專利名稱：多功能直縫焊管成型工藝及成型機組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高頻直縫焊管成型工藝和與工藝相適應(yīng)的成型機組，通過調(diào)整成型機組的各機架，不僅能生產(chǎn)出高質(zhì)量D/t≤100的薄壁鋼管，而且可以生產(chǎn)出D/t≥的厚壁鋼管。
八十年代以來，焊管的品種、質(zhì)量有了飛速的發(fā)展，并且在高材質(zhì)、厚壁、高質(zhì)量方面與無縫管展開了競爭，已占領(lǐng)了某些無縫管的領(lǐng)域，如高壓輸送管、油井管、中高壓鍋爐管、泵管、油缸管等，因此，與之相適應(yīng)的新型焊管成型機及新的變形方法也相應(yīng)發(fā)展。當今世界上的焊管成型機品種繁雜，有兩輥式、四輥式、全排輥、半排輥、立輥變形為主、箱式、履帶式等，但總的看可以分為兩類。一類是傳統(tǒng)的成型機，是以主動水平機架和立輥機架相間的輥式成型機。這類成型機的共同特點是根據(jù)成型機的架次去設(shè)計孔型，用管坯的橫向斷面來區(qū)分成型法，有邊緣彎曲法、中心彎曲法、圓周彎曲法、單半徑、雙半徑等。它以孔型設(shè)計的優(yōu)劣來提高鋼管的質(zhì)量。這類成型機的共同缺點是變形區(qū)的長度過長，一般變形區(qū)長度L≥50Dmax，軋機架次過多，輥子工具共用性差，軋輥品種多、投資大，軋輥摩擦消耗大，因此功率損失大。這類成型機適用于中等壁厚小管的生產(chǎn)，生產(chǎn)一般用途的鋼管。我國絕大多數(shù)焊管廠都屬這種成型軋機。另一類是現(xiàn)代化的新式成型機，七十年代至八十年代初，高頻直縫焊管向大口徑、高強度方向發(fā)展，世界上各先進國家都花費很大精力去研究鋼管成型的變形規(guī)律，根據(jù)理想的變形規(guī)律去設(shè)計成型機結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了現(xiàn)代化的新式成型機。其中最流行的是排輥(Cage Roll)成型機。就排輥而言，又分托倫斯排輥、張智慧排輥、霍西排輥、曼勒斯曼排輥及全排輥、半排輥等不同種類。它們的共同特點是用幾組成排的小輥代替水平輥和立輥，按自然成形的規(guī)律使帶鋼變形，于是減少了局部成型區(qū)同樣長度上帶鋼非接觸區(qū)和彈復中帶鋼邊緣的運動軌跡，消除了邊緣拉伸的峰值，提高了管坯質(zhì)量。同時排輥共用性大，成型變形區(qū)短、投資少、調(diào)整方便、功率損失小，因此得到廣泛的運用。但是這種成型機由于排輥直徑較小，在生產(chǎn)厚壁管時剛度不是，是其最大的缺陷。一般只能生產(chǎn)D/t≥15的鋼管。美國專利US-3，323，341是這類成型的一個典型，也是本發(fā)明的對比現(xiàn)有技術(shù)。隨著焊管向厚壁高材質(zhì)方向的發(fā)展，八十年代成型機又由流行的排輥成型轉(zhuǎn)變?yōu)檩伿匠尚?，加大了輥子直徑，克服了排輥結(jié)構(gòu)剛度不足的缺點。但同時又產(chǎn)生了軋機架數(shù)過多，輥子工具過多，投資較大的缺點。
本發(fā)明的目的是盡可能克服現(xiàn)有焊管成型工藝和成型機組的缺點和不足，根據(jù)鋼管成型的變形規(guī)律，提出專門的孔型系統(tǒng)，為實現(xiàn)這一新的焊管工藝而設(shè)計一套多功能焊管成型機組，用這種成型機組和成型工藝不僅可以縮短變形區(qū)的長度，共用精成型前的軋輥，節(jié)省設(shè)備和輥子工具的投資，減少換輥時間，而且對簿壁管使其管坯邊緣拉伸力最小，無邊緣折皺現(xiàn)象，保證簿壁管的質(zhì)量。同時采用特殊的變形方法，確保合適穩(wěn)定的焊接V型角及管坯邊緣的平行度，使之具有理想的帶鋼邊緣橫斷面彎曲狀態(tài)，進而保證厚壁高材質(zhì)鋼管的生產(chǎn)質(zhì)量。而且生產(chǎn)品種規(guī)格廣泛，不但能生產(chǎn)D/t≤100的普通焊接簿壁鋼管，而且可以生產(chǎn)出D/t≥9的高中壓鍋爐管、泵管、油缸管等厚壁鋼管。亦可在定徑機上做一些設(shè)備增加，用以生產(chǎn)方型管、矩型管、橢圓型管等異型管。故稱之為多功能焊管成型機組。
本發(fā)明的主要內(nèi)容如下根據(jù)高頻直縫焊管從帶鋼變形為管子的變形規(guī)律，設(shè)計了如圖二孔型圖，說明了從1號孔型到10號孔型相應(yīng)各架軋機中帶鋼橫向斷面的變形情況。在該成型工藝中，前三架軋機中各道次(第1、2、3道)的鋼帶的橫截面變形采用單半徑變形，在七架軋機各道次采用特殊的變形方式，其特征在于第四架中鋼帶僅中間部分采用單半徑變形，而邊緣部分不變，第五、六、七架各道次中，鋼帶的中間部分逐漸變形為具有所需管坯半徑的半圓，而邊緣部分僅有小變形，第八、九、十架各道次中，中間部分的半徑不變形，邊緣部分逐漸變型為具有所需管坯的半徑，從而完成橫截面由平帶到圓的變形?？v向變形采用下山變形法，但是其下山量取h＝(0.4～1.20)D其中D為管坯直徑，為便于說明該公式，可見圖三，管坯縱向變形狀態(tài)。
這套孔型屬于組合孔型，在預(yù)成型機架中，第一到第三架基本上采用單半徑圓周彎曲成型，第四架中鋼帶僅中間部分采用單半徑圓周彎曲變形，邊緣部分維持第三道形狀不變，第五、六、七架各道次，鋼帶經(jīng)彎曲變形，其中間部分已彎曲到所要求的曲率半徑，也就是說中心部分的半圓在這三道孔型中已經(jīng)完成變形。帶鋼兩邊緣各1/4寬度已形成的微小彎曲為進入精成型創(chuàng)造了必要的咬入條件，帶鋼已成為上小下大的U型再進入第八架孔型。第八、九、十架為精成型孔型，從圖二可清楚地看出，此時主要是進行彎邊，使帶鋼從U型完全變形為O型，從而完成了管坯的成型工藝，達到高頻焊接的理想要求，無邊緣折皺，焊接對口平行接觸，有穩(wěn)定的V型角，可保證高質(zhì)量焊接的要求。
管坯的縱向變形，即管坯底部沿軸向的變形采用一個下凹曲線，在管坯成型中稱之為下山變形法，或下山法成型，在各種管坯成型組中對下山量有不同的取法，本發(fā)明對下山量限定為h＝(0.4～1.2)D，在此范圍內(nèi)可減少邊緣拉伸應(yīng)力20%左右，同時對縮短變形區(qū)長度和降低變形功都大有好處。
以上帶鋼到管坯的橫截面與縱向變形的特征，給變形過程提供了一個自然平滑的材料流線，可保證管坯成型的高質(zhì)量，從而提高焊管質(zhì)量。
本發(fā)明所提供的一種高頻直縫焊管成型機組是根據(jù)以上成型工藝來設(shè)計的，它包括預(yù)成型機架四架，中間變形機架三架，精成型機架三架，一共十架軋機。由于涉及的設(shè)備較多，為便于清楚、完整地加以說明，先介紹附圖內(nèi)容，然后將發(fā)明內(nèi)容和實施例一并介紹。
圖一為多功能直縫焊管成型機組的側(cè)視圖，圖中NO1-NO10為各機架的機架號。
圖二為本發(fā)明成型工藝的孔型圖，顯示了從NO1孔型至NO10孔型各架次中帶鋼橫向斷面的變形情況。
圖三為帶鋼至管坯的縱向變形圖，顯示了帶鋼寬度中心線延軸向變形曲線的軌跡，圖中L為變形區(qū)長度，h為下山量。
圖四為NO1機架1-1剖面水平輥示意圖，其左半邊視圖為該孔型生產(chǎn)最小規(guī)格時軋輥所在位置及帶鋼變形情況，右半邊視圖為該孔型生產(chǎn)最大規(guī)格時軋輥所在位置及帶鋼變形情況。
圖五為NO2機架2-2剖面立輥示意圖，其左半邊視圖為該孔型被調(diào)節(jié)到生產(chǎn)最大規(guī)格管子時的位置，其右半邊視圖為該孔型被調(diào)節(jié)到生產(chǎn)最小規(guī)格管子時的位置，其中雙點劃線所示是生產(chǎn)中間各種規(guī)格管子時的位置。
圖六為NO3機架3-3剖面立輥示意圖，圖中雙點劃線為生產(chǎn)各種規(guī)格管子時立輥的位置。
圖七為NO4機架4-4剖面水平輥示意圖，顯示了該孔型生產(chǎn)最大規(guī)格管子時軋輥的位置，圖中雙點劃線顯示了生產(chǎn)各種規(guī)格管子時下輥的變換情況。
圖八為NO5機架5-5剖面立輥示意圖，顯示了該孔型中軋輥的位置，其左側(cè)為生產(chǎn)最小規(guī)格時的立輥位置，其右側(cè)為生產(chǎn)最大規(guī)格時的立輥位置。
圖九為NO6機架6-6剖面立輥示意圖，顯示了該孔型中軋輥的位置，其左側(cè)為生產(chǎn)最小規(guī)格時的立輥位置，右側(cè)為生產(chǎn)最大規(guī)格時的立輥位置。
圖十為NO7機架7-7剖面立輥示意圖，顯示了該孔型中軋輥的位置，其左側(cè)為生產(chǎn)最小規(guī)格時的立輥位置，其右側(cè)為生產(chǎn)最大規(guī)格時的立輥位置。
圖十一為排輥的布局示意圖。
圖十二為排輥進口處橫斷面小輥1的剖面圖，其左側(cè)為最小規(guī)格時小輥的位置，其右側(cè)為最大規(guī)格時小輥的位置。
圖十三為排輥出口處橫斷面小輥12的剖面圖，其左側(cè)為最小規(guī)格時小輥的位置，其右側(cè)為最大規(guī)格時小輥的位置。
圖十四為NO8機架10-10剖面水平軋輥示意圖，顯示了精成型機架的軋輥結(jié)構(gòu)。
下面詳細介紹該成型機組的結(jié)構(gòu)和安排。
預(yù)成型機架為四架，即NO1-NO4機架，其第一架為一般二輥式軋機，主動軸32、51由軸承箱61、39、64、41支撐，可在機架30、38中上下移動。上輥35由鍵33及套34、36固定在軸32上。下輥由邊翼輥56、44和中間輥50三部分組成。在兩邊翼輥56和44中裝有錐形軸承52，軸承52固定在軸套54上，由壓蓋57與邊緣輥相連，通過多個輥環(huán)58、59、60、61、62安裝在軸51上，改變輥環(huán)在邊緣輥兩側(cè)的數(shù)量可組成各種不同規(guī)格的軋輥，從而使帶鋼彎曲成不同規(guī)格的NO1孔型。中間輥50由鍵55固定在軸51上，由于錐形軸承的作用，使兩個邊緣輥56和44均為被動輥，于是減少了帶鋼與軋輥之間的相對摩擦。通過用輥環(huán)調(diào)整邊緣輥的位置，可以用一臺軋機適用于多種規(guī)格對NO1孔型的要求。圖四右側(cè)將多個輥環(huán)45、46、47、48、49安裝在邊緣輥44的內(nèi)側(cè)，于是可以適用于最大規(guī)格時的NO1孔型。
從圖五可以看出NO2孔型由五個軋輥組成，它們分別是兩個上壓下輥87、88，一個下支撐輥85，兩個側(cè)立輥75和86。這些軋輥全部是被動輥。上壓下輥87和88分別安裝在絲母67和70上，其內(nèi)部裝有錐軸承66和72，由壓蓋82、68、83密封，絲母67、70安裝在雙向絲杠64上，絲杠64通過銅瓦65和73安裝在瓦座63上，瓦座固定在輥架89上(見圖一)，此輥架安裝在第一架水平軋機的機架上。通過調(diào)節(jié)絲杠84(見

圖1)可上下調(diào)整輥架89，當旋轉(zhuǎn)雙向絲杠64時，上壓下輥87和88就可以合并或分開，這樣便可適應(yīng)各種不同規(guī)格孔型的要求。側(cè)立輥86和75安裝在輥座61和74上，輥座安裝在立輥機座3上(見圖一)，通過特殊的齒輪及絲杠機構(gòu)調(diào)節(jié)側(cè)立輥86和75在不同的寬度位置上，便可適應(yīng)各種不同規(guī)格管子在NO2孔型的要求。下支撐輥85為一固定輥，不可調(diào)整。對所有不同規(guī)格均共用此輥，輥內(nèi)裝有軸承79，由壓蓋81、77密封，安裝在軸78上，軸78固定在輥座上，輥座安裝在立輥機架3上。從圖的左半邊可見孔型被調(diào)整到生產(chǎn)最大規(guī)格管子時上壓下輥87、側(cè)立輥86和下支撐輥85的位置。從圖的右半邊則可見孔型被調(diào)整到生產(chǎn)最小規(guī)格管子時上壓下輥88、側(cè)立輥75和下支撐輥85的位置，圖中雙點劃線還顯示了生產(chǎn)各種不同規(guī)格管子時側(cè)立輥75的相對位置及所形成的孔型。
從圖六可見NO3機架的剖面，也就是NO3孔型中各種規(guī)格管子立輥的調(diào)整位置，左半邊圖顯示了最小規(guī)格時三輥的位置，右半邊圖顯示了最大規(guī)格時立輥的位置。該孔型由一對被動立輥127和132將管坯彎曲到所需要的曲率半徑。立輥127和132分別通過軸、軸套和錐形軸承安裝在輥架126和128上，輥架通過壓板122安裝在立輥底座121上，兩立輥通過絲杠124和134可以調(diào)整其間距離，從而以一種軋輥適應(yīng)于不同規(guī)格鋼管變形的要求。該結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)方便，且剛度和穩(wěn)定性好，立輥受力后移動平穩(wěn)，輥子磨損小，壽命長。
從圖七可見NO4機架水平軋輥的剖面，同時反映了生產(chǎn)各種規(guī)格管子時下輥的變換情況。上輥102通過鍵103及軸套100、117固定在主動軸101上。主動軸101和108由軸承箱98、105、109、95支撐在機架99、104中，可上下移動。下輥由三部分組成，即兩個邊緣輥97和107，一個中間輥116。在兩個邊緣輥中裝有錐形軸承93、118及止推軸承94、119，由壓蓋96、113將其密封在邊緣輥中，通過套組120、115及輥套93、112安裝在軸108上，改變套組120、115在邊緣輥97、107兩側(cè)的數(shù)量可形成不同規(guī)格的軋輥，以適用于不同規(guī)格的NO4孔型。中間輥116通過鍵92固定在軸108上，它與上輥102配合夾持帶鋼向前遞送。兩邊緣輥97和107則是下輥的被動部分，它們與中間輥旋轉(zhuǎn)速度不同，但表面線速度都與帶鋼運動速度一致。
從圖八、圖九、圖十可見圖一中5-5、6-6、7-7剖面，即NO5、NO6、NO7三架中間變形機架中立軋輥的位置及相應(yīng)孔型的形狀。它們適用于生產(chǎn)壁厚為6毫米以上的管子。其左側(cè)為生產(chǎn)最小規(guī)格時的帶鋼變形情況及立輥應(yīng)調(diào)整的位置，其右側(cè)為生產(chǎn)最大規(guī)格時的帶鋼變形情況及立輥調(diào)整的位置。在這三臺中間變形機架中帶鋼中間部分逐漸變型為具有所需管坯半徑的半圓，立軋輥采用漸開線輥型，立輥座130、137(圖八)，145、150(圖九)、155、160(圖十)除了可上下左右移動外，還可以按一定的角度旋轉(zhuǎn)，由于輥型為漸開線，就保證了用一種規(guī)格的立輥可適應(yīng)于不同曲率半徑的需要。當更換規(guī)格時，按給定的數(shù)據(jù)只需調(diào)整立輥的位置和角度，而不必換輥。每一機架的下部均由一個水平支撐輥(139、152、162)支持管坯。以保證其縱向變形下山量的指數(shù)曲線關(guān)系。
對于薄壁管在NO5、NO6、NO7三架中間變形機架中的變形，通過一組全排輥來實現(xiàn)，見圖十一。全排輥包括12對小輥，每一對小輥按各自不同的角度整齊地排列在剛度較大的橫梁上，橫梁可以任意上下左右靈活地調(diào)整，從而保證了一套排輥可適應(yīng)于所有規(guī)格鋼管成型的需要。本發(fā)明的全排輥的原理與其他形式的排輥原理相同，但具有其獨特的優(yōu)點其一，12對小輥之間的間距更加緊湊，有利于直線變形，其二，小輥角度的變化由輥座角度的變化得來，由圖十二(進口處第1對小輥的剖圖)和圖十三(出口處第12對小輥的剖面圖)可見，小輥197、198分別通過軸195、200安裝在輥座196、199上，輥座196、199又分別通過鍵209、206及壓板194、201安裝在橫梁190、205上，橫梁通過軸193、203、214、222分別安裝在架191、204、212、214上，架通過邊銷安裝在圖一中立輥架7和9上。通過改變輥座196、199的角度可以調(diào)整小輥的角度。這種結(jié)構(gòu)的排輥不僅加工制造簡便，受力合理，而且對個別小輥損壞后的更換更加方便。此二圖中左半邊視圖顯示了加工最小規(guī)格管坯時小輥、輥座、橫梁被調(diào)整的位置。右半邊視圖顯示了加工最大規(guī)格管坯時小輥、輥座、橫梁被調(diào)整的位置。
精成型段由三架帶游動導向環(huán)的兩輥式主動水平輥機架組成，即圖一中NO8、NO9、NO10三個機架，完成這三個孔型中的變形。三架水平輥的作用僅是彎曲管坯的上半部，使其成圓。見圖十四。圖中軋機的剖面圖反映了精成型段的軋輥結(jié)構(gòu)。下輥由兩個半輥233、249通過螺栓250合并而組成，通過鍵231安裝在軸253上。上輥由左半輥238、導向環(huán)241、右半輥243及滑動軸承240、隔套242，通過螺栓239連接合成，通過鍵235安裝在軸247上。導向環(huán)241是被動的，而軋輥由軸上的鍵帶動，于是解決了線速度差所造成的管坯劃傷，其更重要的作用是對帶鋼的邊緣進行加工使其變形，為直縫焊接焊縫對口的平行接觸，并為穩(wěn)定的V型角創(chuàng)造良好的條件，以保證焊縫質(zhì)量。
采用本發(fā)明所示的多功能直縫焊管工藝及成型機組，即采用被動全排輥和立輥相結(jié)合和方式，用專門的孔型系統(tǒng)及特殊的輥組系統(tǒng)，可以生產(chǎn)出質(zhì)量的D/t≤100的薄壁鋼管及D/t≥9的厚壁鋼管，直徑范圍φ60～φ168毫米，壁厚為1.5～10毫米，最高材質(zhì)達≤552MPa，直徑公差±0.1毫米。適用于結(jié)構(gòu)管、水煤氣管、汽車傳動軸管、高中壓鍋爐管、高壓輸送管、油田用套管和油管等。該工藝使用成型機組機架次少，調(diào)整簡便，精成型前所有架次均以一種軋輥適用所有規(guī)格，因此輥子儲備少、壽命長、投資少、對帶鋼小的月形彎有較強的抗干擾能力，所加工的鋼管質(zhì)量好，精度高。
權(quán)利要求
1.一種高頻直縫焊管成型工藝，其前三架軋機中各道次的鋼帶的橫截面變形采用單半徑變形，后七架軋機各道次采用特殊的變形方式，其特征在于第四架中鋼帶僅中間部分采用單半徑變形，邊緣部分不變，第五、六、七架各道次中，鋼帶的中間部分逐漸變形為具有所需管坯半徑的半圓，而邊緣部分僅有小變形，第八、九、十架各道次中，中間部分的半圓不變形，邊緣部分逐漸變形為具有所需管坯的半徑，從而完成橫截面由平帶到圓的變形，縱向變形采用下山法變形，下山量為h=(0.4～1.2)D，其中D為管坯直徑。
2.一種高頻直縫焊管成型機組，以滿足權(quán)利要求1所述成型工藝的要求，包括預(yù)成型機架四架，中間變形機架三架，精成型機架三架，其特征在于預(yù)成型機架的水平軋機的每一架的軋輥輥身長度可通過輥環(huán)調(diào)整，以適應(yīng)于各種大小規(guī)格焊管的預(yù)成型，中間變形機架的立軋輥采用漸開線輥型，經(jīng)軋輥位置的調(diào)整可適用于除薄壁管外的各種規(guī)格焊管的中間變形，對于薄壁管的中間變形則采用一組全排輥，經(jīng)調(diào)整可適用于各種薄壁管的中間變形，第四機架的出口端裝有一套防扭裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機組，其特征在于所說的預(yù)成型機架的水平軋機的下輥的兩邊翼輥是可分離的，兩個邊翼輥均為被動輥，左右兩邊翼輥中間有多個可供調(diào)整的輥環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機組，其特征在于所說的中間變形機架的立軋輥的輥型為漸開線形狀、軋輥通過機械裝置可上下、左右調(diào)整，而且可以位置旋轉(zhuǎn)，通過軋輥位置的調(diào)整可適用于各種規(guī)格非薄壁管焊管的中間變形。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機組，其特征在于所說的薄壁管中間變形全排輥的每一組小輥均裝在排輥橫梁上，橫梁與輥座通過鍵連接，通過改變輥座的角度來調(diào)整小輥的角度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高頻直縫焊管成型工藝和與工藝相適應(yīng)的成型機組，采用被動全排輥和立輥相結(jié)合的方式，用專門的孔型系統(tǒng)和特殊的輥組系統(tǒng)，可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的D/t≤100的薄壁鋼管及D/t≥9的厚壁鋼管，直徑范圍為Φ60～Φ168毫米，壁厚為1.5～10毫米，成型機組機架次少，調(diào)整簡便，精成型前所有架次均以一種軋輥適用所有規(guī)格，因此輥子儲備少、壽命長、投資少，且所加工的鋼管質(zhì)量好，精度高。
文檔編號B21C37/08GK1066805SQ92102768
公開日1992年12月9日 申請日期1992年4月21日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月21日
發(fā)明者馮世功 申請人:陜西省寶雞石油鋼管廠