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2012年PLM征文:直缝焊管成型工艺CAD/CAE设计技术

2012/11/6    来源:e-works    作者:任强  邹天下  纪宗辰  李大永  韩建增  王啸修  李新文      
关键字:CAD/CAE  直缝焊管  辊弯成型  UOE成型  
直缝焊管是将带钢或钢板经过弯曲成型后在焊接设备上进行直缝焊接制成的钢管,广泛应用于工业输送水管、结构用管、油井套管、天然气输送管和石油线管等。辊弯成型与UOE弯曲成型是制造大中口径焊管的重要成型工艺,然而其成型过程工序多、涉及的工艺参数和模具参数多,属于多变量、强耦合的复杂大变形过程,成型规律难以把握,因此工艺设计长期依靠经验。随着有限元技术和计算机技术的日益成熟,焊管成型过程的有限元模拟已经成为指导工艺制定和模具优化设计的有效工具。本文介绍ERW焊管排辊成型技术和UOE焊管成型技术的特点,以及成型工艺设计中的CAD/CAE技术。通过成型过程的建模仿真,可以为合理制定成型工艺提供依据。

0 前言

    直缝焊管由于具有生产效率高、能源消耗低、成型质量好等优点,在液体输送、气体输送及结构用管中的应用越来越广泛。其成型工艺主要有辊式弯板法(RBE)、排辊法(CFE)、FFX柔性成型法、JCOE法和UOE法,前三种采用高频直缝焊接(ERW)技术,后两种采用直缝埋弧焊接(LSAW)技术。

    辊式弯板成型机组的构造是平、立辊+立辊组的形式,主要用于生产中、小直径焊管,所生产的钢管较短、生产率低、质量较差,由于其设备少且易制造,在多品种、小批量生产中具有较好的灵活性,仍被一些制管企业采用。排辊成型法是辊式成型法的一种改进,主要特点是在水平成型辊之间连续配置许多小辊,即所谓的排辊,使带钢边缘能够沿着一条平滑的自然变形路径进行,减小了带钢边缘褶皱,这种工艺产品成型性好,质量较高,调整小辊的空间位置可适应焊管规格的变换,但是排辊调整十分复杂。FFX成型技术是由中田制造所开发的一种柔性辊弯成型技术,水平机架和立辊机架的轧辊完全可以共用,相比排辊成型方式,FFX成型少了精成型机和定径机,降低了用户的轧辊和设备费用,节省了换辊时间,提高了生产率。JCOE法和UOE法是生产大口径、大壁厚直缝焊管的有效方法,前者主要成型过程为板边预弯成型→C成型→O成型→扩径,后者依次经过板边预弯→U成型→O成型→扩径。JCOE法在成为O形后,仍然存在着各次“折弯”处的“转折点”,并且成为O形后在对缝处开口度很大,并且没有减径的“压缩”过程,所以残余应力较大,扩径工序依然不能完全消除残存的应力。而U-O成型是连续应变,其屈服强度的增加量要多一些,工艺优于JCOE,成品管的质量更好。从全球石油天然气管道建设项目的规划来看,采用UOE工艺生产的长输管道用直缝焊管的需求量迅速增加。

    对比发达国家直缝焊管生产技术,我国直缝焊管成型工艺设计水平还有较大差距。国内先进的焊管成型机组基本以进口为主,机组引进方对成型工艺设计技术严格保密,所以国内工程技术人员仍利用“试凑”法来解决工程问题。直缝焊管成型是一个典型的非线性问题,理论解析比较困难。近些年,随着CAD/CAE技术的发展,塑性加工过程的仿真计算结果可信度越来越高。本文主要介绍运用CAD/CAE技术进行ERW排辊成型与UOE焊管成型过程模拟与工艺设计,研究成型过程中板料的成型规律及成型机理,对于提高直缝焊管成型工艺设计水平具有重要指导价值。

1 ERW焊管排辊成型技术

    ERW焊管排辊成型是将平直的带钢通过系列的孔型(开口→闭口),使带钢逐渐地、连续地变形成为圆筒形。图1所示,整个机组沿板材成型方向分为5个部分,分别是夹送道次、弯边道次、预成型段、线成型段以及精成型段,每道次都涉及大量的轧辊,在实际生产中这些轧辊的位置调节是非常复杂的,这对ERW排辊成型的CAD建模提出了很高的要求,CAE模拟也有相当的难度。

排辊成型机组示意图

    图1 排辊成型机组示意图

    上海交通大学精密成形与知识工程研究所通过数值模拟和理论研究相结合的方法,分别从板带变形规律、花型设计、成型工艺参数设计以及轧辊设计四个方面进行研究。通过分析带钢在排辊成型中的变形规律,提出了适合直缝焊管排辊成型工艺的新花型设计方法,图2所示为Ф244.5mm排辊成型机组新花型设计图。完成了ERW排辊成型全机组CAD/CAE参数化建模系统,如图2所示,该系统可以实现直缝焊管排辊成型过程的工艺参数管理、机组的轧辊设计、花型设计、成型工艺参数设计以及CAD/CAE建模仿真。图4为焊管排成型过程全流程数值模拟得到的各成型段板带的几何构型。

新花型设计示意图

    图2 新花型设计示意图

ERW排辊成型CAD/CAE参数化建模系统

    图3 ERW排辊成型CAD/CAE参数化建模系统 

 

责任编辑:程玥
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