带钢连续成型直缝不锈钢焊管机组生产工艺流程

  不锈钢焊管机组按其所加工的原料形式（带钢或钢板）可分为不锈钢带钢连续成型焊管机组和不锈钢钢板非连续焊管机组，即连续成型焊接机组和非连续焊管机组。带钢连续成型焊接机组根据焊缝状态又可分为带钢连续成型直缝焊接机组和带钢连续成型螺旋缝焊接机组。这两类机组各有特点，现分别加以介绍。

 一般带钢连续成型直缝焊管机组由开卷机、矫直机、剪机、对焊机、夹送辊、活套、立辊、成型段、焊接、辊轧（锤击）、修磨、定径、无损检验、锯切和料槽组成，见图6-1。

一、开卷机

 连续成型焊管机组需要有两台开卷机或有储存带钢的活套。

  1. 开卷机的基本功能

  转动自如的功能：  要求在生产中，可以自如地转动，以便使带卷打开并送料到夹送矫直辊处，又可在带卷开卷前，能正、反转转动，以使带钢头转到合适的位置便于开卷。

  制动功能：  开卷时，应能防止因带卷打开而造成的松、散卷，还应能调整施加在带钢上的张紧力。

  防松卷、防带钢头部松弹功能： 应具有防止在钢卷的捆带打开之后，钢卷松卷和头部被夹送辊压紧之前，钢卷头部发生松弹现象的功能。

  上述功能对每种开卷设备都是必需的，但是，对于较薄、较小的钢卷，在容易实现手工操作时，也可适当简化。

  2. 开卷机的结构形式

   根据开卷机的结构，可大致分为双锥式开卷机、四连杆机构悬臂式开卷机和四棱锥式悬臂胀缩式开卷机几种。各种开卷机示例分别见图6-2和图6-3。各种形式开卷机的机构及特点见表6-1。

二、夹送矫直辊

  夹送矫直辊的主要功能是夹送和矫直带钢的头部，把带钢头部送进到对焊机的位置，并使带钢的中心线与机组中心线及前卷带钢的中心线对中。因此，其功能包括带钢的夹送、矫直、对中及定位。

三、对焊机

  连续成型焊接时，需将前一卷带钢的尾端和后一卷带钢的首端焊接在一起，以便使成型与焊接连续进行。这就需要在矫直机后设置对焊机，如图6-1所示。对焊机的基本组成有剪机、压紧和焊接装置。

   1. 剪切机 

    用于带钢的尾、头部剪切。剪切机可以采用带有左右两片剪刀的双刃剪，以保证剪切后两端部平行，为前卷带钢头与后卷带钢尾对接焊创造条件。为使带钢对接焊缝在成型过程中与成型辊的接触是点接触，剪切机和焊机应与机组作业线成一定角度（一般为7°)。

   2. 压紧和焊接装置 

    包括焊接机和焊接辅助机械设备，如带钢压紧装置和前后左右的调整装置等。由于焊接的带钢是不锈钢，所以焊接只能采用氩弧焊。不锈钢焊管机组速度较慢，如果设有活套，也可以采用手工氩弧焊进行对焊。

   图6-4是某型号可移动式窄带钢对焊机，可在带钢运行过程中焊接，是一比较理想的带钢对焊设备。

四、活套

  为了使带钢成型和焊接连续进行，在带钢与带钢头尾对焊时，应预先有一定长度的带钢存储在那里，以保证机组连续运转。这个存储带钢的地方为活套，建在焊管机组地面之下的称之为活套坑，建在焊管机组地面之上的称之为活套塔。不锈钢焊管机组，由于焊接速度不是很快，如果采用自动对焊机时，可不设活套；但对大直径焊管机组，由于带钢对焊时间较长，为不影响机组正常运行，应设活套。

五、成型段

  由于奥氏体不锈钢的塑性和韧性都比较好，因此，对于奥氏体不锈钢带，成型为开口直缝管是比较容易的。但是，由于奥氏体不锈钢具有强烈的加工硬化特性，为此，特别要求带钢的各部位成型只能经受一次就要达到成型尺寸。也就是说，一次成型到位，不能使其经受反复成型，否则成型将会恶化，影响成型效果。机组入口处，有对中立辊导向，使带钢纵向中心线确保在机组中心线上。

  1. 成型过程

    由于双半径成型具有变形均匀、成型稳定、边缘延伸小的优点，所以当今焊管机组均采用此种成型方式。下面以双半径成型为例，介绍焊管机组的成型过程。

    带钢连续成型可分为三步。第一步在前四架开口式水平辊上完成。开始时，使带钢边缘弯曲达到或接近成品钢管的半径，长度大约为带宽的1/4,上辊的半径接近成品管的内半径。对于管径相同、壁厚不同的上辊半径是有所不同的。第二架以后的三架成型是由带钢的边缘向中心线逐渐成形，而且保证不破坏前面已经成型了的部分，见图6-5、图6-6、图6-7、图6-8。

    第二步成型必须使用两对立辊，以便保持已得到的“U”型，为带钢边缘逐渐靠拢、进而为闭合创造条件，这一步是非常重要的一步。两对立辊在第4架水平辊与5-1架水平辊之间（图6-6)。

   第三步成型至少在三架水平辊上完成，其中前面两架的上辊中间装有导向片，以此保证带钢边缘沿着机组中心线直线前进。当辊子迫使钢管减径时，导向片对带钢边缘就相当于一个铁砧子（图6-5),起导向作用。水平辊之间的立辊，控制每道次的入口宽度，以防止因垂直方向的压力对焊管表面造成划伤。最终，平直、圆滑的开口钢管就形成了，开口度的大小和成型的钢管壁厚和管径有关。第三步成型在第5-1架、第5-2架和第6架之间完成（图6-6)。

   成型过程中，机组的中心线必须在同一条线上，这是保证成型质量和机组正常运行的必要条件。

  2. 成型辊下辊底线

   在连续成型焊管机组中，所有下成工能取于是相等的。钢管连续成型，要求钢管底线是一条水平线。由于辊子经常要修磨再用，辊子的直径会发生变化，在重新安装辊子时，必须对其底线进行调整。

  3. 辊子表面的速度

  由于各架次的成型辊表面是互不相同的凸凹形表面，所以，成型辊转动时表面的线速度是不相同的。很明显，只有下辊的凹陷最低处和上辊凸起最高处的线速度才是带钢的运行的速度，除此而外的其他各处的线速度都会高于这个速度。因此，可能会由于成型辊的表面线速度的差异，在钢管的两侧表面引起擦划伤，这一点对辊子的选材是非常重要的。

  4. 张力的形成

  在连续成型焊管机组上，使带钢前进的驱动力是通过驱动辊和带钢之间的摩擦力产生的。为了在成型过程中形成张力，成型辊的上辊直径必须是逐架次地略有增加。当第一架上辊半径为R1时，第二架则为：R2=R1+ΔR;第三架则为：R3=R2+ΔR;第四架则为：R4=R3+ΔR·····一般情况下，ΔR=0.8mm.当所有辊子以同一转数运行时，由于辊子直径增加，其线速度就会增加，因此，在各架次间对带钢（后部是钢管）就会形成一定张力，起到拉伸矫直的用，从而使带钢能平直地运行。

  5. 成型辊材料的选择

  成型辊材料的选择既十分重要也是非常困难的事。因为带钢运行前进，要靠摩擦力，而摩擦力又会对不锈钢焊管表面造成擦划伤。采用润滑剂可以防止擦划伤，又会因为润滑剂的碳化物对不锈钢焊管焊接产生极为不利影响，而不能采用。所以，成型辊选用合适的材料来满足不锈钢焊管成型和焊接的要求，是十分重要也是非常困难的事。

    ①. 工具钢辊

    成型辊最常用的钢是工具钢，成分为：C:1.6%，Cr:12%，Mo:0.80%，N:0.85%。这是一种耐磨性非常好的钢。由于其碳含量高，对不锈钢不会产生粘结，可以用在其他材料的辊子所不能使用的环境下。

    ②. 高速钢辊

    当使用工具钢成型辊的耐磨性不能满足要求或有产生粘结趋势时，可考虑采用高速钢（C:0.8%，Cr:4.0%，Mo:5.0%，W:6.5%，V:1.0%;热处理硬度：HBW650)辊。当生产直径较细的钢管时，采用高速钢成型辊是非常合理的选择。

    ③. 铝青铜辊

   硬度为HB330的铝青铜辊是具有多种用途的成型辊，当用其他材料的成型辊，在辊子和辊子深槽处，由于辊子和带钢之间产生的线速度差引起擦划伤时，可以考虑选用铝青铜组合辊子（焊缝处除外）。

    ④. 塑料、胶木辊

    在成型压力不大时，如薄壁管、铁素体钢焊管和超低碳奥氏体钢管的成型，可采用塑料、胶木辊，代替上述辊子。塑料、胶木辊的优点是不会对不锈钢焊管表面造成擦划伤。

  6. 焊接平台及焊接挤压辊

   焊接平台是不锈钢焊管机组的关键设备，上装有焊接辊、焊接挤压辊，开安放着用来观察电弧的窗口（上装有焊接护目镜片）。焊接平台的上还安装着各种仪表、指示显示装置和控制开关。所以，焊接平台也是焊接操作的主要场所。通过焊接平台，可以将焊接辊及焊接挤压辊调整到适宜焊接的最佳位置，如图6-11所示。

  焊接平台、焊接挤压辊及挤压辊是焊接的关键设备，高质量的焊缝就出自于此，它制造精密，调整灵活自如。为了适应不锈钢焊管焊接，要求焊接辊、焊接挤压辊的上下（高低）、进出（左右），可以单独调整，也可以同时调整，如图6-12、图6-13、图6-14、图6-15所示。同时，焊接辊还有传送焊接回路（焊接电流）的作用。

七、焊缝的滚轧与锤击

  对用于火力发电、原子能发电装置中热交换器的冷凝器用不锈钢焊管，石油精炼、石油化工的工艺管线的配管等，要求对其焊道表面进行平滑处理，使焊缝与钢管本体有相同的性能。为了达到这种要求，过去曾采用焊后冷拉拔的方法来实现；现在采用焊缝的在线滚轧与锤击的方式，完成焊道的平滑处理，从而减少了投资，既省时，又省力。

  经滚轧或锤击的不锈钢焊管和未经滚轧或锤击的焊管在热处理后显微组织有明显不同，经滚轧或锤击的不锈钢焊管，在热处理后焊缝显微组织和焊管基体（母材）基本相似，能够得到所希望的延伸性能及耐腐蚀性能。可见焊缝的滚轧与锤击，是提高焊缝性能的有效方法。

  食品、医药、卫生工业和热交换器等不锈钢焊管，也要求对焊缝进行滚轧或锤击。因为食品、医药、卫生工业要求钢管内表面必须清洁光滑，消除微生物藏身、繁殖生长的场所，同时还便于清洗；热交换器也要求管内壁光滑，以防止结垢和便于清洗。

  所有焊接不锈钢管在焊接过程中，都会产生内外焊缝（内外毛刺），普通钢焊管内外毛刺通常是采用刨刀清除，但不锈钢焊管的焊缝（内、外焊缝）由于强度高，韧性大，采用刨刀清除是非常困难的。所以，不锈钢焊管的外焊缝采用滚轧或锤击后用修磨的方式清除；内焊缝，通常采用滚轧或锤击的方式将其碾平，以达到对内焊缝平滑处理的目的。实践证明，滚轧或锤击对焊缝组织的细化和外焊缝的修磨都有一定的好处，是对内焊缝进行整平处理一种行之有效的方法。焊缝滚轧（锤击）前后的形貌比较见图6-16。

  焊缝的滚轧或锤击通常只能在连续线上采用，也就是说，一般情况下，只有直径较小的薄壁焊管焊缝才实施滚轧或锤击。对大直径、厚壁管来说，内、外焊缝的滚轧与锤击不是十分必要的，即使要是滚轧或锤击，可以想象出其装置是非常庞大的，并难以实施。

  1. 焊缝滚轧和锤击的工作过程

   图6-17、图6-18是焊后滚轧和锤击装置结构示意图。

   滚轧时上支承辊在压下装置的作用下，将压力传递给焊管焊缝、内滚轧体和下支承辊上，焊缝在钢管向前移动过程中便受到滚轧，并变形，迫使焊缝金属向两侧延伸，使焊管直径有所增加，达到平整、圆滑焊缝的目的，如图6-16b所示。

   图6-17a是不锈钢焊管焊缝滚轧的内外滚轧体示意图，它由内滚轧体外轧辊及一对支撑辊组成。焊缝滚轧装置所以做成如此机构，一是了辊轧过程更稳定，另一个则是为了防止焊管焊缝对面的管壁减薄。因为，滚轧装置的上辊为一组起滚轧作用，下辊为两组起支撑作用，无疑，两组支撑一组更稳定，同时从受力作用分析，焊缝对面的管壁所受的作用力，仅是焊缝受力的一半，可以有效地防止受力的管壁减薄。内滚轧体由一根固定在机组上的拉杆将其确定在准确的位置上。内外滚轧工作辊的滚轧压力必须通过焊缝准确地施加到两个支撑辊上。焊缝滚轧装置的所有工作辊的形状，必须是能够满足焊缝在滚轧过程中沿着焊管圆周方向延伸，焊管直径会增加一定量，这是所希望的，如图6-17b所示。由于内滚轧体比较复杂，外形尺寸较大，焊缝滚轧适用于较大直径焊管焊缝的滚轧处理。内外滚轧体始终是压制作用在焊缝上，使焊缝连续得到滚轧处理，所以，焊缝经滚轧后变得平滑整齐。

   锤击和滚轧相似，是由上偏心锤击辊、内锤击体和下支承辊组成的。锤击时，上偏心锤击辊做快速偏心转动，形成的锤击力作用在焊管焊缝、内锤击体和下支承辊上，焊缝在钢管向前移动过程中便受到锤击，并变形，焊缝金属向两侧延伸，同样可以达到平整、圆滑焊缝的目的。但与滚轧相比，锤击的效果不是连续的，而是随转动的频率成断续状。

   锤击装置是由钢管内的芯棒、钢管外上面的偏心锤击辊和下面滚动的支撑辊（砧子）组成的，如图6-18所示。由于锤击芯棒结构比较简单，外形尺寸可以做的比较细小（与滚轧相比），所以小直径薄壁焊管的焊缝处理，采用锤击是比较适合的。由于锤击力是通过内锤击芯棒作用到焊缝上的，所以锤击芯棒与焊管内壁的间隙不能太大，但为了防止锤击芯棒在焊管内壁造成擦划伤，锤击芯棒与焊管内壁的间隙又不能太小，这就要求锤击芯棒的精度非常高。在锤击开始时，应切取一小段锤击过的焊管，检测其实际壁厚、焊缝尺寸及焊管形状是否合格。但焊缝不能像滚轧那样，使焊缝得到连续处理。

  2. 焊后焊缝滚轧或锤击的作用

   ①. 使外形平滑圆润，有利于随后修磨和以后使用。

   ②. 焊缝经过辊轧或锤击以后，焊缝区纵向和横向压缩塑性变形都被充分延展，趋于均匀化，这必然会降低焊件焊后残余应力和变形。

   ③. 辊轧和锤击后的焊缝表面平整光滑，这会增大焊趾过渡半径，降低几何缺口效应的影响，缓解焊趾处的应力集中，有助于提高接头的力学性能。

   ④. 焊后滚轧或锤击可使焊缝晶粒明显细化，焊缝区组织更加致密。

   ⑤. 内焊缝高度与母材一致，且均匀，可满足特殊的使用要求。

 总之，辊轧或锤击能够同时提高接头的强度和塑性，强化接头原本薄弱的焊趾部位，提高了接头的整体性能。

  辊轧（锤击）要求，滚轧（锤击）外轧辊（外锤击体）的辊型外径（D1)、钢管外径（D2)和内轧体辊型（锤击芯棒）的外径（D3)有如下的关系（图6-19):D1>D2>D3。

  如此要求，为的是让不锈钢焊管焊缝在焊接挤压过程中形成的凸起，在辊轧或锤击时，由于内、外轧体外径之差使得焊缝内外凸起有沿圆周方向延伸的空间，如图6-17b所示，达到辊轧或锤击焊缝的目的，使其变得平滑。

八、焊缝修磨

  外焊缝修磨的作用是磨削焊接时形成的焊缝余高，使焊缝向钢管表面过渡更平滑，同时也为随后的定径、矫直创造条件，如图6-20所示。但修磨量不得过大，以免使钢管的壁厚减薄而造成强度下降。修磨用砂带的粒度要小，因为粗糙的表面，在热处理后的酸洗是非常困难的。

  焊缝修磨一般采用砂带修磨，也可采用千叶轮修磨；在修磨过程中会有粉尘产生，所以焊缝修磨装置要有除尘设施。图6-21是焊缝砂带修磨示意图。

九、焊管定径

  钢管成型焊接以后，外径一般要稍微大于成品要求的尺寸。为此，焊后必须对不锈钢焊管进行定径，使其达到焊管标准要求的圆度和尺寸公差。最常用的定径方法是冷减径。冷减径的设备一般是由三对、并由单独的直流电动机驱动的水平辊和水平辊之间装有的两组立辊组成的。当焊管通过时，受到滚动压力的作用使焊管产生冷减径。在连续成型焊接机组上，只有定径辊是由单独直流电动机驱动的。定径辊的线速度要比成型焊接的线速度略快一些，为的是让焊管受到拉力作用，以便对焊管起到拉伸矫直、定径的作用。

十、焊管矫直

  在不锈钢焊管机组上，通常都设有钢管矫直装置，俗称“土耳其头”，用来矫直严重弯曲的管子，即对焊管进行初矫。这时的矫直机是两组“土耳其头”矫直机与后一架成型机组成的三点式压力矫直系统。通过“土耳其头”矫直辊的不同位置，使钢管弯曲的部位产生反向弯曲，从而消除或减轻原有的弯曲。“土耳其头”矫直机的水平辊为主动辊，由直流电机驱动；立辊为被动辊，由钢管带动着转动。焊管的精矫在焊管热处理后进行。四辊式“土耳其头”矫直机见图6-22。

十一、涡流探伤

  涡流探伤作为在线检测手段，被广泛应用于不锈钢焊管机组上。在现代钢管生产中，涡流检测是钢管质量控制的重要手段。因为，涡流检测特别适用于对钢管缺陷的检测，可使钢管检测实现高速、高效、准确、自动化及定位化。现在所有钢管生产厂大都采用涡流检测，对钢管生产进行工序质量控制和成品检验。

十二、定尺锯切

   定尺锯切由定尺传感器、锯切小车和控制系统组成。其功能为：准确定位，并快速锯截，不影响机组正常生产。定尺传感器目前大都采用数字式传感器。锯切方式有下面几种：

     1. 飞锯    锯截速度快，但噪音大，毛刺也大，适用高速焊管生产线，不锈钢焊管一般不采用此锯切方式。

     2. 带锯   锯截速度较慢，噪音小，毛刺小，适用于小直径低速不锈钢焊管生产线。

     3. 对称双圆盘锯   锯截速度较慢，噪音小，毛刺小，机构复杂，适用于大直径低速不锈钢焊管生产线。