小直徑螺旋焊管機組焊墊輥設計*

彭元超,陳 曦

(中石化石油機械股份有限公司沙市鋼管分公司,湖北 荊州434000)

摘 要:為了有效避免螺旋焊管機組中焊墊輥設計不合理造成的錯邊、燒穿、內焊裂紋等焊接缺陷,同時滿足小直徑鋼管生產工藝需求,通過對焊墊輥缸體和活塞桿的理論計算和有限元模擬,對焊墊輥缸體和活塞桿進行了重新設計。新設計的焊墊輥有效解決了焊墊輥放置空間不足的問題,很好地解決了Φ508 mm 以下小直徑螺旋焊管生產過程中出現的工藝問題和焊接質量問題,取得了預期效果,獲得了較好的焊縫質量。

關鍵詞:小直徑螺旋焊管;焊墊輥;焊縫質量

近年來,隨著螺旋焊管在各行各業的廣泛應用,對其質量的要求也隨之提高。尤其是對長輸氣管道中采用的螺旋焊管質量要求越來越嚴格,而焊墊輥在螺旋焊管機組中起著十分關鍵的作用。在生產過程中,設計不合理的焊墊輥有可能在焊接中產生錯邊、燒穿、內焊裂紋等焊接缺陷[1-2]。為了滿足小直徑螺旋焊管對工藝質量更嚴格的要求,減少因焊墊輥原因造成的停車,對原有焊墊輥結構進行優化設計十分必要[3-4]

1 小直徑螺旋焊管的工藝特性

1.1 成型工藝

以Φ406.4 mm×8.8 mm 焊管為例,采用外控式螺旋成型工藝,制定的成型工藝[5]基本參數見表1。

表1 Φ406.4 mm×8.8 mm 鋼管成型工藝基本參數

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1.2 焊接工藝

焊接方式采用外焊雙絲、內焊單絲,銑邊后帶鋼邊緣加工成I 形坡口,形狀如圖1 所示,焊縫形貌要求見表2。對管端150 mm 范圍的內焊縫進行修磨,要求余高低于0.5 mm[6]

圖1 焊接坡口形式示意圖

表2 焊縫形貌要求

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1.3 無損檢測

管端要求100%X 光拍片檢驗。

2 焊墊輥載荷計算

焊墊輥位于1#、3#輥之間,受力分析如圖2所示。

圖2 焊墊輥受力分析

由圖2 可知,可以將焊墊輥受力轉化為簡單載荷作用下的撓度計算[7],計算公式為

式中:F——焊墊輥受集中力,kN;

Ymax——鋼板的繞度,Ymax=1 mm;

E——鋼板的彈性模量,E=200 000 N/mm2

I——鋼板的截面慣性矩,mm4

L——1#輥和3#輥之間的距離,L=124 mm。

由文獻[5]可知,鋼板對于中線(垂直于板寬b 中軸線)的慣性矩為

式中:b——鋼板接觸焊墊輥寬度,b=10 mm;

h——鋼板板厚,h=8.8 mm。

由公式(1)和公式(2)可得出 F=375 kN,I=71 mm4

3 焊墊輥活塞桿及缸體設計

3.1 焊墊輥活塞桿設計

由壓強公式得到

式中:S——活塞面積,mm2

P——手動泵最高壓強,P=63 MPa;

F——焊墊輥所受集中力,F=375 kN。

油缸直徑為

計算得出D=87 mm,對油缸直徑進行圓整得到D=90 mm[8-10]

3.2 焊墊輥缸體設計

焊墊輥油缸缸體最小壁厚[11]

式中:p——焊墊輥油缸設計壓力,p=50 MPa;

[σ]——許用抗拉強度,MPa;

σb——缸體材料的抗拉強度,σb=600 MPa(按標準42CrMo 材料調質);

n——安全系數,n=3(靜載荷)[12]

由公式(5)和公式(6)計算得出最小壁厚δ=14.5 mm,對其圓整至15 mm,故焊墊輥油缸缸體壁厚為15 mm,因此得到焊墊輥油缸缸體外徑

4 焊墊輥有限元分析

4.1 焊墊輥活塞桿有限元分析

根據3.1 計算得到活塞桿直徑,活塞桿結構設計如圖3 所示。

當活塞桿受到的外在壓強為50 MPa 時,對活塞桿的應力、位移、應變進行有限元分析[13],分析結果如圖4 所示。

圖3 焊墊輥活塞桿結構設計(單位:mm)

圖4 焊墊輥活塞桿的有限元分析結果

由圖4 有限元分析結果可知,焊墊輥活塞桿在50 MPa 時受到的應力、位移、應變都在要求范圍內。

4.2 焊墊輥油缸缸體有限元分析

根據3.2 計算得到焊墊輥油缸缸體直徑,焊墊輥油缸缸體結構設計如圖5 所示。

當焊墊輥油缸缸體受到外在壓強為50 MPa時,對焊墊輥油缸缸體的應力、位移、應變進行有限元分析[14-15],分析結果如圖6 所示。

由圖6 可知,焊墊輥油缸缸體在50 MPa 時受到的應力、位移、應變都在要求范圍內。

圖5 焊墊輥油缸缸體結構設計(單位:mm)

圖6 焊墊輥油缸缸體的有限元分析結果

5 結束語

通過對焊墊輥缸體和活塞桿進行理論計算及有限元模擬相結合的方式,對焊墊輥缸體和活塞桿進行了重新設計,有效地優化了焊墊輥結構,很好地解決了Φ508 mm 以下螺旋焊管生產過程中出現的工藝、焊接質量問題,取得了預期效果。

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Design of the Bonding Pad Roll for the Small Diameter Spiral Welded Pipe Unit

PENG Yuanchao, CHEN Xi
(Shashi Steel Pipe Branch Company, Sinopec Petroleum Machinery Co., Ltd., Jingzhou 434000, Hubei, China)

Abstract: In order to effectively avoid welding defects such as the alternate edge, burning through and inside welding cracks caused by the unreasonable design of the bonding pad roll in the spiral welded pipe unit, and to meet the production requirements of the small diameter steel pipes, the cylinder block and the piston rod of the bonding pad roll were redesigned by the theoretical calculation and the finite element simulation.The newly designed bonding pad roll effectively solved the problem of the insufficient space for the bonding pad roll, and also the technical and welding quality problems during the production of the spiral steel pipe with the diameter less than Φ508 mm, and a better weld quality is achieved finally.

Key words: small diameter spiral welded pipe;bonding pad roll;weld quality

中圖分類號:TG434.4

文獻標識碼:B

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.8.009

*基金項目:中石化集團公司科研項目“新氣外輸管材制造關鍵技術研究與應用”(項目編號J316003)。

作者簡介:彭元超(1987—),男,工學學士,成型工程師,主要從事螺旋焊管成型工藝和設備研究工作。

收稿日期:2018-12-21

編輯:黃蔚莉

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