大口径不锈钢焊管先进成形技术研究进展

近年来，大口径不锈钢焊管技术研究进展迅速，特别是JCO成形技术的发展取得诸多新突破。本文介绍了大口径不锈钢焊管JCOE成形智能化控制技术的进展；大口径不锈钢焊管JCOE成形CAPP系统的开发现状：基于三点弯曲理论模型创新的大口径不锈钢焊管四点弯曲JCOC成形新工艺；大口径不锈钢焊管管端矫圆智能技术的新突破；基于定量压力矫直理论提出的大口径不锈钢焊管矫直技术的研究进展。

1引言

国际上大口径不锈钢焊管主要有UOE和JCOE/JCO两种成型方式。由于JCOE/JCO机组投入少、模具成本低、适应面宽、见效快、质量与UOE相近，赢得了广大发展中国家的青睐。目前，世界范围内的JCOE/JCO机组数量已超过50条，大大超过了全世界UOE机组的数量，JCOE/JCO已成为直缝埋弧焊管生产的主流工艺之一。近年来，一些新研究成果将有力地推动JCO技术的进一步发展和广泛应用。

2大口径不锈钢焊管JCO成形智能化控制技术的研究

我国管坯JCO成形的关键技术和主要设备均从国外引进，对管坯成形质量控制及工艺参数调整只停留在经验层面上，存在着工艺参数调整误差大、人员工作强度大及产品质量波动大等现实情况。

基于以上现实需求，李建等在板材弯曲智能化控制技术的研究成果基础上，分析了管坯JCO成形智能化控制需要解决的关键技术。建立了管坯JCO弯曲成形过程的力学模型。利用机器视觉和传感器技术，开发了管还JCO成形过程实时监测系统，实现了弯曲力、弯曲行程和弯曲角等物理参数的非接触、高精度的实时测量。利用MATLAB编程语言，开发了管坯JCO成形过程中的参数识别和预测程序。利用VisualC++编程语言开发了管坯JCO成形智能化控制系统软件。

利用管还JCO成形智能化控制系统进行了物理模拟实验，实验结果表明系统运行稳定，行程工艺参数预测精度可靠，制品椭圆度具有较高的一致性。最终，成功地将自主开发的智能化控制系统移植到了大口径直缝埋弧焊管JCO成形生产线上。

3大口径不锈钢焊管JCOE成形CAPP系统的开发现状

由于JCOE成形设备和关键技术从国外引进，工厂在制定生产工艺时只能靠设备厂商提供的参考数据或者生产经验进行。JCOE成形主要包括预弯、JCO成形和机械扩径。

为了给钢管企业实际生产工艺设计提供理论依据和简单可行的技术支持，基于传统弹塑性理论和小曲率平面弯曲弹复理论3，屈晓阳等在对大口径不锈钢焊管板边预弯、管坯JCO成形单道次三点弯曲和机械扩径成形过程进行系统的理论分析、模拟仿真、实验验证研究的基础上，基于VC++软件开发平台，结合工厂焊管生产实际，开发了板边预弯、管坯JCO成形及机械扩径成形工艺参数理论预测功能模块，建立起大口径不锈钢焊管管坯JCOE成形CAPP系统，如图2所示。并利用该系统对某工厂实际生产的X70钢级、规格为1067mmx19.1mm的直缝焊管成形工艺参数进行预测，利用预测出的工艺参数进行了管坯JCOE成形模拟仿真实验，总结出了管坯JCO成形工艺参数的调整规律，从而在一定程度上缩小了JCOE成形工艺设计和参数制定周期，大幅提高钢管生产效率和质量。

4大口径不锈钢焊管四点弯曲JCOC成形新工艺

孙红磊等提出了大口径不锈钢焊管四点弯曲JCO成形新工艺并获得国家发明专利授权（专利号：ZL201010223298.4）。结合作者在缩径矫圆理论和实验方面的研究，该学者将其二者结合起来，共同应用于直缝焊管的生产提出四点弯曲JCOC成形新工艺[0。四点弯曲JCOC成形实验系统如图3所示。

在板坯成形过程中，板坯与凸模两圆角、凹模两圆角相切接触，故每道次的自由弯曲均为四点弯曲的成形过程。宽板四点弯曲截面受力情况可以抽象为直梁纯弯曲的受力及弯矩分布。截面弯矩与截面所在之处板坯曲率之间为单值对应关系，在两凸模与板坯接触的两切点之间截面弯矩均布，所以该区域内的板坯形状为等曲率的圆弧。以此种方式多次对板还进行弯曲成形，可以生产出具有相同曲率的圆弧与圆弧相连接的管坯。针对新工艺，通过相似性原理对国内外普遍应用的X80钢级φ1219x22mm规格大口径不锈钢焊管进行同比例缩小的4260.4x4.7mm管坯进行实验研制，所研制的管坯均符合相应工程标准。

新工艺与传统三点弯曲JCOE成形工艺和UOE成形工艺相比较的独特优势如下：1）成形管坯为圆形截面，形状精度高。2）成形道次少，生产效率高。3）无需板边预弯，减少设备投资。4）残余应力小，且分布均匀。5）模具数量少，柔性程度高。6）防止缺陷扩大，管坯性能可靠。

5大口径不锈钢焊管管端矫圆智能技术

管端的椭圆度超差后将直接影响管件间的连接工艺，因此需要对其进行矫圆处理。展培培等采用物理实验的方法验证了曲梁纯弯等价原理，即曲梁纯弯曲过程等价于直梁纯弯曲过程叠加曲梁初始曲率的结果，和过弯矫圆等价原理，即管坯矫圆与管坯压扁之间的等价关系。并确立了管坯卸载后椭圆度和相对压下量之间的线性关系。通过物理实验对比得到了管端压扁过程和相同型号、相同材质的短管坯整体压扁之间的相似关系，并建立了二步法过弯矫圆控制策略和三步法过弯矫圆控制策略。即首先通过两步或者三步对同批次首支管件进行压制从而获得管坯的压扁过程弹复规律，再在后续管件的矫圆时，利用该弹复规律直接预测管坯的最佳矫圆压下量，并根据矫圆结果对该弹复规律实时修正。

基于CCD机器识别系统的特点，在VC++程序语言的基础上开发了管端椭圆度的自动识别系统，从而实现了管端椭圆度的非接触式的自动测量，避免了人工测量的误差。该系统详细研究了管端图像预处理、图像内椭圆的最小二乘法识别与检测、三角形边线的识别与检测等算法，并提出了一种基于正三角形的标定方法。最终利用实验验证了椭圆度识别系统的可靠性。在控制策略和椭圆度识别系统的基础上，建立了大型管件管端过弯矫圆智能化控制系统。

6大口径不锈钢焊管定量化过弯矫直技术

根据美国APISpec5L行业标准，其成品焊管的直线度，即成品管的最大挠度，不得超过管长度的0.2%。在大口径埋弧直缝焊管的生产过程中，由于受成形机模具的整体直线度、焊接热应力、焊管材料性能的不均匀性以及放置过程中的蠕变等因素的影响，成形后管坯直线度往往不达标，因此需要进行矫直处理。考虑到大口径焊管的几何特殊性，多数大口径不锈钢焊管生产厂主要采用压力矫直机来完成其矫直过程。目前，厂家主要采用反复矫直，反复测量的方式对其进行矫直，存在矫直效率低、劳动强度大且主要依靠操作人员经验等缺点。

宋晓抗等在小曲率平面弯曲弹复理论基础上，获得了纯弯曲过弯矫直等价原理，这为过弯矫直工艺方法及其控制策略的制定莫定了理论基础。基于过弯矫直等价原理，给出了基于待矫管件初始挠度分布的理论矫直弯矩，依据该理论弯矩可将待矫管件完全矫直。

通过对现行多次过弯矫直工艺过程分析，揭示了其矫直机理：以锯齿形折线分布弯矩逼近理论矫直弯矩光滑曲线。据此提出了多次过弯矫直控制策略，依据该策略只需一次性测量管件初始挠度分布，即可给出相应的多次过弯矫直所需的工艺参数。为提高矫直效率且保证矫直精度，提出了载荷修正系数的概念，依据变形能相等原理建立了优化目标函数，采用黄金分割法获得了最优值。小尺寸管坯矫直的实验结果验证了多次过弯矫直控制策略的可行性，可靠性，这为定量化矫直和智能化矫直提供了理论依据。