专利名称：多功能直缝焊管成型工艺及成型机组的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高频直缝焊管成型工艺和与工艺相适应的成型机组，通过调整成型机组的各机架，不仅能生产出高质量D/t≤100的薄壁钢管，而且可以生产出D/t≥的厚壁钢管。
八十年代以来，焊管的品种、质量有了飞速的发展，并且在高材质、厚壁、高质量方面与无缝管展开了竞争，已占领了某些无缝管的领域，如高压输送管、油井管、中高压锅炉管、泵管、油缸管等，因此，与之相适应的新型焊管成型机及新的变形方法也相应发展。当今世界上的焊管成型机品种繁杂，有两辊式、四辊式、全排辊、半排辊、立辊变形为主、箱式、履带式等，但总的看可以分为两类。一类是传统的成型机，是以主动水平机架和立辊机架相间的辊式成型机。这类成型机的共同特点是根据成型机的架次去设计孔型，用管坯的横向断面来区分成型法，有边缘弯曲法、中心弯曲法、圆周弯曲法、单半径、双半径等。它以孔型设计的优劣来提高钢管的质量。这类成型机的共同缺点是变形区的长度过长，一般变形区长度L≥50Dmax，轧机架次过多，辊子工具共用性差，轧辊品种多、投资大，轧辊摩擦消耗大，因此功率损失大。这类成型机适用于中等壁厚小管的生产，生产一般用途的钢管。我国绝大多数焊管厂都属这种成型轧机。另一类是现代化的新式成型机，七十年代至八十年代初，高频直缝焊管向大口径、高强度方向发展，世界上各先进国家都花费很大精力去研究钢管成型的变形规律，根据理想的变形规律去设计成型机结构，从而产生了现代化的新式成型机。其中最流行的是排辊(Cage Roll)成型机。就排辊而言，又分托伦斯排辊、张智慧排辊、霍西排辊、曼勒斯曼排辊及全排辊、半排辊等不同种类。它们的共同特点是用几组成排的小辊代替水平辊和立辊，按自然成形的规律使带钢变形，于是减少了局部成型区同样长度上带钢非接触区和弹复中带钢边缘的运动轨迹，消除了边缘拉伸的峰值，提高了管坯质量。同时排辊共用性大，成型变形区短、投资少、调整方便、功率损失小，因此得到广泛的运用。但是这种成型机由于排辊直径较小，在生产厚壁管时刚度不是，是其最大的缺陷。一般只能生产D/t≥15的钢管。美国专利US-3，323，341是这类成型的一个典型，也是本发明的对比现有技术。随着焊管向厚壁高材质方向的发展，八十年代成型机又由流行的排辊成型转变为辊式成型，加大了辊子直径，克服了排辊结构刚度不足的缺点。但同时又产生了轧机架数过多，辊子工具过多，投资较大的缺点。
本发明的目的是尽可能克服现有焊管成型工艺和成型机组的缺点和不足，根据钢管成型的变形规律，提出专门的孔型系统，为实现这一新的焊管工艺而设计一套多功能焊管成型机组，用这种成型机组和成型工艺不仅可以缩短变形区的长度，共用精成型前的轧辊，节省设备和辊子工具的投资，减少换辊时间，而且对簿壁管使其管坯边缘拉伸力最小，无边缘折皱现象，保证簿壁管的质量。同时采用特殊的变形方法，确保合适稳定的焊接V型角及管坯边缘的平行度，使之具有理想的带钢边缘横断面弯曲状态，进而保证厚壁高材质钢管的生产质量。而且生产品种规格广泛，不但能生产D/t≤100的普通焊接簿壁钢管，而且可以生产出D/t≥9的高中压锅炉管、泵管、油缸管等厚壁钢管。亦可在定径机上做一些设备增加，用以生产方型管、矩型管、椭圆型管等异型管。故称之为多功能焊管成型机组。
本发明的主要内容如下根据高频直缝焊管从带钢变形为管子的变形规律，设计了如图二孔型图，说明了从1号孔型到10号孔型相应各架轧机中带钢横向断面的变形情况。在该成型工艺中，前三架轧机中各道次(第1、2、3道)的钢带的横截面变形采用单半径变形，在七架轧机各道次采用特殊的变形方式，其特征在于第四架中钢带仅中间部分采用单半径变形，而边缘部分不变，第五、六、七架各道次中，钢带的中间部分逐渐变形为具有所需管坯半径的半圆，而边缘部分仅有小变形，第八、九、十架各道次中，中间部分的半径不变形，边缘部分逐渐变型为具有所需管坯的半径，从而完成横截面由平带到圆的变形。纵向变形采用下山变形法，但是其下山量取h＝(0.4～1.20)D其中D为管坯直径，为便于说明该公式，可见图三，管坯纵向变形状态。
这套孔型属于组合孔型，在预成型机架中，第一到第三架基本上采用单半径圆周弯曲成型，第四架中钢带仅中间部分采用单半径圆周弯曲变形，边缘部分维持第三道形状不变，第五、六、七架各道次，钢带经弯曲变形，其中间部分已弯曲到所要求的曲率半径，也就是说中心部分的半圆在这三道孔型中已经完成变形。带钢两边缘各1/4宽度已形成的微小弯曲为进入精成型创造了必要的咬入条件，带钢已成为上小下大的U型再进入第八架孔型。第八、九、十架为精成型孔型，从图二可清楚地看出，此时主要是进行弯边，使带钢从U型完全变形为O型，从而完成了管坯的成型工艺，达到高频焊接的理想要求，无边缘折皱，焊接对口平行接触，有稳定的V型角，可保证高质量焊接的要求。
管坯的纵向变形，即管坯底部沿轴向的变形采用一个下凹曲线，在管坯成型中称之为下山变形法，或下山法成型，在各种管坯成型组中对下山量有不同的取法，本发明对下山量限定为h＝(0.4～1.2)D，在此范围内可减少边缘拉伸应力20%左右，同时对缩短变形区长度和降低变形功都大有好处。
以上带钢到管坯的横截面与纵向变形的特征，给变形过程提供了一个自然平滑的材料流线，可保证管坯成型的高质量，从而提高焊管质量。
本发明所提供的一种高频直缝焊管成型机组是根据以上成型工艺来设计的，它包括预成型机架四架，中间变形机架三架，精成型机架三架，一共十架轧机。由于涉及的设备较多，为便于清楚、完整地加以说明，先介绍附图内容，然后将发明内容和实施例一并介绍。
图一为多功能直缝焊管成型机组的侧视图，图中NO1-NO10为各机架的机架号。
图二为本发明成型工艺的孔型图，显示了从NO1孔型至NO10孔型各架次中带钢横向断面的变形情况。
图三为带钢至管坯的纵向变形图，显示了带钢宽度中心线延轴向变形曲线的轨迹，图中L为变形区长度，h为下山量。
图四为NO1机架1-1剖面水平辊示意图，其左半边视图为该孔型生产最小规格时轧辊所在位置及带钢变形情况，右半边视图为该孔型生产最大规格时轧辊所在位置及带钢变形情况。
图五为NO2机架2-2剖面立辊示意图，其左半边视图为该孔型被调节到生产最大规格管子时的位置，其右半边视图为该孔型被调节到生产最小规格管子时的位置，其中双点划线所示是生产中间各种规格管子时的位置。
图六为NO3机架3-3剖面立辊示意图，图中双点划线为生产各种规格管子时立辊的位置。
图七为NO4机架4-4剖面水平辊示意图，显示了该孔型生产最大规格管子时轧辊的位置，图中双点划线显示了生产各种规格管子时下辊的变换情况。
图八为NO5机架5-5剖面立辊示意图，显示了该孔型中轧辊的位置，其左侧为生产最小规格时的立辊位置，其右侧为生产最大规格时的立辊位置。
图九为NO6机架6-6剖面立辊示意图，显示了该孔型中轧辊的位置，其左侧为生产最小规格时的立辊位置，右侧为生产最大规格时的立辊位置。
图十为NO7机架7-7剖面立辊示意图，显示了该孔型中轧辊的位置，其左侧为生产最小规格时的立辊位置，其右侧为生产最大规格时的立辊位置。
图十一为排辊的布局示意图。
图十二为排辊进口处横断面小辊1的剖面图，其左侧为最小规格时小辊的位置，其右侧为最大规格时小辊的位置。
图十三为排辊出口处横断面小辊12的剖面图，其左侧为最小规格时小辊的位置，其右侧为最大规格时小辊的位置。
图十四为NO8机架10-10剖面水平轧辊示意图，显示了精成型机架的轧辊结构。
下面详细介绍该成型机组的结构和安排。
预成型机架为四架，即NO1-NO4机架，其第一架为一般二辊式轧机，主动轴32、51由轴承箱61、39、64、41支撑，可在机架30、38中上下移动。上辊35由键33及套34、36固定在轴32上。下辊由边翼辊56、44和中间辊50三部分组成。在两边翼辊56和44中装有锥形轴承52，轴承52固定在轴套54上，由压盖57与边缘辊相连，通过多个辊环58、59、60、61、62安装在轴51上，改变辊环在边缘辊两侧的数量可组成各种不同规格的轧辊，从而使带钢弯曲成不同规格的NO1孔型。中间辊50由键55固定在轴51上，由于锥形轴承的作用，使两个边缘辊56和44均为被动辊，于是减少了带钢与轧辊之间的相对摩擦。通过用辊环调整边缘辊的位置，可以用一台轧机适用于多种规格对NO1孔型的要求。图四右侧将多个辊环45、46、47、48、49安装在边缘辊44的内侧，于是可以适用于最大规格时的NO1孔型。
从图五可以看出NO2孔型由五个轧辊组成，它们分别是两个上压下辊87、88，一个下支撑辊85，两个侧立辊75和86。这些轧辊全部是被动辊。上压下辊87和88分别安装在丝母67和70上，其内部装有锥轴承66和72，由压盖82、68、83密封，丝母67、70安装在双向丝杠64上，丝杠64通过铜瓦65和73安装在瓦座63上，瓦座固定在辊架89上(见图一)，此辊架安装在第一架水平轧机的机架上。通过调节丝杠84(见
图1)可上下调整辊架89，当旋转双向丝杠64时，上压下辊87和88就可以合并或分开，这样便可适应各种不同规格孔型的要求。侧立辊86和75安装在辊座61和74上，辊座安装在立辊机座3上(见图一)，通过特殊的齿轮及丝杠机构调节侧立辊86和75在不同的宽度位置上，便可适应各种不同规格管子在NO2孔型的要求。下支撑辊85为一固定辊，不可调整。对所有不同规格均共用此辊，辊内装有轴承79，由压盖81、77密封，安装在轴78上，轴78固定在辊座上，辊座安装在立辊机架3上。从图的左半边可见孔型被调整到生产最大规格管子时上压下辊87、侧立辊86和下支撑辊85的位置。从图的右半边则可见孔型被调整到生产最小规格管子时上压下辊88、侧立辊75和下支撑辊85的位置，图中双点划线还显示了生产各种不同规格管子时侧立辊75的相对位置及所形成的孔型。
从图六可见NO3机架的剖面，也就是NO3孔型中各种规格管子立辊的调整位置，左半边图显示了最小规格时三辊的位置，右半边图显示了最大规格时立辊的位置。该孔型由一对被动立辊127和132将管坯弯曲到所需要的曲率半径。立辊127和132分别通过轴、轴套和锥形轴承安装在辊架126和128上，辊架通过压板122安装在立辊底座121上，两立辊通过丝杠124和134可以调整其间距离，从而以一种轧辊适应于不同规格钢管变形的要求。该结构调节方便，且刚度和稳定性好，立辊受力后移动平稳，辊子磨损小，寿命长。
从图七可见NO4机架水平轧辊的剖面，同时反映了生产各种规格管子时下辊的变换情况。上辊102通过键103及轴套100、117固定在主动轴101上。主动轴101和108由轴承箱98、105、109、95支撑在机架99、104中，可上下移动。下辊由三部分组成，即两个边缘辊97和107，一个中间辊116。在两个边缘辊中装有锥形轴承93、118及止推轴承94、119，由压盖96、113将其密封在边缘辊中，通过套组120、115及辊套93、112安装在轴108上，改变套组120、115在边缘辊97、107两侧的数量可形成不同规格的轧辊，以适用于不同规格的NO4孔型。中间辊116通过键92固定在轴108上，它与上辊102配合夹持带钢向前递送。两边缘辊97和107则是下辊的被动部分，它们与中间辊旋转速度不同，但表面线速度都与带钢运动速度一致。
从图八、图九、图十可见图一中5-5、6-6、7-7剖面，即NO5、NO6、NO7三架中间变形机架中立轧辊的位置及相应孔型的形状。它们适用于生产壁厚为6毫米以上的管子。其左侧为生产最小规格时的带钢变形情况及立辊应调整的位置，其右侧为生产最大规格时的带钢变形情况及立辊调整的位置。在这三台中间变形机架中带钢中间部分逐渐变型为具有所需管坯半径的半圆，立轧辊采用渐开线辊型，立辊座130、137(图八)，145、150(图九)、155、160(图十)除了可上下左右移动外，还可以按一定的角度旋转，由于辊型为渐开线，就保证了用一种规格的立辊可适应于不同曲率半径的需要。当更换规格时，按给定的数据只需调整立辊的位置和角度，而不必换辊。每一机架的下部均由一个水平支撑辊(139、152、162)支持管坯。以保证其纵向变形下山量的指数曲线关系。
对于薄壁管在NO5、NO6、NO7三架中间变形机架中的变形，通过一组全排辊来实现，见图十一。全排辊包括12对小辊，每一对小辊按各自不同的角度整齐地排列在刚度较大的横梁上，横梁可以任意上下左右灵活地调整，从而保证了一套排辊可适应于所有规格钢管成型的需要。本发明的全排辊的原理与其他形式的排辊原理相同，但具有其独特的优点其一，12对小辊之间的间距更加紧凑，有利于直线变形，其二，小辊角度的变化由辊座角度的变化得来，由图十二(进口处第1对小辊的剖图)和图十三(出口处第12对小辊的剖面图)可见，小辊197、198分别通过轴195、200安装在辊座196、199上，辊座196、199又分别通过键209、206及压板194、201安装在横梁190、205上，横梁通过轴193、203、214、222分别安装在架191、204、212、214上，架通过边销安装在图一中立辊架7和9上。通过改变辊座196、199的角度可以调整小辊的角度。这种结构的排辊不仅加工制造简便，受力合理，而且对个别小辊损坏后的更换更加方便。此二图中左半边视图显示了加工最小规格管坯时小辊、辊座、横梁被调整的位置。右半边视图显示了加工最大规格管坯时小辊、辊座、横梁被调整的位置。
精成型段由三架带游动导向环的两辊式主动水平辊机架组成，即图一中NO8、NO9、NO10三个机架，完成这三个孔型中的变形。三架水平辊的作用仅是弯曲管坯的上半部，使其成圆。见图十四。图中轧机的剖面图反映了精成型段的轧辊结构。下辊由两个半辊233、249通过螺栓250合并而组成，通过键231安装在轴253上。上辊由左半辊238、导向环241、右半辊243及滑动轴承240、隔套242，通过螺栓239连接合成，通过键235安装在轴247上。导向环241是被动的，而轧辊由轴上的键带动，于是解决了线速度差所造成的管坯划伤，其更重要的作用是对带钢的边缘进行加工使其变形，为直缝焊接焊缝对口的平行接触，并为稳定的V型角创造良好的条件，以保证焊缝质量。
采用本发明所示的多功能直缝焊管工艺及成型机组，即采用被动全排辊和立辊相结合和方式，用专门的孔型系统及特殊的辊组系统，可以生产出质量的D/t≤100的薄壁钢管及D/t≥9的厚壁钢管，直径范围φ60～φ168毫米，壁厚为1.5～10毫米，最高材质达≤552MPa，直径公差±0.1毫米。适用于结构管、水煤气管、汽车传动轴管、高中压锅炉管、高压输送管、油田用套管和油管等。该工艺使用成型机组机架次少，调整简便，精成型前所有架次均以一种轧辊适用所有规格，因此辊子储备少、寿命长、投资少、对带钢小的月形弯有较强的抗干扰能力，所加工的钢管质量好，精度高。
权利要求
1.一种高频直缝焊管成型工艺，其前三架轧机中各道次的钢带的横截面变形采用单半径变形，后七架轧机各道次采用特殊的变形方式，其特征在于第四架中钢带仅中间部分采用单半径变形，边缘部分不变，第五、六、七架各道次中，钢带的中间部分逐渐变形为具有所需管坯半径的半圆，而边缘部分仅有小变形，第八、九、十架各道次中，中间部分的半圆不变形，边缘部分逐渐变形为具有所需管坯的半径，从而完成横截面由平带到圆的变形，纵向变形采用下山法变形，下山量为h=(0.4～1.2)D，其中D为管坯直径。
2.一种高频直缝焊管成型机组，以满足权利要求1所述成型工艺的要求，包括预成型机架四架，中间变形机架三架，精成型机架三架，其特征在于预成型机架的水平轧机的每一架的轧辊辊身长度可通过辊环调整，以适应于各种大小规格焊管的预成型，中间变形机架的立轧辊采用渐开线辊型，经轧辊位置的调整可适用于除薄壁管外的各种规格焊管的中间变形，对于薄壁管的中间变形则采用一组全排辊，经调整可适用于各种薄壁管的中间变形，第四机架的出口端装有一套防扭装置。
3.根据权利要求2所述的机组，其特征在于所说的预成型机架的水平轧机的下辊的两边翼辊是可分离的，两个边翼辊均为被动辊，左右两边翼辊中间有多个可供调整的辊环。
4.根据权利要求2所述的机组，其特征在于所说的中间变形机架的立轧辊的辊型为渐开线形状、轧辊通过机械装置可上下、左右调整，而且可以位置旋转，通过轧辊位置的调整可适用于各种规格非薄壁管焊管的中间变形。
5.根据权利要求2所述的机组，其特征在于所说的薄壁管中间变形全排辊的每一组小辊均装在排辊横梁上，横梁与辊座通过键连接，通过改变辊座的角度来调整小辊的角度。
全文摘要
本发明涉及一种高频直缝焊管成型工艺和与工艺相适应的成型机组，采用被动全排辊和立辊相结合的方式，用专门的孔型系统和特殊的辊组系统，可以生产出高质量的D/t≤100的薄壁钢管及D/t≥9的厚壁钢管，直径范围为Φ60～Φ168毫米，壁厚为1.5～10毫米，成型机组机架次少，调整简便，精成型前所有架次均以一种轧辊适用所有规格，因此辊子储备少、寿命长、投资少，且所加工的钢管质量好，精度高。
文档编号B21C37/08GK1066805SQ92102768
公开日1992年12月9日 申请日期1992年4月21日 优先权日1992年4月21日
发明者冯世功 申请人:陕西省宝鸡石油钢管厂