大口徑鋼管管端矯正方法及裝置的製作方法

2023-06-11 04:32:01 1

專利名稱：大口徑鋼管管端矯正方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種大口徑鋼管管端矯正方法及所使用的裝置。
螺旋焊管成型過程中的管端不圓度和管徑偏差控制一直是螺旋焊管生產中亟需解決的問題，美國石油學會(API)標準規定的管端不圓度允差為管徑的±1%，對於大口徑管來說，這個標準過松，如φ529mm的螺旋焊管，管端不圓度允差為±5.29mm，這樣的管在管端倒稜時，管端橫截面長軸處的稜邊部分會自然消失，在野外配管焊接施工時，很難將兩管對焊在一起，即使能對焊在一起，也會產生很大的殘餘應力，從而使焊縫處機械強度和抗腐蝕性能明顯下降，造成了管道在使用過程中的不安全性，因而管端矯正成為必要。
國外有關管端矯正的方法一般都局限於無縫管和直縫管的真圓度矯正，關於螺旋焊管僅有管全長擴管矯正方法，這些方法均難以解決管端矯正過程中的彈復及管徑偏差問題，蒲原秀明法(JP5522462，JP5858945，US4262517)很好地解決了直縫管矯正時彈復和管徑偏差控制，但對強度不明的材質，需要增加一套管材機械性能檢測以及擴管後周長控制的微機控制系統，操作過程複雜，矯正效率低，故未推廣應用。
本發明的目的在於提出一種新的大口徑鋼管管端的矯正方法及矯正設備，利用該方法及設備，可以用於各種材質的鋼管管端的真園度矯正，並且操作過程簡單，矯正後精度高，矯正效率高宜於推廣應用。
本發明的詳細內容如下一、矯正方法對於大口徑鋼管進行擴口→縮口→擴口的矯正工序，或採用縮口→擴口→縮口的矯正工序，擴口量與縮口量應相當，一般為管徑的1-5%，其中縮口工序可採用多輥外旋縮口或用帶有直壁部分的錐形或圓弧形凹模進行軸向縮口。擴口工序則可通過下列方式進行(1)剛性分塊模內脹(2)多輥內旋(3)彈性體內脹(4)爆炸或電磁成形擴口、縮口均能提高管端真圓度，兩種工序對管端進行矯正的結果使管端真圓度達到很高的水平，還由於縮口能對焊縫翹曲變形有矯正作用，縮口後的管端管徑尺寸精確一致，因而形成一種管端真圓度、管端管徑偏差、焊管焊縫翹曲變形的綜合矯正方法。
二、矯正裝置擴、縮口工序可通過組合裝置(即擴、縮口的若干方法的組合，

圖1為其中的一例)或專用的擴、縮口裝置實現，裝置中鋼管的夾緊、定位以及進給裝置可採用液壓、電氣或機械方式實現。對於彈性大、管材機械性能波動大、焊管管端焊縫區翹曲變形較大(如T/S-52K管)的管端矯正則需採用擴口、縮口的組合工序，而對於一般的彈性小、管材機械性能波動小、焊縫區翹曲小(如A3管，SM41B管)的管端矯正，僅用該裝置的擴口或縮口工序即可達到較高的矯正效果。此外，本裝置還可對管端進行大變形的擴口和縮口加工。
本發明所涉及的矯正裝置由圖1所示的各個部分組成，包括縮、擴口模2，剛性分塊模6，拉杆7，組合體8，彈性體9，套缸10，固定油缸11，拉杆12，橫梁13，固定機座14，縮、擴口模檔板15。其中縮擴口模2由三段組成，第一段為直壁部分3，長度l 為100-150mm，內徑為(1.02～1.10)D0，(D0為API標準所規定的管端公稱外徑)，第二段為錐形部分4，其半錐角φ＝5°～15°，第三段為直壁部分5，長度l2為40-150mm，直徑為D+1.00+0.5，組合體8的芯筒部分軸向長度(與縮口模2第二段直壁部分5及錐形部分4對應的芯筒部分)為直壁部分5與錐形部分4軸向長度之和，芯筒部分(組合體8)外徑尺寸D的選取如下(芯筒外徑包括彈性體的厚度尺寸、彈性體壁厚一般為5-20mm)D＝D0-2t其中t為管壁厚若芯筒與最終縮口管端內徑的間隙達到使管端在大變形縮口時發生周向皺曲時，則考慮在芯筒上再加上一層彈性體(採用抗剪切強度較好的聚氨酯)，使得芯筒的外徑正好與最終縮口後管端內徑一致，即D＝D0-2t，這樣，即可避免管端焊縫加強高在縮口模2與芯筒之間的咬入現象，又可避免縮口時管端周向皺曲的發生。
組合體8採用鑄造加工，其芯筒的內徑、外徑以及與拉杆7配合的部分採用機械加工，左端用法蘭部分與套缸10的端部聯結，其園盤部分與左端法蘭部分之間採用筋板加強，這樣可通過組合體8這種特殊結構將套缸10的軸向力傳遞給橫梁13，然後橫梁13帶動嵌入其內的縮口模2將縮口力作用於管端1，橫梁內孔是用來固定縮口模的，其尺寸可按最大管徑尺寸來定(最大管徑為φ1420mm，內孔尺寸定為φ1600mm)管徑變化時，縮口模內、外徑尺寸相應變化，考慮縮口模採用成本較高的硬質合金製造。因此縮口模2內外徑之差不能太大。所以，在管徑調整時，縮口模2在橫梁13中內孔的固定採用一內徑變化而外徑為橫梁由孔直徑的調整環(圖中未畫出)這樣可以調整縮口、擴口部位的尺寸。
縮口模2的軸向固定是通過組合體8的園盤部分以及設備端面處園盤15(帶筋)來實現的，為了避免帶筋園盤15與縮口模2接觸處的集中載荷(管端1退出縮口模2時由於管壁與縮口模壁之間的摩擦作用而產生的軸向力)作用而引起集中載荷處的變形，因此在設計中，採用了筋板結構(徑向對稱布置)以減緩載荷體中處的變形，從而起到對縮口模2的較好固定作用。
芯筒(組合體8)端部開有徑向滑槽，在擴口時剛性分塊模6可在拉杆7斜面作用下徑向向內或向外運動，芯筒還可作為拉杆7的導向部分以及縮口時防周向皺曲措施。
拉杆12除承受縮口時的軸向縮口力作用以外，還可作為與縮口模2相連的橫梁13的軸嚮導向，在縮口時、管端中心與縮口模2的中心自然重合。在拉杆12與管中間對應部位(圖中未畫出)拉杆12採用分段聯結結構，可根據管長進行拆裝組合。
圖1為本方法之一的原理圖，其犬概過程為管端1進入縮口模2的第一段直壁部分3，拉杆7向左作用時，剛性分塊模6對管端1進行擴口，拉杆7及套缸10右移，管端1隨之進入縮口模2的錐形部分4及直壁部分5，縮口模2退出管端1時，即完成矯正。
部件8在縮口時可作為芯筒，在其上固定一層彈性體，不僅可避免縮口時周向皺曲現象的發生，還可避免焊縫加強筋處在縮口時在芯筒8與縮口模直壁部分5的咬入現象。
本方法及設備可對螺旋焊管的焊縫桃形嘴」進行局部矯正。螺旋焊管在三輥彎曲成型時，在合縫處有可能出現直邊，焊接後熱變形以及彈復結果使焊縫局部區出現翹曲變形(即所謂的「桃形嘴」現象)(圖2a所示)，軸向縮口時，首先是焊縫加強肋與模壁接觸，從而使焊縫徑向向內移動(圖2b)，管端退出縮口模之後，「桃形嘴」有一向外的反彈量，最終結果使焊縫局部區被矯正過來(圖2c)，其矯正原理相當於杆件彎曲矯正。
用本方法矯正彈性大、機械性能波動大，焊縫翹曲變形大的管材時，無論管端原始狀態如何，矯正後均能得到非常滿意的效果，而對於一般彈復小，機械性能波動小，焊縫翹曲變形小的管僅需進行小變形量的擴口或縮口就能得到較好的矯正效果，本方法對於任意管材，任意管型(無縫管、直縫管、螺旋焊管方形管)的管端矯正均適用。
對於不同的管徑，可對本裝置的矯正部分進行局部拆裝組合從而調整縮口模和芯筒的相應尺寸，管長1變化時，管兩端的矯正設備相應距離也要相應變化，如圖1的裝置中，可調節分段聯接的拉杆12來實現，綜上所述，本方法是一種萬能性很大的管端真圓度矯正、管徑控制及焊縫翹曲矯正方法。
圖1為本發明裝置的原理圖，其中1-管端;2-縮口模;3-管端擴口時位置(縮口模2的第一段直壁部分;4-縮口模2中的錐形部分;5-縮口模2中的第二段直壁部分;6-剛性分塊模;7-拉杆;8-組合體(包括芯筒、縮口模固緊、擴口時導向頂緊部分);9-彈性體;10-套缸;11-固定機座;15-縮口模2固定用擋板;16-拉杆固緊用螺母;17-半圓形固定套;18-滑套;19-油缸固定螺母。
圖2-管端縮口前後焊縫區翹曲變形的矯正過程;
a-縮口前焊縫局部區的翹曲形貌;
b-縮口時焊縫局部區的形貌;
c-管端退出縮口模時焊縫區的形貌。
圖3-T/S-52K熱軋鋼帶(曲線A)與16Mn冷軋鋼帶(曲線B)的應力應變曲線;
圖4-剛性分塊模擴管整園時，管端不圓度ΔD(曲線A)周長增長量Δl(曲線B)隨擴管壓力變化的曲線;
圖5-管端外部加環狀金屬限制套，管內用剛性分塊模帳(見專利JP5825822)的管端矯正方法對應的管端不圓度ΔD(曲線A)、周長增長量Δl(曲線B)隨擴管壓力變化的曲線;
圖6-管端外部加環狀金屬限制套，管內用聚氨酯脹(見專利JP55117530)時管端不圓度ΔD(曲線A)、周長增長量Δl(曲線B)隨加載壓力變化的曲線;
圖7-蒲原秀明法(見專利JP5522462，JP5858945，US4262517)管端矯正時，管端不圓度ΔD(曲線A)，周長增長量Δl(曲線B)隨壓力變化的曲線;
圖8-管端擴口後再進行縮口(帶有直壁部分的錐形凹模)時(本專利方案之一)，管端不圓度ΔD隨縮口率變化的曲線。(A為縮口時皺曲點)實施例為了模擬實際大口徑鋼管的管端矯正，採用了彈復及強度較T/S-52K(性能相當於16Mn熱軋鋼帶)還要大的16Mn冷軋鋼帶(性能比較見圖3)，卷制試驗用螺旋焊管，管徑為φ60mm，壁厚t＝1.23mm，試驗中還比較了無焊縫加強高(打磨平)和有焊縫加強高的管端矯正結果，發現，無焊縫加強高(磨平縫)的翹曲變形效果不如有焊縫加強高的管。
針對同時控制管端真圓度和管徑偏差這一要求，將本專利方案實驗結果與國外被認為是較好的幾種管端矯正方案實驗結果作了對比分析。結果表明，本專利方案為更有效的方案。圖4～8為實驗結果。
權利要求
1.一種用於大口徑鋼管管端矯正的方法，其特徵在於採用縮口→擴口→縮口的矯正工序，擴口量應與縮口量相當，為管徑的1-5%，縮口採用多輥外旋縮或用帶有直壁部分的錐形或圓弧形凹模進行軸向縮口，擴口採用下述方式種的任意一種a、剛性分快模內脹b、多輥內旋c、彈性體內脹d、爆炸或電磁成形
2.一種用於權利要求1所述方法的矯正裝置，包括縮擴口模2，剛性分快模6，拉杆7，組合體8，套缸10，固定油缸11，拉杆12，橫梁13，固定機座14，其特徵在於縮擴口模2由三段組成，第一段為直壁部分3，長度為100-150毫米，內徑為1.02～1.10D0(D0為API標準規定的管端公稱外徑)，第二段為錐形部分4，半錐角為5°-15°，第三段為直壁部分5，長度為40-150毫米，內徑為D+1.00+0.5，組合體8的芯筒部分軸向長度為5與4的軸向長度之和，芯筒部分外徑尺寸D按下式選取D＝D0-2t(mm)其中t為管壁厚，組合體8的芯筒部分左端用法蘭部分與套缸10的端部聯結，其園盤部分與左端法蘭部分之間採用筋板加強，芯筒端部開有徑向滑槽，拉杆12採用分段連接結構，帶筋園盤15與縮口模2接觸處採用筋板結構。
3.權利要求2所述矯正裝置，其特徵在於在芯筒上加一層彈性體9，彈性體採用抗剪切強度較好的聚氨酯製造。
全文摘要
本發明為一種大口徑鋼管管端矯正方法及其裝置，針對彈性大、機械強度波動大的焊管，提出了管端縮口，擴口並用的方法及其矯正裝置。結果表明用此法矯正管端，不僅能得到精確一致的管徑尺寸和極高的管端真圓度，還可利用其中的縮口工序矯正焊縫處的翹曲變形，擴口、縮口可用組合裝置，也可通過專用擴、縮口裝置實現，對於彈性小、機械強度波動小的無縫管及焊管，可僅用其中小變形的擴口或縮口即可對管端進行矯正。
文檔編號B21D41/00GK1042673SQ8810783
公開日1990年6月6日 申請日期1988年11月12日 優先權日1988年11月12日
發明者康達昌, 王仲仁, 梅世錦 申請人:哈爾濱工業大學