CAE管道成型技術

1、直縫焊管由于具有生產(chǎn)效率高、能源消耗低、成型質量好等優(yōu)點，在液體輸送、氣體輸送及結構用管中的應用越來越廣泛。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，后兩種采用直縫埋弧焊接（LSAW）技術。輥式彎板成型機組的構造是平、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、質量較差，由于其設備少且易制造，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，主要特點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、自然變形路徑進行，減小了帶鋼邊緣褶皺，這種工藝產(chǎn)品成型性好，質量較高，調整小輥的空間位置可適應焊管規(guī)格的變換，但是排輥調整十分復雜。FFX成型技術是由中田制造所開發(fā)的一種柔性輥彎成型技術，水平機架和立輥機架的軋輥完全可以共用，相比排輥成型方式，F(xiàn)FX成型少了精成型機和定徑機，降低了用戶的軋輥和設備費用，節(jié)省了換輥時間，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彎成型C成型O成型擴徑，后者依次經(jīng)過板邊預彎U成型O成型擴徑。JCOE法在成為O形后，仍然存在著各次“折彎”處的“轉折點”，并且成為O形后在對縫處開口度很大，并且沒有減徑的“壓縮”過

3、程，所以殘余應力較大，擴徑工序依然不能完全消除殘存的應力。而U-O成型是連續(xù)應變，其屈服強度的增加量要多一些，工藝優(yōu)于JCOE，成品管的質量更好。從全球石油天然氣管道建設項目的規(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。對比發(fā)達國家直縫焊管生產(chǎn)技術，我國直縫焊管成型工藝設計水平還有較大差距。國內先進的焊管成型機組基本以進口為主，機組引進方對成型工藝設計技術嚴格保密，所以國內工程技術人員仍利用“試湊”法來解決工程問題。直縫焊管成型是一個典型的非線性問題，理論解析比較困難。近些年，隨著CAD/CAE技術的發(fā)展，塑性加工過程的仿真計算結果可信度越來越高。本文主要介紹運用CAD/

4、CAE技術進行ERW排輥成型與UOE焊管成型過程模擬與工藝設計，研究成型過程中板料的成型規(guī)律及成型機理，對于提高直縫焊管成型工藝設計水平具有重要指導價值。1 ERW焊管排輥成型技術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，整個機組沿板材成型方向分為5個部分，分別是夾送道次、彎邊道次、預成型段、線成型段以及精成型段，每道次都涉及大量的軋輥，在實際生產(chǎn)中這些軋輥的位置調節(jié)是非常復雜的，這對ERW排輥成型的CAD建模提出了很高的要求，CAE模擬也有相當?shù)碾y度。圖1 排輥成型機組示意圖上海交通大學精密成形與知識工程研究所通過數(shù)值模擬和理論

5、研究相結合的方法，分別從板帶變形規(guī)律、花型設計、成型工藝參數(shù)設計以及軋輥設計四個方面進行研究。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計方法，圖2所示為244.5mm排輥成型機組新花型設計圖。完成了ERW排輥成型全機組CAD/CAE參數(shù)化建模系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)直縫焊管排輥成型過程的工藝參數(shù)管理、機組的軋輥設計、花型設計、成型工藝參數(shù)設計以及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型。圖2 新花型設計示意圖圖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型根據(jù)排輥機架的機構運

6、動特點和新花型設計方法，建立了一種直縫焊管排輥成型機組的工藝優(yōu)化方法，為了驗證模擬的準確性，在325*10.3焊管排輥成型機組上對關鍵道次變形管坯橫截面輪廓的幾何形狀進行了測量，實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比如圖5所示，計算結果與測量結果有較好的一致性，所提出的直縫焊管排輥成型機組工藝優(yōu)化方法有較好的應用價值。圖5 板帶橫截面形狀仿真結果與實測值對比2 UOE焊管成型技術UOE焊管是以單張鋼板做原料，成型過程主要經(jīng)歷預彎邊、U成型、O成型、焊接和擴徑等工序，如圖6所示，涉及的工藝參數(shù)和模具結構參數(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)，質量缺陷也將不同程度地被傳遞下去，對最終成型質量產(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.側輥 8.上模 9.下模 10.預焊壓輥 11.擴徑塊 預彎邊過程采用分段壓邊形式，上模固定，下模向上運動進行折彎，待下模下降、鋼板送入又一步長后，重復以上過程直至鋼板兩邊完成預彎過程，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型沖頭垂直下壓對板料中間部位進行彎曲，達到限位擋塊后，側輥內移，繼續(xù)彎曲板料的直邊部分，側輥撤回后板料回彈為近似U形，其作用是在能夠進入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形筒兩側對稱度。

8、O成型過程中，O上模下壓U形管坯到設定位置，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現(xiàn)應力分布和管體各處曲率的均勻性，并控制合適的開口質量為焊接做準備。帶有開口的管坯經(jīng)過預焊機成型輥籠，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，并進行合縫處的焊接，管體圓度得到輕微調整。擴徑過程由擴徑扇形塊的徑向位移來實現(xiàn)，擴徑塊與管坯內壁貼合后，帶動管坯逐步向外擴展，其作用是通過施加一定擴徑率以得到成品管尺寸和精度，減少焊接殘余應力，提高管體的力學性能。根據(jù)設備和工藝特點，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。模擬了各種鋼級和規(guī)格UOE焊管在預彎邊、U、O、預焊以及擴徑工序中的連續(xù)變形過程，研究了成型工藝參數(shù)對成型質量（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)和成型質量與現(xiàn)場實測結果較為一致，驗證了模型的準確性。二維模型能夠以很小的計算代價模擬輸出大部分成型技術指標，可以快速確定合適的成型工藝參數(shù)和模具配置，進行成型工藝參數(shù)的優(yōu)化設計；三維模型可以模擬輸出管坯沿縱向的變形情況，仿真得到的設備力能參數(shù)可為評估設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競爭的日益激烈，對直縫焊管產(chǎn)品品質的要求越來越高。因此，對直縫焊管成型過程有限元仿真分析的需求也日趨