一种大型直缝焊管三辊连续矫直装置及工艺方法

摘要

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。

权利要求

1.一种大型直缝焊管三辊连续矫直工艺方法，利用大型直缝焊管三辊连续矫直装置进行矫直，所述装置主要包括上辊、下辊和支承辊，且两个下辊和一个上辊均为圆弧面，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，其工艺方法的特征在于：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M(x)＝K(x)EI  (3)

得到管件矫直所需的理论弯矩M(x)，其中，Kd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， σs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；Kd(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；εs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),即得矫直所需的矫直载荷-位移关系曲线F-x，并输入三辊连续矫直实时控制系统，x为位移；

(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，上辊按上述公式(1)-(4)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。

说明书

一种大型直缝焊管三辊连续矫直装置及工艺方法

[0001] 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。

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明方案的具体步骤如下：

[0005] 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

[0006]

[0007]

[0008] M(x)＝K(x)EI  (3)

[0009] 得到管件矫直所需的理论弯矩M(x)。其中，Kd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， σs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；Kd(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；εs为弹性极限应变。

[0010] 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),

[0011]

[0012] 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；

[0013] 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。

[0014] 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。

[0015] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 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

[0019] 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；

[0020] 图2为本发明实施例待矫管件的初始曲率分布图；

[0021] 图3为本发明实施例待矫管件的矫直弯矩图；

[0022] 图4本发明实施例待矫管件的F-s关系曲线；

[0023] 图5为本发明实施例的辊体结构图；

[0024] 图6为本发明实施例连续矫直结构示意图。

[0025] 图5、图6中：1.上辊、2.支承辊、3.下辊。

具体实施方式

[0026] 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。

[0027] 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,σs＝345MPa。

[0028] 具体步骤如下：

[0029] (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×-25 -21 -17 -14 -1010 ，p3＝1.835×10 ，p4＝-1.528×10 ，p5＝7.888×10 ，p6＝-5.805×10 ，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。

[0030] (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

[0031]

[0032] ，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。

[0033] (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。

[0034] (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。

[0035] (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API Spec 5L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。