范利鋒，高 穎，，李 強，，宋聰惠，楊文濤

(1．燕山大學機械學院，河北 秦皇島 066004;2．河北科技大學材料科學與工程學院，河北 石家莊 050054)

FAN Li-feng1，GAO Ying1，2，LI Qiang1，2，SONG Cong-hui1，YANG Wen-tao2

(1．College of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China;2．College of Material Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050054，China)

1 前言

管道輸送作為一種經濟、安全、不間斷的長距離輸送方法已經得到了廣泛采用，特別是隨著西部油田和海洋油氣田的開發(fā)，以及石油、天然氣跨國經營模式的運行，我國進入了油氣管道建設的高峰期［1］。這對大口徑直縫焊管制造技術提出了更高的要求，最后一道成型工序——擴徑技術是保證焊管質量的重要手段，在淘汰古老的水壓擴徑同時，應用機械擴徑技術是制管技術的一大創(chuàng)新。

相對于傳統(tǒng)的水壓擴徑而言機械擴徑有著以下優(yōu)點［2-7］:

(1)機械擴徑以內徑定尺寸，產品內徑尺寸準確，不受管坯壁厚和材料性能影響;

(2)因分瓣凸模徑向位移和錐體軸向位移比值較小，可通過控制軸向行程準確補償回彈量和模具磨損量;

(3)通過調整擴徑行程、重疊率和擴徑步長可以方便的利用同一組模具生產一定范圍內不同規(guī)格的鋼管。

機械擴徑技術是大口徑直縫焊管制造核心技術，其發(fā)展直接決定我國的制管技術水平。

2 機械擴徑工藝過程

機械擴徑是一段一段地進行的。機械擴徑機主要由送管小車和擴徑頭組成。擴徑頭由若干個扇形塊(擴脹塊)組成，套在錐形芯軸上，而芯軸通過拉桿固定在液壓缸的活塞桿上。當液壓缸活塞和拉桿、芯軸向右移或向左移時，在錐形芯軸表面的扇形塊向外擴展或縮小。擴徑頭伸入管坯內，使管坯向外擴張，從而使與扇形塊接觸的一段焊管得到擴徑，達到擴徑的目的［3，4］，機械擴徑原理如圖1所示。

圖1 機械擴徑原理Fig.1 Principle of mechanical expanding

擴徑作為大口徑直縫焊管最后一道成形工序，其主要目的有以下四點［6］:

(1)對鋼管進行整型。直縫埋弧焊管的成型方式主要有UOE成型法、CFE排輥成型法、RBE輥彎成型法、CE折彎成型法和JCOE成型等，而采用這幾種成型方法所生產的鋼管，都不同程度地存在著幾何尺寸精度不高的問題，尤其是CE成型和JCOE成型。由于采用步進式沖壓成型，因而在鋼管的圓周方向有許多折彎痕跡，這直接影響到鋼管的橢圓度;另外，由于直縫埋弧焊管是在管體的一面進行焊接，因而鋼管在熱應力的作用下要發(fā)生彎曲變形，使鋼管的直度受到影響。通過機械擴徑，可以使鋼管的橢圓度＜0.8%D，直線度在鋼管全長范圍內最大為0.1%，鋼管內徑在內圓周測量時的最大偏差為士3 mm，從而達到管道建設標準的要求。

(2)消除由于成型而造成的鮑辛格效應，避免為達到鋼管強度要求而提高管材等級所造成的浪費。

(3)消除焊接時造成的焊縫熱影響區(qū)的殘余應力，避免因所輸送介質——石油或天然氣中的H2S在鋼管應力集中的區(qū)域產生氫脆甚至裂紋的情況，提高鋼管的韌性指標。

(4)擴徑是對焊接質量及焊接性能的一種很好的檢驗。

機械擴徑成形過程根據管坯在擴徑過程中形狀變化，可以分為整圓、擴脹成形和卸載回彈三個主要階段［7-9］。

(1)整圓階段。管坯在擴徑之前其截面形狀大多為橢圓，在這一階段擴徑就是將管坯由近似橢圓變成圓。管壁在擴徑頭作用下發(fā)生彎曲變形，長軸縮短，短軸伸長，隨著擴徑頭的不斷徑向擴脹，長軸不斷縮短，短軸不斷伸長，最終擴徑頭與管坯內壁完全貼合。這個階段焊管的變形主要為彈性變形，只有形狀變化。

(2)擴脹成形階段。管坯在擴徑頭作用下，直徑不斷擴大，壁厚不斷減薄。開始時，管坯處于彈性變形階段，當管體的應力達到屈服強度時，管坯便進入塑性變形階段。

(3)卸載回彈階段。擴徑頭回撤，管坯變形有一定彈性回復［10］。同時，由于機械擴徑是利用多個扇形塊組成的凸模徑向擴張使管坯擴脹成形，管坯與扇形塊接觸部分存在較大的摩擦力使管坯變形受阻，而在扇形塊之間的間隙部分變形大，所以管坯的切向應力、應變分布不均勻，當擴徑量較大時，與扇形塊邊緣接觸部分易形成棱角。

機械擴徑成形過程是一個與管坯規(guī)格、管坯形狀、材料性能、摩擦條件、變形程度、模具直徑及其邊緣圓角半徑等諸多因素相關的塑性變形過程，其最終制品的尺寸和形狀精度取決于這些參數(shù)的綜合影響［11］。

3 機械擴徑工藝研究現(xiàn)狀

早期，國內學者多用物理試驗方法對冷擴徑技術進行研究。采用扇形塊數(shù)量很少的擴徑頭(只有4塊)，針對小直徑無縫鋼管進行機械擴徑工藝過程的物理試驗［12］，給出了擴徑力與擴徑率、管壁厚的定性關系。在未考慮模具形狀影響的情況下，基于殼體彎曲和彈塑性理論將擴徑過程簡化為承受內壓的圓環(huán)彈塑性過程，采用C語言編寫有限元程序，使用三角形三節(jié)點單元對變形體進行離散化，給出了擴徑過程中鋼管的變形和應力分析。計算結果與物理實驗吻合程度較好，誤差在11%以內。

付正榮［13］通過使用扇形塊為12塊，錐角為10°的擴徑頭對高頻埋弧焊螺旋焊管進行冷擴徑的原理及工藝試驗研究，首次提出了擴徑工藝能夠改善管坯殘余應力分布和提高屈服強度這一結論;給出了殘余應力和擴徑率、屈服極限和擴徑率的試驗曲線;并對擴徑過程中扇形塊、錐體和管坯的受力分析，得出了擴徑力的計算公式，與實驗值相比誤差為2%。

式中，H為擴徑長度;μ1為相對于錐體滑動的摩擦系數(shù);μ2為相對于端部導向體滑動的摩擦系數(shù);α為擴徑頭錐體半角;p為圓筒內外表面完全進入塑性狀態(tài)的徑向內壓力。

式中，σT=1.1σS;R為鋼管外徑;r為鋼管內徑。

雖然上述公式已經滿足工程應用需求［14-16］，但管坯分段擴徑必然存在剛端作用。與無剛端環(huán)形件機械擴徑工藝比較，擴徑時剛端作用使剛端附近區(qū)域的管坯發(fā)生彎曲，從而在擴徑長度方向出現(xiàn)管坯和模具的非均勻接觸，并且使剛端附近的接觸應力急劇增加，表現(xiàn)出擴徑力在不同程度上的增加。剛端系數(shù)就是反映擴徑力因剛端作用而增加的一個參數(shù)，是管坯相對壁厚的函數(shù)。由于該計算公式沒有考慮材料硬化和剛端的影響，對于高屈強比的管線鋼計算誤差將會增大，嚴重影響大直徑、厚壁鋼管擴徑力計算的準確性。對此，燕山大學的郭寶鋒教授［7］修正了擴徑力的計算公式。

式中，u為模具與錐體間的摩擦系數(shù);ra為管坯內半徑;rb為管坯外半徑;為等效應力;n為模具瓣數(shù);k為剛端系數(shù)，k=1+0.6·為管坯平均直徑;t為管坯壁厚。0

同時，燕山大學郭寶鋒教授基于彈塑性理論系統(tǒng)地分析了機械擴徑技術的變形特征，給出了機械擴徑的成形條件:推導了近似計算擴徑行程的理論公式。使用非線性有限元軟件Marc得出機械擴徑模具參數(shù)和工藝參數(shù)與產品質量的關系［17、18］，采用機械擴徑工藝對大口徑直縫焊管分段擴徑、螺旋焊管管端擴徑結果對其理論公式和有限元分析結果進行了實驗驗證，結果表明理論公式和有限元分析結果基本滿足工程要求。

針對擴徑技術對消除焊管成型的殘余應力和焊接殘余應力的作用和效果。天津大學分別用切塊法［19］和環(huán)劈法［20］測試了 JCOE 成形的 X70 直縫埋弧焊管擴徑前后的殘余應力值［21-22］。研究結果表明，擴徑對直縫埋弧焊管成型殘余應力和焊接殘余應力均有明顯的松弛消峰作用，擴徑率是決定直縫焊管成品殘余應力水平的重要工藝參數(shù)。

前期的擴徑變形過程的理論分析都沒有考慮到摩擦的影響，直到2008年，文獻［23］采用圓柱坐標系得出了與摩擦系數(shù)有關的應力數(shù)學表達式和相對半徑與摩擦系數(shù)的關系式。同時，分析了摩擦對彎曲中性層、產品壁厚均勻程度和端部拉裂的影響。最后得出最佳摩擦范圍為0.15～0.3。

本世紀初，機械擴徑工藝參數(shù)對制品質量影響的研究已逐步成熟，但擴徑過程與工藝參數(shù)相互影響，耦合作用制品質量，很難獲得最優(yōu)工藝參數(shù)。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬計算和神經網絡等方法的廣泛應用，以提高制品質量為目標，采用先進的計算方法和物理實驗相結合，優(yōu)化擴徑工藝參數(shù)成為一個發(fā)展潮流。

文獻［24］以有限元方法為基礎，結合神經網絡遺傳算法，僅以制品圓度誤差最小為目標函數(shù)、設計變量為模具半徑、模具邊緣圓角半徑和擴徑率條件下，通過對圓度誤差為2%的三種管線鋼管坯φ801 mm×14 mm、φ1001 mm×16 mm和φ1401.5 mm×25.4 mm機械擴徑過程的工藝參數(shù)優(yōu)化，得到了相對凸模半徑、模具邊緣圓角半徑和擴徑率分別為 1.09、8 mm、1.44%;1.08、8 mm、1.33%和1.06、14.77 mm、1.0%的最優(yōu)解。該工藝參數(shù)優(yōu)化方法為合理制定機械擴徑工藝參數(shù)提供了理論依據，具有重要的實用價值。文獻［25］全面考慮管坯成型質量，采用Python語言改進了遺傳算法程序，對φ1401.5 mm×22 mm，φ1207.8 mm×19 mm，φ630 mm×9 mm等規(guī)格鋼管，實現(xiàn)了在多目標條件下對機械擴徑成形工藝參數(shù)的優(yōu)化。從研究結果來看，尋求機械擴徑成形參數(shù)最優(yōu)組合問題作為多目標優(yōu)化問題來處理，更加符合生產實際。這就可以在同時滿足制品橫斷面尺寸和形狀精度的條件下，從理論上給出管坯的尺寸規(guī)格和形狀誤差，得到與之對應的模具尺寸和變形程度，從而改變了機械擴徑工藝設計依賴于經驗的局面。為了獲得更為普遍規(guī)格管坯優(yōu)化工藝，文獻［26］采用正交表優(yōu)化方法，以產品的尺寸精度和形狀精度為指標，對多種規(guī)格機械擴徑制品的主要工藝參數(shù)的組合進行優(yōu)化［27-28］。通過比較分析各組實驗中工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，給出了適用于所有規(guī)格管坯的擴徑工藝參數(shù)的推薦取值范圍。擴徑率取0.75%～1.25%對于制品質量較為有益;模具相對凸模半徑以1.05～1.1為好;邊緣圓角半徑推薦取0.5～0.75t0。通過對結果的分析討論，揭示了各個因素對最終制品品質的影響程度，并給出了最優(yōu)組合結果。采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合，更有利于提高制品的尺寸和形狀精度。

在大直徑直縫埋弧焊管的機械擴徑工藝技術取得巨大進步的基礎上，國內學者著手開發(fā)機械擴徑裝備技術。2007年，我國自主研發(fā)的首臺機械擴徑機開車成功，填補了國內空白。文獻［29］針對大口徑直縫埋弧焊管立式管端機械擴徑機采用數(shù)學解析和數(shù)值模擬的方法系統(tǒng)的研究了擴徑的力學過程，并對擴徑機進行了優(yōu)化設計。

4 機械擴徑工藝發(fā)展前景

多年來我國對大口徑直縫焊管機械擴徑工藝的研究有很大提高，取得了顯著的成就。但由于不同鋼級、不同板厚管線鋼材料性能不穩(wěn)定，管坯規(guī)格多樣和截面形狀復雜，每次擴徑的工藝參數(shù)都需要重新調整，這主要依賴于操作者的經驗，不僅耗時、費力、而且不能保證所選用的擴徑工藝參數(shù)是最優(yōu)的。易出現(xiàn)擴徑裂紋，擴后形狀不達標等缺陷。隨著管道建設以及高鋼級管線鋼的開發(fā)應用，對擴徑生產過程中復雜變形的深入認識，無論對影響管坯形狀的內因(材料性能的穩(wěn)定性)，還是外因(擴徑工藝條件)，均無法建立其與管坯之間精確的數(shù)學模型，可見依靠數(shù)值模擬和實驗研究相結合的方法不斷向廣度和深度發(fā)展，有必要在以下幾方面加強擴徑工藝的研究工作［30-36］。

(1)建立擴徑工藝參數(shù)數(shù)據庫。收集管線鋼材料性能數(shù)據，運用統(tǒng)計學的方法分析其波動性及對管坯形狀和工藝參數(shù)的影響。建立對應不同規(guī)格管坯擴徑工藝參數(shù)數(shù)據庫。

(2)建立管坯質量控制系統(tǒng)。根據擴徑之前的成型的相關數(shù)據，建立基于神經網絡的預測系統(tǒng)，能夠獲得管坯材料性能，給出不同材料性能的擴徑前管坯質量指標的閾值。

(3)建立在線工藝優(yōu)化系統(tǒng)。在線測量擴徑前后管坯形狀，并基于神經網絡等優(yōu)化工具和現(xiàn)代控制理論針對不同擴徑前管坯形狀，動態(tài)優(yōu)化擴徑工藝參數(shù)和分析機械擴徑力學過程，實現(xiàn)智能控制工藝參數(shù)。

隨著機械擴徑工藝的迅速發(fā)展和越來越高級別的管線鋼的廣泛應用，現(xiàn)有的研究成果已不能滿足生產的需要。開發(fā)包含在線測量，動態(tài)優(yōu)化和智能控制等功能的擴徑工藝優(yōu)化系統(tǒng)已迫在眉睫。可見采用先進的測量工具、有效的數(shù)值方法和智能控制方法相結合的手段，將成為改善大口徑直縫焊管擴徑質量的發(fā)展趨勢。

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