不锈钢焊管的矫直和平头工艺技术与设备方法

 热处理后的不锈钢焊管，无论是平直度，还是横截面的圆度都会变得十分差，矫直和整圆就成为不锈钢焊管生产的一道必不可少的序。

 1. 焊管弯曲度的测量

  国家标准对成品不锈钢焊管平直度和圆度的质量及交货技术条件，都有明确的规定。但在国际间，由于国家之间的差异，焊管的类型和用途的不同，对成品管平直度和圆度的质量及交货的技术条件的要求也不尽相同。

  在一般情况下，是按弯曲度的级别来控制不锈钢焊管矫直的质量。而常用的钢管弯曲度（平直度）的测量方法，有下面两种测量方法。

   a. 钢管相对弯曲度测量

  将不锈钢焊管置于宽一米的测量平台上，测量焊管最高处到平台的垂直距离（即弦高），如图8-1所示，该距离就是此焊管的相对弯曲度。因为这种测量方法简单便捷，可以用于任何形式钢管外形轮廓的测量，所以被广泛采用。

   b. 钢管绝对弯曲度的测量

  即将不锈钢焊管置于宽一米的测量平台上，转动钢管，用尺子测量焊管最高处到焊最低处的垂直距离，如图8-2所示，该距离就是此焊管的绝对弯曲度。

 2. 矫直的原理

   a. 三点矫直

  最早的矫直方法，可以在最原始的锻工作坊里看到。使用一条类似长凳或一套典型的铁砧，用人工的力量矫直原材料，用肉眼视觉观察，检查其弯曲度。我们从铁匠那里，可以学到难得的经验，即“矫枉过正”，可以使工件在“过正”矫直后，经回弹之后达到一个可以接受的弯曲度。

  矫直类似于间支横梁，两端被支撑后，在压力作用下，向下作“过正”弯曲，达到矫直的目的。当弯曲钢管的两端被支撑，弯曲向上，在弯曲处施加压力向下弯曲时，如图8-3所示，在管壁的中性层会引起大小相等方向相反的作用力。在中性层周围，经过了从屈服极限到塑性区的变化，引起管材永久性变形。当弯曲压力除去时，弯曲产生的残余应力，仍然使管材保持平衡，管材的内部平衡因此而实现，并得到矫直。

  b. 旋转矫直

   钢管的整圆和矫直同时进行时，就要采用旋转矫直的方式。因为旋转矫直时，采用了几对与钢管成一定角度的辊子，双曲线辊面与钢管的径向形成圆的轮廓。钢管的转动，是由钢管和辊子成一定的角度所致，整圆和矫直是通过辊面和钢管表面之间的接触来实现的，如图8-4所示。但每一对辊子与钢管弯曲无任何关系，它起不到矫直钢管的作用，只是起把钢管整圆的作用，它只有和相邻的辊子一起，才能起到矫直钢管的作用。所以，这些都是非常重要的。另外，还因为每旋转一圈，塑性变形在纵向方向上向前偏移一圈，这个过程还要消耗更多的能量，并与相邻的辊子一起使钢管得到矫直和达到整圆的目的。

  钢管在矫直过程中的其他受力形式有：拉伸、压缩和扩胀。当超过它自己的屈服极限时，产生永久性变形，这些永久性变形包括拉伸变形、压缩变形和扩胀变形。

  钢管在旋转矫直过程中，会有两种变形，一个是一对交叉辊子为消除圆周的椭圆度进行的椭圆变形；二是沿其长度上，相邻辊子之间为消除钢管弯曲进行的弯曲变形。

  ①. 拉伸理论:  旋转矫直时，必须有足够的张力使被矫直的钢管产生轻微的拉伸塑性变形，以达到矫直的目的；但张力太大，会产生加工硬化，使钢管变硬（钢管表面发热）。

  ②. 线接触理论:  理想的矫直状态，应该是调整所有的辊子，使钢管产生的弯曲最小，受到的压力也最小，辊子和钢管的接触是线接触，而线接触应尽可能地长。

  ③. 送料:   送料辊的速度必须与矫直辊的速度相一致，以防钢管端部损坏。

  ④. 出料口:   进料口和接料槽必须带有一定角度，以防碰坏钢管表面。

  为了防止矫直机震动和产生噪音，矫直机的辊子应将钢管抱紧。矫直后的钢管管径会变粗些，相应长度会缩短约3%.所以焊管在连续成型焊接机组上锯切时，长度应控制为：成品管长度＋平头余量＋矫直缩短量。即为1.03倍的成品管长度＋40mm(平头余量）。

 3. 矫直方式

  a. 三点弯曲矫直

  最早被用于矫直的原理是三点矫直原理，现如今仍然被广泛地使用。三点矫直可以说是一种万能的矫直方法，可以用来矫直不规则、非标准部件，其工具简单易做，费用也比较便宜。然而，其操作技术要求很高，生产能力非常低。如图8-5所示，在图中显示出三点弯曲的弯矩图。

  三点弯曲矫直一般用于大直径、厚壁管的矫直。大直径、厚壁管的矫直，通常是在液压机上进行。矫直用液压机的压力一般在500吨左右，前后设有用于输送钢管的辊道和储料架。

  b.“逐步”式矫直机

  为解决三点弯曲矫直生产力低的问题，充分应用现代的机械化技术，制造出生产高效率的“三点弯曲”矫直机，即连续式“三点弯曲”矫直机。所谓连续式“三点弯曲”矫直机就是将几个三点弯曲连接起来，而且三点弯曲度由大逐步减小，所以又称逐步矫直。如图8-6a所示，弯曲度的逐渐减小，当钢管离开矫直机时就变得圆而平直。“三点弯曲”矫直机大多数为连续矫直，然而，把弯曲的管材矫直，必须预先设定弯曲力矩。在设定弯曲力矩时，并不考虑钢管有多么弯曲，即不考虑钢管的弯曲程度。这种辊式矫直机，当钢管的头部通过矫直机后，就逐步减小弯曲力矩，如图8-6b所示。这样钢管一进入矫直机，就开始按设定的弯曲程度，由大逐步减小直到稳定，并达到整圆和平直的目的。

  通常，该矫直机的两个凹面矫直辊与被矫直钢管成90°角，使钢管在水平和垂直方向上都起矫直作用。很明显，这样的矫直系统也非常适合于非圆形截面形材的矫直，如六方和矩形断面等。另外也可用于细直径盘管的矫直。

  这种“逐步”矫直机是从不锈钢焊管连续成型焊接机组中后部定径矫直的“土耳其头”演变发展形成的，并成为第一代钢管连续矫直机，但它确实有不足之处，即被矫直的钢管不能旋转，而且一种矫直辊只能矫直一种规格的钢管。

 c. 旋转矫直

  旋转矫直有钢管旋转和矫直机旋转两种形式。矫直机旋转矫直见图8-7,钢管旋转矫直见图8-8、图8-9和图8-10。

   旋转矫直是基于直辊矫直和交叉辊矫直两者之间，随后有的矫直机都采用了钢管和辊子成一定角度的方式，并且使用了双曲线辊，使交叉的双曲线辊面在钢管的径向形成圆的轮廓。钢管所以能够转动，是由于钢管和辊子成一定的角度所致，矫直和整圆是通过辊面和钢管表面之间的接触来实现的。钢管和辊子成一定角度，可以使钢管和辊子的线接触增长，因此，所产生的弯曲力沿着辊子长度被分散，大大地减少了表面变形的可能，由于辊子表面速度的不同，钢管表面会有轻微的摩擦。

   最普通的钢管矫直机是钢管从交叉的矫直辊之间通过，交叉的矫直辊使钢管转动，并挤压钢管，同时完成钢管的矫直和整圆。

  经过多年的研究开发，出现了各种各样的矫直机。从最初的利用纯弯曲和旋转矫直，发展到以后的高精度压力矫直。如：图8-8、图8-9和图8-10,分别为五辊，七辊和九辊矫直机的示意图和弯矩图。

  矫直辊辊距、矫直辊长和矫直辊腰部直径，是斜辊式矫直机的基本参数。它们既影响着钢管的矫直质量，也决定着矫直机的尺寸。所谓辊距是指两个相邻辊座中心线之间的距离。

  辊距取决于被矫直管材的直径，管材直径越小，为实现塑性变形的管材，在辊座之间的弯曲半径也应越小。因此，小直径管材的矫直，应尽量选择较小辊距。同时，辊距又取决于矫直辊的结构尺寸--矫直辊的腰径和辊子的长度。而矫直辊的腰径，是根据矫直辊本身强度来确定的；矫直辊的长度，则取决于管材和矫直辊之间接触线，要求其达到足够的长度。另外，辊长也取决于辊子的腰径，腰径大，辊长长，反之则短。

  在一般情况下，矫直机的大直径辊是驱动辊，小辊是被动辊。自从这类矫直机使用以来，转动角度近似于35°,并且由于矫直面短，使钢管表面有划痕的可能性相当大。五辊矫直机是最简单的辊式矫直机，由于没有压力矫直及没有末端矫直作用，通常用它来矫直钢管，平直度难以达到：1:1000以上。

  七辊矫直机具有可以调节矫直压力的功能，所以，其矫直效果会好一些。一个有大转动角度（55°)的九辊矫直机，设计的使用速度高达300m/min.在一台纯弯曲矫直机上，在完成4个截然不同弯曲时，产生的塑性弯曲段相当短。在这种情况下，由于大转动角度，缩短了有效转动侧面长度，从而使钢管可以高速运转。这样的矫直机主要的优势是转动中心距离相对短了许多，因此只要求较小的滚动偏转就会引起塑性弯曲。这为那些大张力或壁厚相对厚的钢管，在矫直时，使它们较好地吸收弯曲负载是有好处的。

  新开发的六辊矫直机，它采用了3对相反交叉的主动辊子，转动角度为30°,图8-11是六辊矫直机的示意图和弯矩图，图8-12是六辊矫直机实物照片。焊管行业非常欢迎这种机器，对薄壁管或高强度厚壁管，在各种情况下，六辊矫直机都会有较好的矫直效果。尽管六辊矫直机仅仅产生单一弯曲，但转动侧面的有效长度使得塑性区域的长度也变长了，在压扁和弯曲的联合作用下，使钢管的平直度达到1:3000的效果，包括钢管的末端。值得注意的还有，六辊矫直机对钢管的圆度和表面光洁度也有明显改进。

  十辊矫直机是在六辊矫直机的基础上发展起来的，它具有多种形式的弯曲力矩，这些弯曲力矩是六辊、七辊矫直机的弯曲力矩的组合。所以，十辊矫直机通过调整辊组的高度和辊组辊子之间的间距，就可以得到不同的弯曲力矩，以适应不同规格的钢管矫直，达到扩大矫直范围、提高矫直质量的目的，如图8-13、图8-15、图8-16、图8-17所示。

   图8-14是十辊矫直机的实物照片。

   图8-13是通过对十辊矫直机的调整，使之具有三个弯曲力矩，由于弯曲次数多，矫直质量会更好。

   图8-15是通过对十辊矫直机的调整，使之具有两个弯曲力矩，由于弯曲间隔增长，适宜于薄壁管的矫直。

   图8-16是通过对十辊矫直机的调整，加大了第二、第四辊组的辊子之间的间距，使第二、第四辊组在超范围大直径钢管矫直时，只起导向作用。

   图8-17是通过对十辊矫直机的调整，使第二、第三和第四辊组偏移，可使其矫直范围扩大许多。

 d. 矫直辊的角度调整

 矫直辊的角度调整，如图8-18所示，α为调整的角度。

4. 大直径、厚壁管的矫直

  a. 三点弯曲矫直

  这是一种最原始的矫直方式，但对于大直径、厚壁管的矫直是非常实用的，现在还广泛地应用（图8-19).采用该方式进行矫直，操作起来劳动强度大，有一定难度，需要丰富的实际经验和熟练的操作技术。正确地选择支点和作用力点，合理地施加压力是三点弯曲矫直的关键。

  b. 圆周径向定径、矫直

  大直径、厚壁管通常采用模具强迫压制的方式进行定径、矫直，见图8-20所示。定径、矫直的过程是在压力的作用下，分段强制使钢管在径向的圆度上和轴向的平直度上与模具相似，从而达到整圆、矫直的目的。大直径、厚壁管的定径、矫直是在逐段并不断的旋转中进行和完成的。

  这种矫直方式确定了，一种规格的钢管就需要一种模具，从而限制了其使用范围。在模具强迫压制定径、矫直的基础上，如果将上、下两个模具分成多块环抱在钢管周围，就克服了上、下两个模具的单一性的不足，使定径、矫直的范围扩大了许多，见图8-21.这就出现了图8-22所示的大直径、厚壁管液压定径、矫直机。

  图8-22所示是一种非常先进的大直径、厚壁管液压定径、矫直机。该设备可将定径、矫直一并进行，而且定径、矫直精度高，能力强，适应规格范围大，操作方便可靠，劳动强度小，但设备昂贵，是大直径、厚壁不锈钢焊管生产的专用设备。

5. 焊管的矫直、平头、去毛刺

   a. 矫直→平头

  热处理后的不锈钢焊管当批量较大时，一般是采用矫直、平头连续进行的方式，这种方式生产效率高，便于实施管理，如图8-23所示。其程序为：矫直→首端平头→首端去毛刺→末端平头→末端去毛刺。

   b. 平头→去毛刺

  当不锈钢焊管已经矫直，焊管可按单独进行平头、去毛刺方式进行，如图8-24所示。其程序为：已矫直的管子→平头（两端可同时进行）→去毛刺（两端可同时进行）。

   c. 钢管端部去毛刺

  矫直、平头后的不锈钢焊管单独去毛刺，如图8-25所示。