无缝钢管壁厚不均现象的浅析

周新亮， 何新田

（1.太原重工股份有限公司技术中心， 山西 太原 030024；2.湖北新冶钢钢管事业部， 湖北 黄石435001）

生产实践·应用技术

无缝钢管壁厚不均现象的浅析

周新亮1， 何新田2

（1.太原重工股份有限公司技术中心， 山西 太原 030024；2.湖北新冶钢钢管事业部， 湖北 黄石435001）

针对穿孔后毛管壁厚不均匀的现象，分析出穿孔过程中的顶杆不稳定是造成毛管壁厚偏差的主要原因，进而对造成顶杆不稳定的因素进行分析。通过从减小顶杆压力、缩短顶杆支撑长度、增大顶杆界面、提高顶杆强度等方面入手，可提高穿孔过程的稳定性，进而提高毛管的壁厚精度。

穿孔机 壁厚不均 顶杆 稳定性 三辊抱芯装置

无缝钢管作为一种重要的基础材料，被广泛应用于石油、电力、化工、机械、建筑等行业。无缝钢管壁厚偏差作为合格钢管产品的一个重要指标，不仅影响到钢管厂的效益，更是直接影响特殊使用环境下钢管的性能。壁厚偏差分为横断面壁厚偏差和纵向长度壁厚偏差[1]。

1 生产线的改进及存在的问题

太原重工股份有限公司为国内某厂设计制造的Φ273mm斜轧管机组一直在正常生产。之后用户根据产品规格及市场需求对原有生产线进行升级改造，原斜轧机组更换为纵轧机组，原Φ273mm立式锥形辊穿孔机经过改造利旧后继续应用于新的生产线。

改造后的Φ273mm穿孔机的主要参数如下：轧辊直径为Φ1 150mm，辊身长度为950mm，最大轧制速度为1.15m/s，送进角为8°～15°（可调），辗轧角为15°（固定），轧辊距为90～300mm，导板距为 90～320mm[2]。

穿孔机组作为生产热轧无缝钢管的四大主要设备之一，其功能是把加热的实心钢坯穿制成为空心毛管，高效性一直无可替代。穿孔机组主要的设备组成：入口台、穿孔主机座、主传动装置、出口台一段、出口台二段。

穿孔机组生产出毛管的壁厚精度对成品管的壁厚精度有着至关重要的影响，但后续的斜轧或纵轧等设备对毛管进行加工时壁厚偏差改善有限。穿孔毛管的壁厚精度主要取决于穿孔主机的调整精度，后台一段、二段与主机的直线度，穿孔顶杆的刚度等。穿孔机出口台一段的主要作用就是对顶杆起夹持作用和对穿出毛管进行导向。

在新生产线生产过程中，该机组在生产大规格钢管时，成品钢管的质量及尺寸公差一直能满足产品的要求，但在生产小直径规格的成品管尤其是Φ100mm及以下的规格时，在交货验收过程中测量发现部分钢管壁厚不合格。具体表现为，成品无缝钢管经测量发现沿钢管长度方向上有纵向壁厚不均匀的现象，且肉眼观测无明显差别[3]。

对不合格成品钢管测量数值分析发现，只有在生产最小规格的毛管时，才会出现钢管纵向壁厚不均增大的规律，最终确定造成偏差的原因在穿孔过程。

2 壁厚不均的原因分析

从变形曲线来看，在生产Φ127mm×12.7mm的车轴管时，钢管壁厚上限13.17mm，下限11.47 mm，平均壁厚12.35mm，最大壁厚偏差达到了9.69%，超出了成品管交货要求。由图1看出，在全长测厚曲线上，壁厚出现周期性的上下壁厚扩张，曲线呈“波浪形”，造成产品很难修正。

图1 钢管壁厚偏差曲线

2.1 大轧辊轧制小直径钢管的影响

根据穿孔机轧制力理论[1-2]得出基本计算公式：

穿孔机穿制毛管时，对于使用相同的压下工艺参数，大轧辊和实心钢坯的接触面积更大，实际轧制力会相应增大。

轧制时，穿孔机顶头所受轴向力[1]与轧制力的关系根据经验公式：Q=（0.3～0.4）P。穿孔机顶头所受的轴向力最终通过顶杆传递给底座。由于使用大轧辊轧制小坯料产生轧制力增大会造成顶杆所承受的轴向力增大，会对穿孔时顶杆的稳定性产生不良的影响[4]。

2.2 顶杆刚性的影响

穿孔机工作时，顶杆在工作过程中承受顶头传递过来的压力和扭转力，在匀速穿孔过程中主要是压力对顶杆的稳定性造成影响。顶杆作为细长件受力，其刚性差会对整个穿孔过程毛管壁厚产生决定性影响，容易出现顶杆弯曲，造成穿孔偏心和毛管壁厚重复性不均匀。

2.3 顶杆支撑稳定性的影响

穿孔过程中，当毛管从轧辊尾端轧出到达机内三辊抱芯装置抱辊小开导向时，顶杆悬臂突然增长，顶杆产生颤动弯曲使顶头不稳定而造成钢管一边厚一边薄。由于穿孔机轧制的自动调节作用，使这一偏心逐渐调整到正常。随着钢管的前进，到下一个三辊抱芯装置小开导向时又会出现偏心，从而出现周期性的偏心。

3 对应措施

3.1 降低轧制力

根据轧制力理论，尽量选取磨削后的小直径的轧辊进行穿孔，以便适当降低穿孔机轧辊的轧制力，使顶杆受力减小，增加穿孔时稳定性。

3.2 增强顶杆刚性

1）顶杆作为细长件，长度远大于截面高度，最大弯曲正应力远大于弯曲切应力。根据弯曲正应力强度条件可知抗弯截面系数WZ越大，所能承受的压力越高，越稳定。表1列出通过增加顶杆直径和壁厚，抗弯截面系数的变化情况。

表1 顶杆抗弯截面系数表

由表1可看出只增加顶杆壁厚，WZ增加不大，需要增加空心圆环截面的面积才能保证抗弯截面系数有效的增加。

2）弯曲变形还与材料的弹性模量E有关，E越大变形越小，虽然各种钢材的弹性模量大致相同，但是根据穿孔实际情况，在高温状态下各种材料的强度还是有差异的。顶杆材质可选用一些耐热且强度高的材质。顶杆常用材料有 35CrMo、42CrMo、1Cr5Mo等，1Cr5Mo材料的耐热强度比较好。目前顶杆使用的1Cr5Mo管料采用热轧管不经过热处理直接制成顶杆的方式可保证其有足够的强度。通过资料查询及结合其他现场使用经验确定采用1Cr5Mo做顶杆足够好。对现场使用的1Cr5Mo顶杆的热轧态和调制态进行了对比检测，结果见表2。

表2 顶杆材料性能表

热轧态材料性能明显好于调制态试样，现场顶杆继续使用1Cr5Mo热轧态材料。

3.3 增加三辊抱芯装置，缩短支撑距离

穿孔过程中，顶杆作为受压细长杆件，其悬臂长度对顶杆稳定性起重要作用。穿孔机现有设备结构如下页图2所示，由于机内三辊抱芯的更换机构造成机内三辊抱芯装置和机外三辊抱芯装置之间距离过大，当毛管头部到达三辊抱芯装之前，抱辊由夹持状态变为松开导向，造成顶杆悬臂长度突然增长，使顶杆产生晃动的程度加大，对毛管稳定轧制产生影响。根据设备空间结构在机内三辊抱芯装置后面增加一架三辊抱芯装置，可缩短三辊抱芯装置对顶杆的支撑距离，提高毛管穿孔过程中的稳定性。

图2 三辊抱芯增加示意图

4 结语

通过以上措施，从减小顶杆压力、缩短顶杆支撑长度、增大顶杆界面、提高顶杆强度等方面入手提高穿孔过程的稳定性，进而提高毛管的壁厚精度，改善后的钢管壁厚精度（见图3），钢管壁厚精度提高到了约5%。

图3 改善后的钢管壁厚偏差曲线

实验数据表明增加抱芯装置，选用合适的轧制工具，提高穿孔时顶杆稳定性的改造是成功的。

[1] 李连诗.小型无缝钢管[M].北京：冶金工业出版社，1999.

[2] 王廷傅.轧钢工艺学[M].北京：机械工业出版社，1996.

[3] 李国祯.现代钢管轧制与工具设计原理[M].北京：冶金工业出版社，2006.

[4] 范钦珊.材料力学[M].北京：北京大学出版社，2009.

Analysis of the Uneven Thickness of Seam less Steel PipeW all

Zhou Xinliang1,He Xintian2
（1.Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi030024;2.Business Department of Hubei Xinyegang Steel Co.,Ltd.,Huangshi Hubei 435199）

The wall thickness of the steel pipe is uneven in the piercing process.The instability of the plug bar is the main cause of the deviation of the capillary wall thickness during the piercing.In this paper,the factors that cause the instability of the plug bar are analyzed.By reducing the pressure,shorten the support length and enhance the interface,improve the strength of the top rod,the stability of the perforation process can be improved,so as to improve the wall-thickness accuracy of capillary.The improved wall-thickness accuracy of steel pipe is increased to about5%.The thickness of the shell is improved by adjusting the roll size,thematerial and section area of the rod and the length of the supporting rod.

cone type piercer;uneven wall thickness;plug bar;stability;three-roll holding device

TG335.71

A

1672-1152（2017）05-0093-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.35

2017-09-25

周新亮（1981—），男，本科，毕业于燕山大学，工程师，现从事轧钢设备及工艺研究。何新田（1965—），男，本科，毕业于武汉科技大学，工程师，现从事轧钢生产及工艺研究。

（编辑：王瑾）