CN105689450A - 一种大型直缝焊管三辊连续矫直装置及工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种大型直缝焊管三辊连续矫直装置及工艺方法，两个下辊和一个上辊均为圆弧面，且圆弧半径大于管件半径。支承辊为圆柱形筒体，两个支承辊之间的距离相同，两个支承辊和两个下辊在同一条直线上。具体步骤如下：(1)得到管件矫直所需的理论弯矩M(x)，(2)输入三辊连续矫直实时控制系统，(3)实现管件的一次性连续矫直。本发明通过测量管件的初始挠度曲线，获得了整根管件的最佳理论矫直弯矩及矫直载荷。通过实时控制系统控制上辊的载荷施加，提高了矫直精度。通过三辊组成的辊系可以一次、连续矫直管件，提高了生产效率。

Description

一种大型直缝焊管三辊连续矫直装置及工艺方法

技术领域本发明属于机械领域，涉及一种直缝焊管三辊连续矫直工艺方法。

背景技术大型直缝焊管广泛用于石油、天然气等的远距离运输，且多用于环境条件复杂的危险地段。在大型直缝焊管的实际生产过程中，受成形设备及模具整体直线度、焊接热应力等因素影响，成形后焊管的整体直线度并不满足行业要求，且其弯曲形式为单挠度的平面弯曲，需对其进行矫直处理。目前，大型直缝焊管多采用一次或多次三点式过弯矫直工艺进行修正，即将带有初始挠曲的焊管置于支距可调的两支点上，压点在最大挠曲处施以压力，使焊管反向弯曲后，压点上行，管件弹复，测量其直线度是否满足要求，若不满足，重复上述过程，直至满足要求。它的不足之处：1、现行矫直方法只针对焊管最大挠曲处，未考虑整体挠度分布，因此需要反复测量，多次矫直；2、实际生产依靠矫直工人的经验估计矫直行程，误差波动大、矫直精度差；3、过弯矫直工艺需多次移动管件，多次压制，使得矫直过程不连续、矫直效率低。

发明内容本发明要解决的技术问题是，提供一种高效、高精度的大型直缝焊管三辊连续矫直装置及工艺方法。

为解决上述技术问题，本发明方案的具体步骤如下：

1、将待矫管件置于辊道上，使其弯曲平面垂直于工作台面，对弯曲平面管件外母线进行等效测量，并通过曲线拟合获得待矫管件的挠度曲线函数表达式。然后根据管件材料性能参数和公式

$\begin{array}{c}{K}_d=\frac{4{\mathrm{\σ}}_0}{3EI}{(R_1^2-R_2^2)}^{\frac{3}{2}}+\frac{{\mathrm{\π\σ}}_s}{4E^2{\mathrm{IR}}_2}({\mathrm{DR}}_1^4-{\mathrm{ER}}_2^4)\\ +\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{R_{2}EI}\[\frac{R_1^4}{2}\arcsin \left(\frac{R_2}{R_1}\right)+\frac{R_2}{2}(2R_2^2-R_1^2)\sqrt{R_1^2-R_2^2}\]\end{array}---\left(1\right)$

$K\left(x\right)=\{\begin{array}{cc}\begin{array}{c}\frac{4{\mathrm{\σ}}_0}{3EI{\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)}^3}{\[{\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)}^2{R}_1^2-{\mathrm{\ϵ}}_s^2\]}^{\frac{3}{2}}+\frac{\mathrm{\π}\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)({\mathrm{DR}}_1^4-{\mathrm{ER}}_2^4)}{4EI}\\ +\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{2{\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)}^{3}EI}(2{\mathrm{\ϵ}}_s^2-{\[\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)R_1\]}^2)\sqrt{{\[\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)R_1\]}^2-{\mathrm{\ϵ}}_s^2}\\ +\frac{(E-D)\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)R_1^4}{2EI}\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)R_1}\right)\end{array}& \left|K_0\left(x\right)\right|\≤\left|K_d\left(x\right)\right|\\ \begin{array}{c}\frac{(E-D)\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)}{2EI}\[R_1^4\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)R_1}\right)-R_2^4\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)R_2}\right)\]\\ +\frac{4{\mathrm{\σ}}_0}{3EI{\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)}^3}\{{\[{\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)}^2{R}_1^2-{\mathrm{\ϵ}}_s^2\]}^{\frac{3}{2}}-{\[{\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)}^2{R}_2^2-{\mathrm{\ϵ}}_s^2\]}^{\frac{3}{2}}\}\\ +\frac{{\mathrm{\σ}}_0(2{\mathrm{\ϵ}}_s^2-{\[\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)R_0\]}^2)}{2EI{\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)}^3}\sqrt{{\[\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)R_2\]}^2-{\mathrm{\ϵ}}_s^2}\\ -\frac{{\mathrm{\σ}}_0(2{\mathrm{\ϵ}}_s^2-{\[\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)R_1\]}^2)}{2EI{\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)}^3}\sqrt{{\[\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)R_1\]}^2-{\mathrm{\ϵ}}_s^2}\\ +\frac{\mathrm{\π}\left(K\right(x)-K_0(x\left)\right)({\mathrm{DR}}_1^4-{\mathrm{ER}}_1^4-{\mathrm{ER}}_2^4)}{4EI}\end{array}& \left|K_0\left(x\right)\right|>\left|K_d\left(x\right)\right|\end{array}---\left(2\right)$

M(x)＝K(x)EI(3)

得到管件矫直所需的理论弯矩M(x)。其中，K_d为管件截面弹塑性变形区域分界点位于管件内径边界时的初始曲率，K₀(x)为初始曲率分布，f(x)为挠度曲线函数表达式；σ₀为截距应力，σ_s为初始屈服应力，E为弹性模量，D为塑性剪切模量；I为管截面惯性矩，R₁和R₂分别为管件的外圆和内圆的半径；K_d(x)为塑性变形是否深入到管内径的分界曲率；K(x)为加载时曲率；ε_s为弹性极限应变。

2、根据理论矫直弯矩M(x)和两下辊间距L确定矫直载荷F(x),

$F\left(x\right)=\frac{4M\left(x\right)}{L}---\left(4\right)$

即得矫直所需的矫直载荷-位移关系曲线F-s，并输入三辊连续矫直实时控制系统；

3、将待矫管件置于大型直缝焊管三辊连续矫直装置上，两下辊同步转动，同时带动管件轴向移动，上辊按照一定规律对管件连续施压，直至管件全部通过辊系，实现管件的一次性连续矫直。

大型直缝焊管三辊连续矫直装置主要包括上辊、下辊和支承辊。两个下辊和一个上辊均为圆弧面，且圆弧半径大于管件半径。支承辊为圆柱形筒体，两个支承辊之间的距离相同，两个支承辊和两个下辊在同一条直线上。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、现行的矫直工艺只针对管件弯曲最大处，并未考虑管件的整体挠度分布；本发明通过测量管件的初始挠度曲线，获得了整根管件的最佳理论矫直弯矩及矫直载荷。

2、现行的矫直工艺依靠技术工人的经验估计矫直行程；本发明通过实时控制系统控制上辊的载荷施加，提高了矫直精度。

3、现行的矫直工艺一般需多次模压达到矫直目的；本发明通过三辊组成的辊系可以一次、连续矫直管件，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明实例待矫管件初始挠度测量数据及拟合曲线图；

图2为本发明实施例待矫管件的初始曲率分布图；

图3为本发明实施例待矫管件的矫直弯矩图；

图4本发明实施例待矫管件的F-s关系曲线；

图5为本发明实施例的辊体结构图；

图6为本发明实施例连续矫直结构示意图。

图5、图6中：1.上辊、2.支承辊、3.下辊。

具体实施方式

大型直缝焊管三辊连续矫直装置主要包括上辊、下辊和支承辊。两个下辊和一个上辊均为圆弧面，且圆弧半径大于管件半径。支承辊为圆柱形筒体，两个支承辊之间的距离相同，两个支承辊和两个下辊在同一条直线上。

待矫大型直缝焊管的几何尺寸为外径457.2mm、壁厚为12.7mm、管长为12213mm，材料为A516Gr60，材料性能参数为E＝200000MPa,D＝1833.3MPa,σ_s＝345MPa。

具体步骤如下：

(1)将管件置于辊道上，使其弯曲平面垂直于水平面，采用位于管件上方的激光位移传感器扫描管件外母线，得到的管件初始挠度分布数据，并采用八阶多项式对其进行拟合，得f(x)＝p₁x⁸+p₂x⁷+p₃x⁶+p₄x⁵+p₅x⁴+p₆x³+p₇x²+p₈x+p₉，其中p₁＝2.75×10^-30，p₂＝-1.11×10^-25，p₃＝1.835×10^-21，p₄＝-1.528×10^-17，p₅＝7.888×10^-14，p₆＝-5.805×10^-10，p₇＝2.51×10^-6，p₈＝0.01055，p₉＝-0.1719，初始挠度测量数据及拟合挠度曲线见图1。

(2)借助Matlab数学软件，将拟合所得初始挠度曲线表达式带入式

$K_0\left(x\right)=\frac{f^{\′\′}\left(x\right)}{{\[1+{\left(f^{\′}\right(x\left)\right)}^2\]}^{3/2}}$

，得到待矫管件初始曲率分布，如图2所示；将其带入式(2)和式(3)，即得管件理论矫直弯矩，如图3所示。

(3)两下辊辊距L＝4000mm，将其与理论矫直弯矩数据带入公式(4)，得到该管件矫直的F-s曲线，如图4所示，并将其输入三辊连续矫直实时控制系统。

(4)如图5、图6所示，将管件置于辊道上，仍旧保持其弯曲平面垂直于水平面。启动动力系统，两下辊4同步旋转，同时带动管件2轴向移动，上辊1按照实时控制系统设置中的F-s曲线对管件施加载荷，直至管件全部通过辊系，实现管件的一次性矫直。

(4)矫直完成后，测得其最大挠度为13mm，直线度为0.1％，满足美国APISpec5L行业标准提出的成品管最大挠度不得超过管长度0.2％的要求。

Claims (2)

1.一种大型直缝焊管三辊连续矫直装置，主要包括上辊、下辊和支承辊，其特征在于：两个下辊和一个上辊均为圆弧面，且圆弧半径大于管件半径，支承辊为圆柱形筒体，两个支承辊之间的距离相同，两个支承辊和两个下辊在同一条直线上。

2.一种大型直缝焊管三辊连续矫直装置及工艺方法，其特征在于：具体步骤，

(1)将待矫管件置于辊道上，使其弯曲平面垂直于工作台面，对弯曲平面管件外母线进行等效测量，并通过曲线拟合获得待矫管件的挠度曲线函数表达式，然后根据管件材料性能参数和公式

$\begin{array}{c}{K}_d=\frac{4{\mathrm{\σ}}_0}{3EI}{\left(R_1^2-R_2^2\right)}^{\frac{3}{2}}+\frac{{\mathrm{\π\σ}}_s}{4E^2{\mathrm{IR}}_2}\left({\mathrm{DR}}_1^4-{\mathrm{ER}}_2^4\right)\\ +\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{R_{2}EI}\[\frac{R_1^4}{2}\arcsin \left(\frac{R_2}{R_1}\right)+\frac{R_2}{2}\left(2R_2^2-R_1^2\right)\sqrt{R_1^2-R_2^2}\]\end{array}---\left(1\right)$

M(x)＝K(x)EI(3)

得到管件矫直所需的理论弯矩M(x)，其中，K_d为管件截面弹塑性变形区域分界点位于管件内径边界时的初始曲率，K₀(x)为初始曲率分布，f(x)为挠度曲线函数表达式；σ₀为截距应力，σ_s为初始屈服应力，E为弹性模量，D为塑性剪切模量；I为管截面惯性矩，R₁和R₂分别为管件的外圆和内圆的半径；K_d(x)为塑性变形是否深入到管内径的分界曲率；K(x)为加载时曲率；ε_s为弹性极限应变，

(2)根据理论矫直弯矩M(x)和两下辊间距L确定矫直载荷F(x),

$F\left(x\right)=\frac{4M\left(x\right)}{L}---\left(4\right)$

即得矫直所需的矫直载荷-位移关系曲线F-s，并输入三辊连续矫直实时控制系统；

(3)将待矫管件置于大型直缝焊管三辊连续矫直装置上，两下辊同步转动，同时带动管件轴向移动，上辊按照一定规律对管件连续施压，直至管件全部通过辊系，实现管件的一次性连续矫直。