优化挤压辊参数设计消除高频焊管表面缺欠

介升旗，陈浩明，杨喜峰

（宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008）

2010 年宝鸡石油钢管有限责任公司专用管分公司建成了一条Ф219 mm 高频焊管生产线，其中的8K2H 高频焊管机组是从美国ABBEY International 公司引进的。该机组的设计规格为Ф114.3～219.1 mm×4.8～13.8 mm，但实际上该机组只生产Ф193.7 mm 焊接管坯，该焊接管坯用于后续热张力减径生产不同管径管坯，再经全管体热处理+车丝工序后作为油套管成品供货。生产壁厚为7.34 mm的Ф193.7 mm 焊接管坯时，五辊式焊接机架中的上挤压辊外侧辊缘容易对焊接管坯造成线性压痕缺欠；生产壁厚∧10 mm 的焊接管坯时，还容易出现焊瘤压入上挤压辊造成管体压坑等缺欠［1-2］。分析缺欠产生原因，并对焊接上挤压辊间的辊缝参数进行调整，对轧辊孔型半径及宽度进行优化设计，以期改善焊接管坯质量。

1 焊管机组焊接挤压辊基本设计

Ф219 mm 高频焊管机组焊接挤压辊采用五辊式设计，上挤压辊孔型半径为106.80 mm，侧挤压辊和下挤压辊孔型半径均为97.09 mm；上挤压辊内侧辊缘圆弧倒角半径为1.5 mm，外侧辊缘圆弧倒角半径为3 mm，侧挤压辊和下挤压辊辊缘圆弧倒角半径为4 mm；上挤压辊间辊缝设计为8 mm，上挤压辊和侧挤压辊的辊缝为4 mm，侧挤压辊和下挤压辊的辊缝为4 mm。焊接挤压辊基本尺寸如图1 所示，上挤压辊位置如图2 所示。理想状态下，热轧钢带在经过成型和焊接挤压后会形成一个正圆。

图1 焊接挤压辊基本尺寸示意

图2 上挤压辊位置示意

从图1 可以看出，上挤压辊孔型半径为侧挤压辊孔型半径的1.10 倍，这样的设计会使得上挤压辊外侧辊面与理想的圆形管坯断面形成一定的间隙，将该间隙称为“后跟隙”。由于“后跟隙”的存在，使得焊接挤压时上挤压辊内侧辊面形成的力大于上挤压辊外侧辊面受到的力，这更有利于焊接挤压和熔融金属的排出，同时减少上挤压辊外侧辊缘对焊接管坯造成的压痕［3-5］。

2 焊接挤压辊在生产时存在的问题

在高频焊管机组的安装调试和试生产时发现，生产壁厚7.34 mm 的Ф193.7 mm 焊接管坯时，尤其是钢带对焊接头经过焊接挤压辊时，由于钢带头尾板形不稳定，容易产生错边，上挤压辊外缘造成焊接管坯表面错边较高的一侧容易产生直线形压痕，严重时甚至形成小台阶，焊瘤（熔融金属）容易偏向管坯错边较低的一侧，由于焊瘤大且不均匀，易被压入焊接上挤压辊，并经挤压辊辗压，从而造成管体压坑。分析认为，理想状态下，焊接管坯与上挤压辊外缘辊面间会形成“后跟隙”；但实际生产过程中，由于辊缘受力不平衡，上挤压辊旋转扭矩使得上挤压辊向内侧（焊缝侧）旋转，轴承安装间隙较大或轴承磨损时，使得“后跟隙”减小，甚至消除，也使得上挤压辊之间的辊缝减小，容易出现上挤压辊外辊缘对焊接管坯造成压痕，内侧辊面挤压焊瘤在焊缝两侧形成压坑［6-10］。上挤压辊受力偏转如图3 所示。

图3 上挤压辊受力偏转示意

3 焊接上挤压辊的参数调整和优化设计

3.1 辊缝参数的调整

为了减小上挤压辊造成的焊接管坯缺欠，将两个上挤压辊各向两侧调整约2 mm，增加上挤压辊间的辊缝，同时增加上挤压辊与焊接管坯间的“后跟隙”。调整后，生产7.34 mm 壁厚的Ф193.7 mm焊接管坯的线状压痕与焊瘤压坑等缺欠均大幅减少，但是依然无法根除。上挤压辊间的辊缝与“后跟隙”关系如图4 所示。

图4 上挤压辊的辊缝与“后跟隙”关系示意

3.2 孔型半径的优化设计

为了有效消除上挤压辊外侧辊缘对焊接管坯造成的压痕，将上挤压辊的孔型半径由原来为侧挤压辊孔型半径的1.10 倍修改为1.15 倍，即将上挤压辊孔型半径由106.80 mm 调整为111.65 mm，增加了焊接管坯与上挤压辊间的“后跟隙”。使用优化了孔型半径的上挤压辊生产7.34 mm 壁厚Ф193.7 mm焊接管坯时，有效地消除了上挤压辊外侧辊缘对焊接管坯造成的线状压痕。

3.3 辊面宽度的优化设计

优化设计上挤压辊孔型半径后，生产壁厚8.9 mm 以下的Ф193.7 mm 焊接管坯时基本不会再出现管坯缺欠，但是生产10 mm 壁厚Ф193.7 mm 焊接管坯时，若板形不好，就还会出现焊瘤压坑，尤其是生产壁厚为12.5 mm 的高抗挤毁套管用焊接管坯时的焊瘤压坑非常严重。为了保证厚壁焊管的正常生产，对上挤压辊进行分析，认为：①生产厚壁管时挤压量大，熔融金属排出多；②生产厚壁管时上挤压辊受力大，受到的扭矩也大，上挤压辊安装时轴与孔之间的间隙、轴承安装和磨损后的间隙等均会造成上挤压辊向焊缝位置偏转（图3），造成上挤压辊间的辊缝减小。上述原因造成焊接熔融金属容易被上挤压辊辗压，从而形成压坑［11-13］。

为了保证厚壁焊管的生产质量，每次生产厚壁焊管时都需要更换上挤压辊的轴承，更换时必须保证轴承精度，保证轴承内外圈压紧、压实，减少上挤压辊向焊缝侧偏转，同时尽可能地将两个上挤压辊向两侧调整，以增大上挤压辊间的辊缝。上述措施虽然取得了一定的效果，但是由于轧辊安装间隙很难消除，上挤压辊受力大时，上挤压辊向焊缝侧偏转仍比较明显，不能彻底解决问题［14-15］。

为了从根本上解决上述厚壁焊管生产问题，通过进一步分析认为，需要对上挤压辊进行优化设计，增加上挤压辊的辊缝，即减少上挤压辊辊面的宽度。根据前期生产经验，确定将上挤压辊辊面宽度减少1.5 mm，则上挤压辊间的辊缝增大3 mm，即上挤压辊的辊缝由原8 mm 增加至11 mm。优化设计后的上挤压辊如图5 所示。如果厚壁焊管管坯仍然存在压坑缺欠，配合上挤压辊的横向调整以增加辊缝。采用优化设计的上挤压辊生产厚壁焊管管坯，取得了较好的效果。

图5 优化设计后的上挤压辊示意

4 结语

（1）适当增大高频焊接上挤压辊孔型半径，从而增加上挤压辊与焊接管坯间的“后跟隙”，可以有效地消除上挤压辊对焊接管坯表面造成的直线形压痕缺欠。

（2）通过减小上挤压辊辊面宽度，增加上挤压辊的辊缝，可以有效地消除焊缝附近的焊瘤压坑。