鋼管矯直原理—— 掃盲貼

龍九禪師

鋼管矯直原理——
矯直是ERW鋼管生產中的重要工序。特別是API標準的石油套管和油氣管，精度要求較高的輥道管，機械設備專用管，不但在鋼級和焊縫質量上有嚴格的要求，對鋼管的直線度也有很高的要求，因為直線度的偏差直接關系到油套管和輸送管的管端螺紋和管箍的加工，連接。現有管端車絲的兩種加工形式——管子旋轉和刀具旋轉，大多數車絲加工采用的是管子旋轉，這對于鋼管的直線度就要求更高。
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% d8 m7 O2 P9 I1 v《套管和油管規范》API—5CT標準，《管線管規范》API—5L標準規定：鋼管直線度偏差不超過總長度的0.2%；

- L, n* s! O7 j/ N1 i3 u《直縫電焊鋼管尺寸規格》GB/T13793—1992標準規定：外徑大于16mm的鋼管，彎曲度≤1.5mm/M。《直縫電焊鋼管尺寸規格》GB/T13793—1992標準是一般用途直縫焊管的基本標準。
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6 P# E# q+ \- ~4 d談到鋼管矯直，我們首先要弄清楚，鋼管為什么會彎？許多人會覺得：這個問題還用說嗎？其實，要真正弄清除鋼管為什么會彎，這個問題還真不簡單。導致鋼管彎曲有許多原因，比如焊縫的熱影響，軋制時的偏心，還有壓緊力，彎曲力的不平衡等等。但是從根本上來說，彎曲都是鋼管內應力的作用，簡單地說，彎曲就是應力不均衡。那么，直的鋼管是不是就沒有內應力呢？不是。直的鋼管也有內應力，只是直管的內應力相對均衡抵消了。
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內應力是一種什么東西呢？內應力是物理力學上的說法，它的本質，是材料受溫度，外力影響而產生變形時的一種分子之間的相互作用力。鋼管在成型，焊接的時候，也會受到焊接溫度，成型彎曲這些外力的影響而產生內應力。鋼管的截面是一個環形，在這個環形面積上會產生二種基本應力：與環形平行的力和與環形垂直的力。平行的應力會使得管子不圓；垂直的應力會使得管子彎曲。

我們來看看液壓六輥矯直機的工作原理：

需要矯直的管材從機器的左端(或右端)的進料裝置上被送入矯直機的下輥上，上輥下行使其壓住管材，到相應的位置后停止。上下輥系分別與被矯直的管材的軸線傾斜一定的角度，輥子的雙曲線型母線與管材的外徑相吻合，呈包絡狀。三個上輥在各自液壓缸的作用下壓在管材上，兩個下輥子分別由各自的液壓馬達驅動旋轉，帶動管材既繞軸線旋轉又沿軸向移動。改變液壓馬達的旋轉方向即可改變管材的旋轉方向和軸向移動方向，實現可逆式矯直。然后將被矯直的管材通過另一端的出料裝置送到物料架上。對局部彎曲變形較大的管材，可利用兩端的沖頭先進行局部矯直，然后再進行整體矯直。
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" a  H6 M! q6 u學過初等數學的都知道：三點成一線。可是，如果我們用三點成一線的辦法來矯直管子，管子并不能被矯直，被你壓直了還會彈回來，這是由于鋼管內應力的關系。我們在矯直鋼管時只能用矯枉過正的辦法來矯直鋼管，就是說，只有對彎曲的管子施加大于應力但是方向相反的力量，才能完全消除掉原有的應力，使管子變直。矯直機就是使管材通過多次彈塑性彎曲變形實現對管材的矯直的。
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鋼管的矯直有二種基本方式：直線式矯直和旋轉式矯直，這二種方式本質上都是通過消除內應力的原理來矯直管子的，不過它們之間在用途和矯直方式上有很大區別。在ERW鋼管生產中，這二種方式一般都在生產設備中配置，直線式矯直采用土耳其頭和直線式矯直機，旋轉式矯直則采用輥式矯直機。這二種矯直方式各有自己的用處，但其作用對象和工作原理有很大的不同。
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土耳其頭和直線式矯直機一般用于還沒有被定尺切斷的鋼管的在線矯直。ERW鋼管在高頻焊接后，會因熱效應或成型偏向發生方向性彎曲，要矯直這種方向性彎曲，需要進行單向矯直，單向矯直時不能使鋼管發生扭轉，因而也不能矯正鋼管的扭轉。土耳其頭一般都設在定徑精整之后，定徑精整由三到四道機架組成，每一道定徑和精整都需要極大的擠壓力，這種擠壓力正好能在徑向固定鋼管，防止它發生扭轉，二道土耳其頭與最后一道精整組成了直線式矯直的三點。土耳其頭對管子施加壓力的方向可以在360°內任意調節，當彎曲的鋼管被強制通過土耳其頭時，只要針對鋼管彎曲的方向來調節土耳其頭，在這三點之間形成一個反向彎曲的撓度，土耳其頭強大的反向力使管子彎曲的內應力被消除，鋼管被矯直。

土耳其頭在矯直鋼管時有三點要求：
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/ J/ u6 z0 w6 A: H第一，正確確定鋼管彎曲方向，按彎曲方向調整土耳其頭的輥壓方向。為能正確地確定鋼管彎曲方向，需要在最后一道精整機架與土耳其頭之間有一定的距離，如果離得太近，就會很難確定彎曲方向。這個距離的確定與管子的外徑有關，一般需要根據管子的外徑和兩道土耳其頭之間的間距來確定。

第二，正確設定矯直支點之間的間距，土耳其頭矯直的三個支點分別是：定徑精整的末道機架和二道土耳其頭，一般要求這三點的間距能均分布置。有一些機組制造廠家不了解這個道理，往往為了縮短機組長度，將二道土耳其頭靠緊在一起布置，而離最后一道精整機架卻很遠，這就會影響土耳其頭與精整機架形成合理的矯直撓度。二道土耳其頭之間的間距可以比土耳其頭與精整機架的間距近些，但不宜太小，甚至緊靠著。土耳其頭矯直的間距設置需根據管徑來確定，管徑大的間距應大些，管徑小的間距則應短些。因為成型機組都需要生產包含一定規格范圍的管材，如果能用導軌將土耳其頭設置成可以調節間距的形式，那就較為合理了。
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6 K1 b3 C) F+ ]1 A: V8 c, o第三，正確調整土耳其頭反向彎曲的撓度。不同的管徑，不同的壁厚，不同的鋼級，不同的彎曲度，在產生彎曲時的內應力有很大的差別，因而在矯直時需要不同的矯直撓度，理論上可以近似地計算，但主要是需要我們在生產實踐中認真積累，加以掌握，同一鋼級，同一規格的鋼管，也會由于鋼質，成型等因素的變化而造成不同程度的彎曲。

9 U& ^7 \$ X) X. M' Y輥式矯直機的工作原理與土耳其頭是不同的。它能使鋼管矯直的原理不象土耳其頭那樣單一地靠反向過彎。比如常用的六輥式矯直機，它在矯直時有兩個力同步地作用于管子：一是軸向的彎曲力，二是圓周的壓扁力。六輥式矯直機使鋼管在旋轉中徑向受到強大的壓力，讓管子在徑向和軸向都產生一定量的塑性變形。徑向是通過調節上下輥的壓力，來實現鋼管的矯圓；軸向是通過調節中間輥的高度形成彎曲撓度，來實現鋼管的矯直。六輥式矯直機一般用于已經被定尺切斷的鋼管矯直。在實際生產中，由于成型，焊接，切斷等多道工序的影響，鋼管會產生螺旋彎曲，多向彎曲等復雜的彎曲狀況，要消除不同方向的彎曲，就不能采取直線式的矯直方法了，如果我們要針對彎曲方向來矯直切斷后的鋼管，鋼管就很難固定，假如這根管子彎曲不是一個方向，那就更難辦了。要達到矯直的目的，需要用專門的夾具加以固定以防止圓周偏轉，這一段直了，還得轉過一個角度再矯直，這就很難操作了。

六輥式矯直機由三對相對滾動的斜輥組成三個矯直支點，這三個矯直支點之間的間距不是隨便定的，它要由所矯直管材的管徑來確定。同樣，是管徑大的間距應大些，管徑小的間距則應短些。由于六輥式矯直機的工作原理是通過塑性變形來矯直鋼管的，這就需要很大的力量，所以旋轉式的矯直機一般都只能用來矯直φ180mm以下直徑，8mm以下厚度的鋼管。即使是用來矯直φ180mm×8mm的鋼管，矯直機自身的重量就已超過40噸，功率超過120Kw。直徑在φ180mm以上的鋼管，一般在12米基本定尺長度內不容易彎曲，一旦需要矯直，只能是另外設置專門的液壓矯直平臺來壓直它。
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旋轉矯直，其矯直性能的好壞在于合理科學的設計，我們作為使用者，也需要了解它的矯直原理。
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5 W0 i" P0 \2 X% e影響六輥式矯直機矯直鋼管的因素一般有以下四點：
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6 O# H) T2 q% e. h⑴  合理的輥型曲線

矯直機的輥型曲線是一條包絡線。它應該包絡所矯直管徑的范圍，理論上應該是一條雙曲線。任何包絡線都是有一定范圍的。例：現需要矯直范圍為φ114~φ180之間的所有規格的鋼管，矯直輥角30°，如果輥型曲線在矯直最大管徑φ180時有三分之一圓周的接觸長度，那就有188mm的接觸長度，而用同一對輥矯直φ114管子時，其接觸長度則變為僅有一個點，輥子邊緣離開φ114管子有0.2mm的間隙。一般來說，管徑包絡的范圍越大，矯直性能就越差。為什么呢？因為在矯直過程中，輥型曲線與管子外徑需保持一定的接觸長度。
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接觸線有兩個作用：第一個作用：當矯直中間輥向上調節時，使管子在形成矯直撓度，接觸線長度很小或只有點接觸時，矯直撓度曲線將變得很陡，這使得管子只能在很短的長度內產生塑性變形，無法在較長間距內消除應力；第二個作用：當三道矯直輥全部壓下時，管子在旋轉中徑向產生塑性變形，接觸線越長，徑向壓力越均勻，塑性變形面積就越充分，鋼管圓度就越好。由次可見，合理的輥型曲線是矯直性能的保障，接觸線長度越長，矯直性能就越好；接觸線長度越短，矯直性能就越差。
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/ V& O0 g) l& v6 n: i! A/ Q2 R+ h近來有學者根據包絡理論深入研究了輥形曲線，認為鋼管在矯直過程中并不是圓的，所以雙曲線的輥面曲線與管材的接觸線太短而且不充分，不適合高精度矯直。已經有新型的矯直機出現了漸開線曲線，準雙曲線型和深淺凹型復合曲線等，這也反映了即使是在傳統行業中，技術進步也是隨著時代而發展進步的。
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矯直機經過一段時間的使用，輥面會造成磨損，從而改變了輥形的曲線，影響矯直效果，所以必須定期對矯直輥進行修正。
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% K& G8 }7 O& B9 b! f⑵  合理的輥間距
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2 x, R& M1 u2 h$ z. t: t! i三對矯直輥的間距，需要根據管子直徑的大小來確定。每對矯直輥與管子的相對旋轉運動形成一條螺旋線，輥子的壓力使管子產生的塑性變形會使管端失圓，為了避免這種情況的產生，三對輥的間距布置需要保證三條螺紋線之間有均勻分布的相位差，理想的狀態是成圓周120度的分布。但實際上當管徑大小變化而輥間距不變時，三道輥的輥壓螺旋線的相位將發生很大的改變，以φ180管為例：當輥間距為1050mm時，設定φ180管的相位差為0°/78°/155°；當輥間距1080mm時，φ180管的相位差變為0°/110°/220°；當輥間距1100mm時，φ180管的相位差又變為0°/133°/266°。
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- z$ ]! z& s% z' T輥間距的設定需要根據管徑來確定，一般來說，輥間距越小，所需要的矯直力越大，但卻越有利于矯直。在實際上，矯直輥受到尺寸和位置的影響，不可能將間距做得很小，我們只能根據實際生需要的管徑來確定間距。不過矯直輥之間的間距絕不能做得太大，過大的間距會使小規格的管子發生末端的離線彎曲。

⑶  合理的輥壓角
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0 w  _+ b6 g+ C- w2 |不同的管徑矯直時需要調節矯直輥的角度，以保證不同管徑在矯直時都有較好的輥壓接觸線。在設計時以最大管徑為基準，設定一個基準角度，一般取30°左右，當管徑依次遞減時，輥角逐步變小，這種角度的調節是微量的，一般取2°到3°左右。輥壓角度的調節要求有同一性，如果三對輥的輥壓角不一致，將會因此而造成各道向前送的力不同而影響矯直效果，并會對管子表面造成擦傷。如果矯直壓力很大，還會使管子發生較大的縮短。
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目前已有的矯直機組中，輥角的調節都是采用分別調節的方式 ，分別調節導致同步性比較差，影響矯直效果。如果要使鋼管能準確地矯直，必須從同步調節這一個根本環節上著手來解決這個問題。現在有些鋼管矯直機組采取了多道次矯直的方法，由三道增加到五道甚至七道，這樣的設計對于合理分散輥角的相位是有好處的，可以有效避免管端的失圓情況，也能提高一些矯直的精確度，但其矯直原理與通用的矯直機是同樣的。多道次矯直的調節相對于通用的矯直機要困難些。

（4） 合理的矯直撓度

矯直撓度就是矯直中間輥向上的調節量。矯直中間輥可以向上調節，這是為了形成合理的矯直撓度曲線，當彎曲的鋼管在旋轉中進入矯直輥時，被強迫按照這撓度曲線彎曲，與撓度曲線相同的彎曲面基本不受影響，而與撓度曲線相反的彎曲面則受到反向的力而被消除應力。如上例：當矯直輥按30°角布置，管徑φ180時有三分之一圓周的接觸長度（188mm），輥間距為1050mm，鋼管通過這三道矯直輥時將旋轉近4圈，即按撓度曲線彎曲4次，一般認為，普通鋼級的鋼管有3次彎曲就可以消除應力，達到矯直的效果。必須注意：中間輥頂得越高，撓度曲線就越陡，矯直力就越大，但是有效矯直長度將縮短，所以不能將中間輥調得很高。在實際生產中，特別是我們需要生產如X60以上的高鋼級管子時，可能會出現一次還不能矯直，需要矯直兩次的情況。

六輥式矯直機的工作原理需要我們所有的操作人員真正地理解，同時更需要我們在生產實際中掌握調節量。工人常常會因為不了解矯直機的原理，不能針對管子的彎曲度而盲目地去調整中間輥的位置，破壞了三對輥之間合理的撓度曲線，矯直時就會時好時壞，直了不知道為什么能直，彎了也不明白為什么矯不直。
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8 y, T; \/ K, S影響矯直輥調節的因素，除了操作不當以外，還有很重要的就是上矯直輥調節絲桿與螺母付之間，矯直輥與軸之間有了磨損間隙，當這種間隙達到一定的許可范圍，操作者就很難準確的調節壓緊的力量，所以必須對設備之間的磨損間隙經常檢查，及時更換和修理調整。

鋼管矯直調整原理：
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3 i+ N; Y: g* K5 `; o  J一，            管子朝焊縫同一方向彎曲
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原因：焊縫正火處理不充分，管子靠焊縫一側存在熱應力，因而在冷卻后發生朝一個方向的彎曲。
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解決辦法：1  調節中間輥，適當加大撓度曲線；2 兩次矯直；3 在無法直接矯直的時候，管子整體回火。
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二，            管子無規則彎曲
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原因：1. 三道輥之間的壓力不一致；2. 矯直輥磨損較大。
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5 M, W' @" G& O5 L/ n0 X解決辦法：檢查調整上矯直輥是否松動，用樣棒校直三道之間的接觸線長度。

三，            管子的長度縮短較大

原因：三道矯直輥之間的輥壓角度相差太大;矯直壓力較大。
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% m2 e% r3 h# m/ e解決辦法：調整輥壓角，盡可能做到一致；適當調整矯直壓力。
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四，            管子的一頭彎曲
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1 v3 q6 b7 ^1 `# k2 y8 F7 E原因：輥與輥之間的間距太大。
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% q+ @2 Q% ~8 [6 ^, N, j解決辦法：選用適應相應管徑的較小間距的矯直機。

五，            管子頭部不圓

原因：三道矯直輥之間的接觸相位分布不當或重合，輥壓力太大。
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: I4 }* y( H% s7 B" m* R解決辦法：適當調整輥與輥之間的角度，調節輥對管子的壓力。

隨著科技的進步發展，已有更多的新技術在鋼管矯直機上得到應用。如某公司改進并得到應用的七輥型式矯直機，型號為３-１-３鋼管矯直機。它應用了與通常六輥矯直機完全不同的結構形式，解決了矯直輥組在圓周方向的調整問題。特征在于，主動輥用調整斜鐵來調整其上下高度，從而使三個矯直輥在圓周１２０°方向上都可作徑向調整，而矯直中心線則始終保持不變，優點在于，結構簡單，易于調整，被矯管材在圓周上受力均勻。因此，矯直精度高，質量好，且適用規格幅度大。

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/ m. X3 s3 n3 f; [' q4 H矯直缺陷的原因及處理措施
缺陷種類        產生原因        消除方法
+ s1 Y: T" W4 L7 O( e  s螺旋形矯凹        1、  角度小；
% h6 f  a, F% ^/ C1 v$ o2、  孔型磨損不均。        1、  調整角度；
( ~( }; |0 E) d- t2、  加大角度，減小壓下量或更換輥子
螺旋形壓痕        角度過大        減小角度
鋼管直徑增大
或減小        1、  輥子角度大小不一致；
, e6 _* D( _6 G- [7 q+ o* W: V2、  輥子速度不一致。        將角度調整一致，更換大小一致的
/ J- Q0 \( H. m, ]5 N, }0 _) C輥子
橢圓度        壓下量過大        減小壓下量
鋼管不咬入        1、滾道與入口高度不一致；
2、第一對輥子角度不一樣；
# G: R9 G. C. B( U( ^3、  管子前端彎曲大。        1、  調整滾道高度；
2、  調整達到一致；
3、  彎曲度太大不矯（>30mm/m）。
) h+ I1 @3 o3 c- F3 \9 c8 J管子咬入后停
上不前        1、  第一對輥子壓下量過大或過小；
  L- ~9 E4 l# W4 e- T. q5 P2、第二對、三對輥子壓下量子過大；
3、管子后端有硬彎；
0 T: U& v2 N/ B* S4、第一對輥子調整不當。        1、  適當調整壓下量；
2、  減小二、三對輥子壓力；
- o! V6 @9 Q$ _- w3、  管子缺陷不得超出允許范圍；
4、  調整角度。
9 H( D! d7 D8 V$ l  T5 p矯不直        1、  前端不直；
% G; N) x0 d$ i6 h) k2、  后端不直；
, }, f* u; b& L) y% }6 |. n, ?3、  中間不直。        1、調整第三對輥子壓下量和角度；
6 `5 R! m. f+ F$ A$ g2、調整第一對輥子壓下量和角度；
3、調整第二對輥子壓下量和角度。
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老鷹

龍酒寫那么多，是不是原創啊^_^

WUHANLIST

學習了！

互通有無

專業水平

liujiaoce

俺也掃掃盲。

把刀用好

矯直是個技術活，技術好的跟差的不管是質量還是數量差很多的。

garyguo501

說的挺好 挺多

李澤

支持下，希望多多掃盲，多出精品。

逸宇

我鋼廠的剛好能用到

常青藤001

支持下