模具,所以焊缝两侧的管壁不会发生小直边现象。而水压式扩径机要使焊缝附近的管壁保持圆弧形,主要是减少外焊缝余高,采用这种工艺,也能使外焊缝两侧不发生小直边现象。

(6)机械式扩径机调整后,可以扩胀一定壁厚范围内的钢管,并且只确定扩径率的量而不用更换扩径模具;而水压式扩径机需要根据扩径钢管不同的规格更换不同的模具,所以,模具的数量较多,加上水压式扩径机结构庞大,设备造价昂贵,因此,一般只在UOE生产线上使用,以求和UOE生产线强大的产能配套,其它成型方式选用机械扩径机比较合适,否则会因单机产能过大,造成投资浪费。

结语

目前,扩径机在国外直缝埋弧焊生产线上已广泛应用,在国内所建立的直缝埋弧焊管也均设有扩径机,我公司在Hu-Metal生产线只配置了机械扩径机,在UOE生产线上同时配置机械扩径机和水压扩径机,通过对两种扩径方式进行比较后,均认为水压式扩径机在生产线上使用的效果是明显的。但无论哪一种扩径方式,都能起到提高钢管的几何精度,消除钢管成型和焊接的残余应力,提高屈服强度的作用。