CN102773258B - 小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺及其设计方法。本发明针对减径比达到3.0以上、口径在60.0mm以下、壁厚10mm以上的小口径厚壁无缝钢管，通过合理设计工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂，同时在张力减径机组的入口设置加热装置对荒管进行加热，保证了荒管周向温度的均匀性，从而使得所生产的小口径厚壁无缝钢管壁厚的最大偏差不超过0.5mm，内不圆程度不超过5％，能够满足高精度用户的要求。

Description

小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺及其设计方法

技术领域

本发明涉及无缝钢管的生产领域，更具体地讲，涉及一种小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺及其设计方法。

背景技术

无缝钢管的生产通常包括穿孔、轧制及定减径三个工序。目前，穿孔工序通常采用二辊斜轧工艺将实心的坯料轧制成空心的毛坯，轧制工序通常在包括一个空减机的五机架轧机中将穿孔后的毛坯轧制成一定外径及壁厚的钢管，而定减径工序将五机架连轧后的钢管轧制成满足产品直径和壁厚要求的成品钢管。

目前，为了得到较小管径的无缝钢管，通常在定减径工序采用张力减径的工艺将较大直径的钢管减径成较小直径的成品钢管，张力减径工艺的生产示意图如图1所示。但由于张力减径的特性，在张力减径机组轧辊孔型确定条件下，最终产品质量的好坏与工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂密切相关。如果张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂设计不合理，有可能造成最终产品钢管壁厚不均，特别是采用大减径比生产的小口径厚壁高压锅炉管等产品，由于用户对钢管内外表面要求较高时，如上述因素中任意一个因素存在较大偏差，都有可能造成小口径厚壁无缝管由于壁厚不均匀产生内多边形、内不圆等缺陷。

同时，传统的张力减径机组前只设计常化退火炉，通常不考虑荒管周向温度分布不均对最终产品质量的影响，从而生产的产品壁厚均匀性较差，无法达到高精度产品用户的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。

为了克服传统无缝钢管张力减径工艺设计方法及荒管周向温度分布不均对最终产品质量的影响，本发明的目的在于提供一种小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺及其设计方法，以提高最终产品的质量和精度，满足高精度用户的要求。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计方法，所述方法包括以下步骤：

①收集无缝钢管张力减径机组的设备参数及产品规格参数；

②以张力减径机组在张力减径过程中的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂作为优化变量，再按下述步骤优化设计，计算工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂的最优值：

i)给工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂赋初值，定义向量x＝(t，n₁，n₂)；

ii)计算目标函数F(x)，其中，目标函数F(x)定义为式中，h_max、h_min、h₀分别表示产品壁厚的最大值、最小值和名义值；

iii)采用优化方法计算出使目标函数F(x)最小时的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂，即得到所需的最优值。

根据本发明的小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计方法的一个实施例，所述设备参数包括张力减径机组的机架数、机架间距，所述产品规格参数包括荒管直径和壁厚、产品直径、壁厚和屈服强度。

根据本发明的小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计方法的一个实施例，在步骤ii)中，采用弹塑性有限元软件模拟在给定的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂条件下的产品壁厚分布，从而得出目标函数

根据本发明的小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计方法的一个实施例，在步骤iii)中，首先判断优化方法的目标是否成立，若成立，则终止运算，得到所需的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值；若不成立，重复进行i)、ii)、iii)步骤，直到优化方法的目标成立，得到所需的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值，计算结束。

本发明的另一方面提供了一种小口径厚壁无缝钢管大减径比的张力减径工艺，所述工艺包括以下步骤：

1)根据上述小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计方法获得张力减径过程所需的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值；

2)在张力减径机组的入口设置加热装置对荒管进行加热，将荒管圆周方向上的温差控制在10℃以下；

3)在钢管的张力减径加工过程中采用步骤1)中所得到的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值；

根据本发明的小口径厚壁无缝钢管大减径比的张力减径工艺的一个实施例，所述张力减径工艺所得到的小口径厚壁无缝钢管的张力减径比在3.0以上、口径在60.0mm以下、壁厚在10.0mm以上。

根据本发明的小口径厚壁无缝钢管大减径比的张力减径工艺的一个实施例，所述加热装置为电磁加热器。

本发明针对减径比达到3.0以上、口径在60.0mm以下、壁厚10mm以上的小口径厚壁无缝钢管，通过合理设计工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂，同时在张力减径机组的入口设置加热装置对荒管进行加热，保证了荒管周向温度的均匀性，从而使得所生产的小口径厚壁无缝钢管壁厚的最大偏差不超过0.5mm，内不圆程度不超过5％，能够满足高精度用户的要求。

附图说明

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是无缝钢管张力减径工艺的生产示意图。

图2是本发明的实施例1中无缝钢管生产时的张力系数分布图。

图3是本发明的实施例2中无缝钢管生产时的张力系数分布图。

附图标记说明：

1-张力减径机组入口、2-张力减径机组出口、3-机架、4-荒管、5-成品钢管、6加热装置。

具体实施方式

在下文中，将结合附图对本发明的示例性实施例作进一步详细的描述。

图1是无缝钢管张力减径工艺的生产示意图。如图1所示，张力减径工艺是通过张力减径机组中的多组机架3将较大直径的荒管4减径成较小直径的成品钢管5，其中，最终产品质量的好坏与工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂密切相关。因此，本发明将工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂作为优化设计的关键，以获得最佳的张力减径效果。其中，口径即为钢管直径。

根据本发明示例性实施例的小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计方法包括以下步骤：

①收集无缝钢管张力减径机组的设备参数及产品规格参数；

②以张力减径机组在张力减径过程中的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂作为优化变量，再按下述步骤优化设计，计算工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂的最优值：

i)给工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂赋初值，定义向量x＝(t，n₁，n₂)；

ii)计算目标函数F(x)，其中，目标函数F(x)定义为式中，h_max、h_min、h₀分别表示产品壁厚的最大值、最小值和名义值；

iii)采用优化方法计算出使目标函数F(x)最小时的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂，即得到所需的最优值。

在步骤①中，设备参数可以包括张力减径机组的机架数、机架间距，产品规格参数可以包括荒管直径和壁厚、产品直径、壁厚和屈服强度。获取设备参数及产品规格参数主要是为了进行后续的计算方便和具体工艺参数的设计。

将张力减径机组在张力减径过程中的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂设置为优化变量后，进行上述参数的优化计算。

首先，根据赋于工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂的初值，定义向量x＝(t，n₁，n₂)；

然后，根据所获得的x进行目标函数F(x)的计算，其中目标函数F(x)定义为式中，h_max、h_min、h₀分别表示产品壁厚的最大值、最小值和名义值。具体地，在步骤ii)中，采用弹塑性有限元软件为工具，模拟在给定的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂条件下的产品壁厚分布，从而得出目标函数

最后，采用优化方法计算出使目标函数F(x)最小时的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂，即得到所需的最优值。本发明的小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计过程可以表述为，寻找一组合适的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂，使得目标函数F(x)最小。其中，优化方法可以为POWELL法等常用的优化方法。

优化计算的过程中，需要根据工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂的值计算目标函数F(x)，然后判断优化的目标是否成立，若成立，则终止运算，得到所需的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值；若不成立，重复进行ii)、iii)两个步骤，直到优化方法的目标成立，得到所需的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值，计算结束。其中，若不成立，则计算过程会根据所选的优化方法自动给定新的向量x＝(t，n₁，n₂)，然后继续计算，直到达到最优目标，这个步骤是由优化方法自动进行的，无需工艺人员参与。

本发明的小口径厚壁无缝钢管大减径比的张力减径工艺则包括以下步骤：

根据上述小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计方法获得张力减径过程所需的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值，以备后续生产时的利用。

并且，在张力减径机组的入口1设置加热装置6对荒管4进行加热，将荒管4圆周方向上的温差控制在10℃以下，这是为了避免荒管4周向温度的均匀性差所造成的最终产品周向壁厚不均等缺陷。其中，加热装置6可以为电磁加热器等常用加热设备。

在钢管的张力减径加工过程中采用步骤1)中所得到的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值，最后得到产品。采用上述所获得的最优值进行张力减径的生产，则可以有效保证最终产品的质量和精度。

在本发明的一个实施例中，上述张力减径工艺所得到的小口径厚壁无缝钢管的张力减径比在3.0以上、口径在60.0mm以下、壁厚在10.0mm以上。

并且，根据本发明的小口径厚壁无缝钢管大减径比的张力减径工艺所生产的小口径厚壁无缝钢管的壁厚最大偏差不超过0.5mm，内不圆程度不超过5％，能够满足高精度用户的要求。

为了更好地理解本发明、下面结合具体示例进行详细描述。以下实施例是采用本发明的小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计方法设计的某φ159无缝钢管张力减径机组生产小口径厚壁无缝钢管时的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂并利用所获得的参数进行了相应的张力减径工艺处理，获得了小口径厚壁无缝钢管成品。

示例一：

由φ182×12mm(直径182mm、壁厚12mm)荒管生产φ60×12mm(直径60mm、壁厚10mm)小口径厚壁管

首先收集φ159无缝钢管张力减径机组的设备参数及产品规格参数，其中，该机组的机架数为21、机架间距为300mm；张力减径机组入口的荒管直径为182mm、壁厚为12mm，产品口径为60mm、壁厚为12mm、产品钢种屈服强度为150MPa，减径比为182/60＝3.03。

再按下述步骤优化设计工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂：

i)给张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂赋初值，定义向量x＝(t，n₁，n₂)；

ii)采用弹塑性有限元软件为工具，模拟产品的壁厚分布，从而得出产品的目标函数

iii)判断优化目标函数F(x)是否最小。若最小，则终止运算，得到所需的张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂。若不是最小，重复ii)、iii)两个步骤，直到目标函数F(x)最小，计算结束，得到所需的张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值。

在张力减径处理之前，在张力减径机组的入口设置电磁加热装置对荒管进行加热，将荒管圆周方向温差控制在10℃以下。

采用本实施例所设计的φ159无缝钢管张力减径机组由φ182×12mm荒管生产φ60×12mm小口径厚壁管的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂分别为t＝0.55、n₁＝3、n₂＝4，张力系数分布参见图2。图2中横坐标为机架号，纵坐标为张力系数，曲线代表各机架对应的张力系数。

最终产品的壁厚偏差为0.35mm，内不圆程度为3.75％。

示例二：

由φ182×10mm(直径182mm、壁厚10mm)荒管生产φ48×10mm(直径48mm、壁厚10mm)小口径厚壁管

首先收集φ159无缝钢管张力减径机组的设备参数及产品规格参数，其中，该机组的机架数为24、机架间距为300mm；张力减径机组入口的荒管直径为182mm、壁厚为10mm，产品口径为48mm、壁厚为10mm、产品钢种屈服强度为170MPa，减径比为182/48＝3.79。

再按下述步骤优化设计工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂：

i)给张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂赋初值，定义向量x＝(t，n₁，n₂)；

ii)采用弹塑性有限元软件为工具，模拟产品壁厚分布，从而得出产品目标函数

iii)判断优化目标函数F(x)是否最小。若最小，则终止运算，得到所需的张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂。若不是最小，重复i)、ii)、iii)步骤，直到目标函数F(x)最小，计算结束，得到所需的张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值。

在张力减径处理之前，在张力减径机组的入口设置电磁加热装置对荒管进行加热，将荒管圆周方向温差控制在10℃以下。

采用本实施例所设计的φ159无缝钢管张力减径机组由φ182×10mm荒管生产φ48×10mm小口径厚壁管的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂分别为t＝0.61、n₁＝4、n₂＝5，张力系数分布参见图3。图3中横坐标为机架号，纵坐标为张力系数，曲线代表各机架对应的张力系数。

最终产品的壁厚偏差为0.43mm，内不圆程度为4.28％。

综上所述，本发明针对减径比达到3.0以上、口径在60.0mm以下、壁厚10mm以上的小口径厚壁无缝钢管，通过合理设计工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂，同时在张力减径机组的入口设置加热装置对荒管进行加热，保证了荒管周向温度的均匀性，从而显著提高了无缝钢管成品的质量和精度，能够满足高精度用户的要求。

尽管上面结合实施例示出并描述了本发明的小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺及其设计方法，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在这里做出形式和细节上的各种改变。

Claims (6)

1.一种小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 

①收集无缝钢管张力减径机组的设备参数及产品规格参数； 

②以张力减径机组在张力减径过程中的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂作为优化变量，再按下述步骤优化设计，计算工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂的最优值： 

ⅰ）给工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂赋初值，定义向量x=(t,n₁,n₂)； 

ⅱ）计算目标函数F(x)，其中，目标函数F(x)定义为，式中，h_max、h_min、h₀分别表示产品壁厚的最大值、最小值和名义值； 

ⅲ）采用优化方法计算出使目标函数F(x)最小时的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂，即得到所需的最优值，其中，首先判断优化方法的目标是否成立，若成立，则终止运算，得到所需的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值；若不成立，重复进行ⅱ）、ⅲ）两个步骤，直到优化方法的目标成立，得到所需的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值，计算结束。 

2.根据权利要求1所述的小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计方法，其特征在于，所述设备参数包括张力减径机组的机架数、机架间距，所述产品规格参数包括荒管直径和壁厚、产品直径、壁厚和屈服强度。 

3.根据权利要求1所述的小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计方法，其特征在于，在步骤ⅱ）中，采用弹塑性有限元软件模拟在给定的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂条件下的产品壁厚分布，从而得出目标函数 。

4.一种小口径厚壁无缝钢管大减径比的张力减径工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤： 

1)根据权利要求1至3中任一项所述的小口径厚壁无缝钢管大减径比张力减径工艺的设计方法获得张力减径过程所需的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值； 

2）在张力减径机组的入口设置加热装置对荒管进行加热，将荒管圆周方向上的温差控制在10℃以下； 

3）在钢管的张力减径加工过程中采用步骤1）中所得到的工作机架张力系数t、张力升起机架数n₁、张力降落机架数n₂最优值。 

5.根据权利要求4所述的小口径厚壁无缝钢管大减径比的张力减径工艺，其特征在于，所述张力减径工艺所得到的小口径厚壁无缝钢管的张力减径比在3.0以上、口径在60.0mm以下、壁厚在10.0mm以上。 

6.根据权利要求4所述的小口径厚壁无缝钢管大减径比的张力减径工艺，其特征在于，所述加热装置为电磁加热器。