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张力减径工艺是在前后布，的一系列轧辊机架中对荒管进行连续轧制的过程．也是钢管生产中的 一道热变形工序。在这一过程中．采用适当的孔型系列．使荒管外径得以连续减缩，同时凭借机架系列中轧辊转速比例的调节．可以取得预定的璧厚变化。张力减径工艺具有轧制速度高、产品规格范1 大等优点，目的已得到广泛应用。在张力减径过程中．钢管周向变形不均匀．导致钢管内表面由圆形变为多边形，在轧制中厚壁钢管时．该现象尤为严， " ．。为了改善和钢管的内多边形缺陷．需要实时测张力减径过程中钢管各个部位的应力、应变及沮度等场盆，但在生产现场，侧 t 这些数据往往比较困难且费时费力．因此利用数值棋拟技术来掌握上述场 t 在张力减径过程中的变化是非常必要的。为了提高产品的壁厚精度．目前国内外许多学者已经利用有限元法针对钢管张力减径过程的壁厚变化规律进行了大证的研究工作，州．并取得了较大的进展。
导致钢管内表面由圆形变为多边形的因索主要有轧辊孔型、张力分布情况、荒管壁厚及轧制沮度等。本文采用革于 MSC . MARC 的有限元分析方法，建立了钢管张力减径过程的有限元热力藕合分析棋型．在其他参数相同的情况下．研究了不同壁厚钢管的张力减径过程．分析了钢管内多边形的形成机理．得到了荒管璧厚和张力系数对钢管内多边形程度的影响规律．可为提高产品的壁厚精度和形状精度提供理论指导。
l 设．主．价数及热力报合有限元板型的盆立
Ll 设备主要参数本文在建立张力减径有限元棋型时．设定的张力减径机组的机架个数为 20 ．轧辊的名义直径设定为 345mm ，相邻机架间的距离为 320mm ，荒管的外圆直径为 180 帕 m ．成品钢管直径为 79mm 。为了研究荒管璧厚及张力系数对钢管内多边形的影响规伸，在其他参数相同的悄况下．本文选取了 9 种不同壁厚的荒管及对应的张力系数进行有限元模拟．其具体数值如表 l 所示。
众所周知,采用大口径厚壁管道(外径400mm以上,外径与壁厚比为55~90)输送液体和汽体物质是为合理经济的,但是,随着被输送液体和汽体的温度和压力的升高,管道破裂的危险也增大。为了保证管道的有效必需从材料和生产工艺二个方面提高质量以满足性能要求。就钢管生产工艺而言重点在于采用什么方法生产毛坯。
钢管的工作应力及壁厚关系
图1所示为一圆柱形容器,其直径为D,壁厚为长度为L在内压p的作用下,容器的鈥、横截面上都将产生应力日,用截面法将容器沿截面战开,鈥截面上的拉应力为可以类似地推出横截面上的应力仅为上述应カ的一半。传递高压流体的管道的危险截面是鈥截面。设想火电站汽水管汽水压カ为5MPa约50大气压),内直径D为1000mm,壁厚为10mm,汽水管鈥截面上将产生约250MPa的工作应カ。
考虑温度对屈服极限的影响一般中低碳钢是无法胜任的但采用高强度合金钢则不仅价格高而且成形更为困难。因此采用高治金质量的低碳钢制作厚壁管就显得十分经济。
因为壁厚增加一倍,则应力σ降到原来的一半;汽水在管道中长期流动腐蚀不可避免,壁厚大则管道的寿命也可延长2沖孔拉仲法成形大口径厚壁管将加热好的钢锭放入冲孔胎模中先冲一个盲孔,然后放入拔伸胎模中进行拔长而生产厚壁管的方法称为冲孔拉伸法。
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关于结构用厚壁钢管合理选材选型的建议
(1)在大型管结构工程设计中,需选用厚壁钢管时,设计人员应了解厚壁钢管的成型方法类别与其技术经济性能特点,并合理选材。
(2)综合比较力学性能、焊接性能、加工性能、截面尺寸精度及材料价格等因素,钢结构工程用厚壁钢管宜选用冷压或冷卷成型钢管。在此类钢管比选中,若考虑钢管力学性能、加工效率、焊缝数量与打磨要求等因素,则宜 冷压成型(U(E)厚壁钢管,但在加工费用上冷压工艺要高于冷卷工艺约20%以上。
(3)当选用冷压或冷卷厚壁钢管时应注意以下技术性能或参数的要求
1)径厚比一一冷卷与冷压制管时,钢板内、外纤维分别受压受拉,产生塑性变形和冷加工硬化与残余应力等不利影响,而径厚比(管内径与厚壁之比)愈小,此影响愈严重,并会直接降低钢管的使用性能。我国电力行业标准《压力钢管制造与安装验收规范》L5017-93要求冷卷钢管的径厚比不应小于33(Q235与Q345钢)或40(Q390与Q420钢)。根据建筑钢结构工程的国内外经验,此限值可适当以放宽,在目前钢材性能水平和工艺条件下,暂以不小于20为宜。
2)钢材的强度级别一《钢结构设计规范》对钢管架结构规定所用钢材强度不应超过345MPa,届强比不应大于0.8,主要原因是现有研究、设计计算方法公式等都是以此类级钢材为主要对象进行的。厚壁钢管可能用于桁架或支柱结构,当钢板厚度、径厚比均相同而强度更高时,会产生更不利的冷加工硬化影响与残余应力,降低钢管的承载性能与焊接性能,故冷成型厚壁钢管的钢材强度以不大于345MPa为宜
3)钢材的性能要求目前冷成型型材的相关标准中对其力学性能试件的取样部位无明确规定,故厂家所提供的质量检验单数据均为其原材料的力学性能数据,并非已成型管产品的实物力学性能,这对厚壁钢管易造成延性指标要求(如伸长率)数据偏高的现象。故对主要承重构件用钢管,应在设计文件中注明其实物力学性能指标需经成品钢管上.的取样复测确认。同时对抗震设防等重要构件所用冷卷厚壁钢管,宜要求按钢板横轧制方向取样进行冲击功性能检测确认。在性能要求的项目内容上,除常规的化学成分与力学性能外,当厚壁钢管用于主要承重结构时,还应按荷载条件,使用温度、板厚、节点焊接约束度等条件,要求附加保证碳当量、屈强比、冲击功或Z向性能等作为钢管供货的保证性能指标。
4)热处理冷成型厚壁管影响性能的主要缺陷是冷加工硬化和残余应力影响,故对很重要的管构件或径厚比很小的钢管,可经过技术经济比较要求进行成品管热处理以细化晶粒,残余应力,优化钢管使用性能。
(4)热成型厚壁钢管虽无冷加工效应,但价格均较高。而热扩无缝钢管的壁厚公差可达士25%,会造成结构构件截面不对称,增加附加偏心弯矩和削弱截面承载力;而且在管构件对接接头处,可能造成对焊接头较大的错边偏差,故不宜用作钢结构承重构件。热卷成管性能较好,但加工成本高,主要适用于锅炉、压力容器、管道,般不宜用于钢结构构件中。
某型号产品中的贮油缸筒体,该零件具有以下特点:
①体是由51mm×3mm钢管经旋压封口而成;②在简体壁多处局部由塑性胀形加工而成的向外凸包或扩径段,凸包或扩径段构成缸筒,局部外径尺寸公差为1T10或IT12。因此,该简体的胀形加工属超长径比厚壁钢管的精密胀形。
工艺分析
(1)该零件长度较大,成形部位分布在简体的不同部位,成形部位的位置尺寸又受到旋压封口的影响,如果在封口后胀形,将会造成局部胀形部位位置尺寸不准,而且模具设计困难。
(2)该零件成形部分的形状尺寸差别较大。既有整体成形,又有局部成形,而且,局部成形部分尺寸差别较大,如果一次成形出所有成形部分,必然会造成模具设计的困难和加工的困难,而且成功的把握性很小。
(3)该零件属超长径比厚壁钢管,所需成形力较大。在金属塑性加工中,该零件的成形适合胀形工艺。胀形工艺一般可分为刚性胀形与软凸模胀形刚性胀形适用胀形力较大,但模具结构复杂,且受模具结构与强度设计的限制,一般适用于零件长径比较小及相对料厚较溥的零件成形,而该零件长径比较大,属细长零件,若采用该方法,模具的强度和刚性都难以保证。软凸模胀形适合长径比较大的零件,其模具结枃较简单,但受软凸模材料性能的限制,一般只适用成形力较小的薄壁件的胀形加工。由于该简体材质为钢材,厚度较大,所需胀形力较大,所以采用软凸模胀形也无法达到该零件成形的需要,因此,该零件的成形具有较大的难度。
胀形工艺及模具结构
根据以上分析,要使该零件成形部分的位置准确,且不受封口部分的影响,那么零件的成形工艺应放在旋压封口之前进行,以成形的位置尺寸确定旋压尺寸,这样同时可避免成形力对旋压部分形状的影响.
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