CAE管道成型技術(shù)

1、直縫焊管由于具有生產(chǎn)效率高、能源消耗低、成型質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在液體輸送、氣體輸送及結(jié)構(gòu)用管中的應(yīng)用越來越廣泛。其成型工藝主要有輥式彎板法（RBE）、排輥法（CFE）、FFX柔性成型法、JCOE法和UOE法，前三種采用高頻直縫焊接（ERW）技術(shù)，后兩種采用直縫埋弧焊接（LSAW）技術(shù)。輥式彎板成型機(jī)組的構(gòu)造是平、立輥+立輥組的形式，主要用于生產(chǎn)中、小直徑焊管，所生產(chǎn)的鋼管較短、生產(chǎn)率低、質(zhì)量較差，由于其設(shè)備少且易制造，在多品種、小批量生產(chǎn)中具有較好的靈活性，仍被一些制管企業(yè)采用。排輥成型法是輥式成型法的一種改進(jìn)，主要特點(diǎn)是在水平成型輥之間連續(xù)配置許多小輥，即所謂的排輥，使帶鋼邊緣能夠沿著一條平滑的

2、自然變形路徑進(jìn)行，減小了帶鋼邊緣褶皺，這種工藝產(chǎn)品成型性好，質(zhì)量較高，調(diào)整小輥的空間位置可適應(yīng)焊管規(guī)格的變換，但是排輥調(diào)整十分復(fù)雜。FFX成型技術(shù)是由中田制造所開發(fā)的一種柔性輥彎成型技術(shù)，水平機(jī)架和立輥機(jī)架的軋輥完全可以共用，相比排輥成型方式，F(xiàn)FX成型少了精成型機(jī)和定徑機(jī)，降低了用戶的軋輥和設(shè)備費(fèi)用，節(jié)省了換輥時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。JCOE法和UOE法是生產(chǎn)大口徑、大壁厚直縫焊管的有效方法，前者主要成型過程為板邊預(yù)彎成型C成型O成型擴(kuò)徑，后者依次經(jīng)過板邊預(yù)彎U成型O成型擴(kuò)徑。JCOE法在成為O形后，仍然存在著各次“折彎”處的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，并且成為O形后在對(duì)縫處開口度很大，并且沒有減徑的“壓縮”過

3、程，所以殘余應(yīng)力較大，擴(kuò)徑工序依然不能完全消除殘存的應(yīng)力。而U-O成型是連續(xù)應(yīng)變，其屈服強(qiáng)度的增加量要多一些，工藝優(yōu)于JCOE，成品管的質(zhì)量更好。從全球石油天然氣管道建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)劃來看，采用UOE工藝生產(chǎn)的長輸管道用直縫焊管的需求量迅速增加。對(duì)比發(fā)達(dá)國家直縫焊管生產(chǎn)技術(shù)，我國直縫焊管成型工藝設(shè)計(jì)水平還有較大差距。國內(nèi)先進(jìn)的焊管成型機(jī)組基本以進(jìn)口為主，機(jī)組引進(jìn)方對(duì)成型工藝設(shè)計(jì)技術(shù)嚴(yán)格保密，所以國內(nèi)工程技術(shù)人員仍利用“試湊”法來解決工程問題。直縫焊管成型是一個(gè)典型的非線性問題，理論解析比較困難。近些年，隨著CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展，塑性加工過程的仿真計(jì)算結(jié)果可信度越來越高。本文主要介紹運(yùn)用CAD/

4、CAE技術(shù)進(jìn)行ERW排輥成型與UOE焊管成型過程模擬與工藝設(shè)計(jì)，研究成型過程中板料的成型規(guī)律及成型機(jī)理，對(duì)于提高直縫焊管成型工藝設(shè)計(jì)水平具有重要指導(dǎo)價(jià)值。1 ERW焊管排輥成型技術(shù)ERW焊管排輥成型是將平直的帶鋼通過系列的孔型（開口閉口），使帶鋼逐漸地、連續(xù)地變形成為圓筒形。圖1所示，整個(gè)機(jī)組沿板材成型方向分為5個(gè)部分，分別是夾送道次、彎邊道次、預(yù)成型段、線成型段以及精成型段，每道次都涉及大量的軋輥，在實(shí)際生產(chǎn)中這些軋輥的位置調(diào)節(jié)是非常復(fù)雜的，這對(duì)ERW排輥成型的CAD建模提出了很高的要求，CAE模擬也有相當(dāng)?shù)碾y度。圖1 排輥成型機(jī)組示意圖上海交通大學(xué)精密成形與知識(shí)工程研究所通過數(shù)值模擬和理論

5、研究相結(jié)合的方法，分別從板帶變形規(guī)律、花型設(shè)計(jì)、成型工藝參數(shù)設(shè)計(jì)以及軋輥設(shè)計(jì)四個(gè)方面進(jìn)行研究。通過分析帶鋼在排輥成型中的變形規(guī)律，提出了適合直縫焊管排輥成型工藝的新花型設(shè)計(jì)方法，圖2所示為244.5mm排輥成型機(jī)組新花型設(shè)計(jì)圖。完成了ERW排輥成型全機(jī)組CAD/CAE參數(shù)化建模系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)直縫焊管排輥成型過程的工藝參數(shù)管理、機(jī)組的軋輥設(shè)計(jì)、花型設(shè)計(jì)、成型工藝參數(shù)設(shè)計(jì)以及CAD/CAE建模仿真。圖4為焊管排成型過程全流程數(shù)值模擬得到的各成型段板帶的幾何構(gòu)型。圖2 新花型設(shè)計(jì)示意圖圖3 ERW排輥成型CAD/CAE參數(shù)化建模系統(tǒng)圖4 板帶在各成型段的幾何構(gòu)型根據(jù)排輥機(jī)架的機(jī)構(gòu)運(yùn)

6、動(dòng)特點(diǎn)和新花型設(shè)計(jì)方法，建立了一種直縫焊管排輥成型機(jī)組的工藝優(yōu)化方法，為了驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，在325*10.3焊管排輥成型機(jī)組上對(duì)關(guān)鍵道次變形管坯橫截面輪廓的幾何形狀進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖5所示，計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果有較好的一致性，所提出的直縫焊管排輥成型機(jī)組工藝優(yōu)化方法有較好的應(yīng)用價(jià)值。圖5 板帶橫截面形狀仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比2 UOE焊管成型技術(shù)UOE焊管是以單張鋼板做原料，成型過程主要經(jīng)歷預(yù)彎邊、U成型、O成型、焊接和擴(kuò)徑等工序，如圖6所示，涉及的工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，前道工序中的變形情況影響后道工序的變形形態(tài)，質(zhì)量缺陷也將不同程度地被傳遞下去，對(duì)最終成型質(zhì)量產(chǎn)生不

7、良影響，成型規(guī)律難以把握。圖6 UOE焊管成型過程示意圖1.上夾緊塊 2.下夾緊塊 3.彎邊上模 4.彎邊下模 5.U模具 6.限位擋塊7.側(cè)輥 8.上模 9.下模 10.預(yù)焊壓輥 11.擴(kuò)徑塊 預(yù)彎邊過程采用分段壓邊形式，上模固定，下模向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)行折彎，待下模下降、鋼板送入又一步長后，重復(fù)以上過程直至鋼板兩邊完成預(yù)彎過程，其作用是獲得接近成品管曲率的板邊彎曲形狀。U成型過程中U型沖頭垂直下壓對(duì)板料中間部位進(jìn)行彎曲，達(dá)到限位擋塊后，側(cè)輥內(nèi)移，繼續(xù)彎曲板料的直邊部分，側(cè)輥撤回后板料回彈為近似U形，其作用是在能夠進(jìn)入O成型模具的前提下，獲得接近成品管曲率的U筒底部彎曲形狀和較高的U形筒兩側(cè)對(duì)稱度。

8、O成型過程中，O上模下壓U形管坯到設(shè)定位置，保壓后O上模撤回，與管坯脫離接觸，管坯回彈產(chǎn)生開口縫，其作用是通過施加一定壓縮率以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力分布和管體各處曲率的均勻性，并控制合適的開口質(zhì)量為焊接做準(zhǔn)備。帶有開口的管坯經(jīng)過預(yù)焊機(jī)成型輥籠，由按一定角度分布在管體周圍的九排壓輥逐漸擠壓成閉合管體，并進(jìn)行合縫處的焊接，管體圓度得到輕微調(diào)整。擴(kuò)徑過程由擴(kuò)徑扇形塊的徑向位移來實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)徑塊與管坯內(nèi)壁貼合后，帶動(dòng)管坯逐步向外擴(kuò)展，其作用是通過施加一定擴(kuò)徑率以得到成品管尺寸和精度，減少焊接殘余應(yīng)力，提高管體的力學(xué)性能。根據(jù)設(shè)備和工藝特點(diǎn)，建立了UOE焊管成型全流程仿真模型，三維仿真模型如圖7所示。模擬了各種鋼級(jí)和規(guī)格UOE焊管在預(yù)彎邊、U、O、預(yù)焊以及擴(kuò)徑工序中的連續(xù)變形過程，研究了成型工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量（開口度、橢圓度、梨形凸度、平均外徑等）的影響規(guī)律。模擬得到的管坯各工序變形狀態(tài)和成型質(zhì)量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。二維模型能夠以很小的計(jì)算代價(jià)模擬輸出大部分成型技術(shù)指標(biāo)，可以快速確定合適的成型工藝參數(shù)和模具配置，進(jìn)行成型工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；三維模型可以模擬輸出管坯沿縱向的變形情況，仿真得到的設(shè)備力能參數(shù)可為評(píng)估設(shè)備加工能力提供依據(jù)。圖7 UOE焊管成型三維仿真模型隨著市場(chǎng)競爭的日益激烈，對(duì)直縫焊管產(chǎn)品品質(zhì)的要求越來越高。因此，對(duì)直縫焊管成型過程有限元仿真分析的需求也日趨