螺旋埋弧焊管生产线带钢坡口铣削尺寸稳定性分析

冯 瑶， 杨明秦， 贾 熙， 徐志军， 李 莉， 夏翠红

（渤海装备华油钢管公司 扬州分公司， 江苏 扬州225128）

1 概 述

铣边机作为螺旋埋弧焊管生产过程中的主要工序设备， 可根据焊接工艺要求， 将带钢边缘铣削成I 形、 X 形和Y 形3 种不同的焊接坡口形状（如图1 所示）； 其铣削尺寸的稳定性对螺旋焊管的焊接质量 （包括焊缝外观质量与焊接力学性能） 具有至关重要的作用。 在生产高强度、 大壁厚螺旋埋弧焊管时， 为保证内外焊道的熔深、 焊缝余高以及焊缝力学性能满足标准要求， 一般将带钢边缘铣削成Y 形或X 形坡口后进行埋弧焊接， 若铣削尺寸不稳定， 将产生因铣边同面两侧不对称造成的焊管成型错边、 焊偏、 焊道不规则以及焊缝余高超差等不良现象。 由此可见， 带钢坡口尺寸的稳定性是提高螺旋埋弧焊管焊接质量的关键。 本研究将结合渤海装备华油钢管公司扬州分公司采用的铣边机设备， 对影响带钢坡口铣削尺寸稳定性的因素进行系统分析。

图1 螺旋埋弧焊管生产过程中常见铣边坡口形状示意图

图2 为所采用的铣边机结构示意图， 其工作原理是： 对带钢双侧面进行铣削加工， 其中铣头装置中的铣刀为多片（组） 刀片组装而成的刀盘，数十片刀片组装在刀盘周边， 均匀分布在圆周上（如图3 所示）， 考虑排屑方便， 铣削方式一般采用顺铣。 刀盘由刀盘轴与螺丝等固定在床头箱上，床头箱的动力通过刀盘轴传递给刀盘做旋转运动，即铣削加工的主运动； 进给运动为带钢在递送机驱动下的前进运动， 实际上进给速度为带钢的递送速度， 即焊接速度。 横移装置和床头箱底座组成铣边机加工宽度调节系统， 可使床头箱在带钢宽度方向左右调整， 同时配合刀盘刀片不同形式与角度的分布， 加工出符合成型与焊接工艺要求的带钢宽度与坡口尺寸。

图2 铣边机结构示意图

图3 铣边机刀盘结构示意图

2 铣边机工作原理

根据工艺所要求的带钢工作宽度与带钢坡口尺寸， 将装有钝边刀与坡口刀的两组刀盘分别安装于铣头装置之上， 并通过两侧横移装置调整两侧铣头装置之间的距离， 确定铣削量， 随后启动刀盘旋转， 待带钢被矫平机矫平力推送至铣边机工位， 随着带钢通过铣边机即可铣削出符合要求的工作宽度与坡口尺寸， 铣边机工艺布置如图4所示。 值得指出的是， 为了避免出现打刀现象， 铣边机刀盘旋转必须在带钢停止运行后方可关闭。

图4 铣边机工艺布置图

3 带钢坡口铣削尺寸稳定性分析

图5 铣边机上颚装置局部结构示意图

从铣边机结构可以看出， 影响带钢坡口铣削尺寸稳定性的主要因素取决于上颚装置在运行过程中能否精准定位， 图5 为铣边机上颚装置局部结构示意图。 经分析， 压辊位置粗调系统与压辊位置微调系统是决定压辊能否压紧带钢边缘精准定位的关键， 其中压辊位置粗调系统属于液压定位方式， 压辊位置微调系统属于机械定位方式。

3.1 压辊位置粗调系统 （液压定位方式） 稳定性分析

在螺旋埋弧焊管连续生产过程中， 主要依靠压辊位置粗调系统使压辊压紧带钢， 并保证带钢与刀盘刀片间的相对位置不变， 从而实现生产线坡口尺寸的一致性。 压辊位置粗调系统能否保证线上坡口尺寸的一致性， 主要取决于压辊液压缸的保压效果。 图6 为铣边机压辊位置粗调系统液压原理示意图， 其工作原理为：待带钢到达铣边机压辊正下方， 开启泵组， 调节溢流阀将系统压力设定为2～3 MPa， 然后将两个三位四通电磁换向阀右工位2YT 与4YT 同时通电， 液压缸有杆腔进油， 无杆腔回油， 当压辊接触带钢以后， 根据带钢材质与厚度设定匹配的系统压力， 使压辊足以压紧带钢边缘， 避免其上下浮动， 造成坡口尺寸不稳定， 系统压力调定后， 两个三位四通电磁换向阀均回到中位， 此时油液密封于叠加式液控单向阀（液压锁） 与液压缸两腔之间的回路内（图6 中红色部分）， 该回路只有在无任何泄漏的情况下才能使压辊位置恒定， 确保线上坡口尺寸稳定无变化。 但该系统在实际使用过程中因保压效果较差， 使压辊的位置经常发生浮动（主要表现为压辊向上浮动）， 导致坡口尺寸随之变化（上坡口变大、 下坡口变小），严重影响螺旋焊管焊缝成型， 也大大降低成型缝焊接质量。

图6 铣边机压辊位置粗调系统液压原理示意图

经分析， 该液压系统保压效果差的原因主要包括以下两个方面：

图7 KDAS 液压双向组合密封圈密封结构示意图

（1） 液压缸内部活塞密封件采用的是KDAS 液压双向组合密封圈， 其结构如图7 所示。 该组合密封圈采用山形密封结构， 安装在液压缸活塞上起双向密封作用， 适宜工作压力0～20 MPa， 但系统若存在明显振动现象， 不宜选用该类密封结构。 然而铣边机在铣削过程中的振颤明显， KDAS 液压双向组合密封圈的密封作用基本失效。

（2） 该液压系统虽然设置了蓄能器保压装置， 但该装置安装于单向阀与三位四通电磁换向阀之间， 当压辊压紧带钢边缘， 系统压力达到设定值后三位四通电磁换向阀回中位泵组停止运行， 此时蓄能器仅对三位四通电磁换向阀前的液压回路有效 （图6 中蓝色部分）， 并未对液压缸的有杆腔起到保压效果， 因此压辊难以固定带钢位置。

针对上述问题， 采取以下两种方法进行系统优化：

（1） 活塞密封件由KDAS 液压双向组合密封圈改为英国Hallite GPS 活塞密封件， 其结构如图8 所示， Hallite GPS 是双作用的活塞密封， 由Hallite 高性能材料Armorlene HLX 的PTFE 表面环、 橡胶弹性体和X 形圈组成， 以达到最佳的密封性和稳定性。 Armorlene PTFE表面环和X 形圈一起提供动态密封功能， 软补偿量比KDAS 液压双向组合密封圈大， 同时橡胶弹性体提供静态密封。 标准GPS 表面环上有泄压槽， 能够使密封件在系统压力和运动方向改变时快速响应。 Hallite GPS 双作用活塞具有如下密封特点： ①适用于分离两种介质的场合， 密封性能好； ②低摩擦， 无爬行现象；③使用弹性体和X 形圈， 以保证在各种压力范围下密封件都能快速响应以达到最佳的密封性能。

图8 Hallite GPS 活塞密封结构示意图

（2） 采用两种方案对压辊位置粗调液压系统进行优化， 优化后的液压原理如图9 和图10所示。

图9 优化后的铣边机压辊位置粗调系统液压原理示意图（方案一）

图10 优化后的铣边机压辊位置粗调系统液压原理示意图（方案二）

由图9 （方案一） 可以看出， 优化后的系统是用中位机能为C 形的三位四通电磁换向阀替代了中位机能为Y 形的三位四通电磁换向阀，同时增加了压力继电器， 因采用了中位机能为C形的三位四通电磁换向阀， 所以当压辊压紧带钢边缘系统压力达到设定值后， 即使三位四通电磁换向阀回中位泵组停止运行， 该换向阀可实现蓄能器对液压缸有杆腔的保压， 使压辊压紧带钢无浮动； 因增加了压力继电器（包含控制系统工作压力高压值与低压值的两个压力继电器， 统称为压力继电器）， 当系统压力因泄漏降低至压力继电器低压点 （系统工作压力最低值）， 压力继电器发出电信号使泵组开启， 为系统增压， 增压至压力继电器高压点 （系统工作压力最高值）， 压力继电器发出电信号使泵组关闭。 该方案使系统内蓄能器发挥了其对压辊位置控制油缸的保压作用， 对比原方案， 该方案更有利于确保线上坡口尺寸稳定无变化。 按方案一优化后的液压系统初期使用效果良好， 但因系统密封性能极易受三位四通电磁换向阀加工配合质量的影响， 加之该类换向阀在使用一段时间后其内部配合间隙必然增大， 内泄现象会越来越明显， 从而导致系统泵组频繁加载， 大大降低泵组使用寿命， 可见该方案欠佳。

由图10 （方案二） 可以看出， 优化后的系统是将具有蓄能保压作用的蓄能器连接于液压锁与液压缸有杆腔之间， 当压辊压紧带钢边缘， 系统压力达到设定值后三位四通电磁换向阀回中位泵组停止运行， 此时油液密封于液压锁与液压缸两腔之间， 同时依靠蓄能器对液压缸有杆腔的蓄能保压作用， 并配以压力继电器的使用 （功能与上述相同）， 可实现压辊位置相对于带钢位置的恒定， 进一步保证线上坡口尺寸的一致性。 该方案中系统密封性能不受三位四通电磁换向阀加工配合质量的影响， 其密封效果明显优于方案一。

3.2 压辊位置微调系统 （液压定位方式） 稳定性分析

铣边机压辊位置微调系统是利用螺旋升降机实现对带钢坡口尺寸的微量调整， 并且该装置除中间压辊外其余压辊均配有叠簧组 （见图5），属于浮动铣削技术， 克服了因带钢本身平面度误差所造成的坡口尺寸铣削不均匀现象。 但该装置必须在压辊位置粗调系统保压效果稳定时才能正常发挥其微调功能。 另外， 该装置内部丝杆与丝母间配合间隙不宜过大， 否则会影响线上坡口尺寸一致性。

4 结束语

螺旋埋弧焊管生产过程中， 带钢坡口尺寸的一致性对其焊缝外观质量和焊缝力学性能至关重要， 同时也可极大地提高对缝成型效率。本研究综合分析了影响线上坡口尺寸稳定性的因素， 可较精准地解决线上坡口尺寸一致性差的问题。