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《燕山大学》 2018年
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大型直缝焊管三辊连续矫直工艺研究

王春鸽  
【摘要】:伴随全球范围内石油天然气开发向非常规油气资源的转移,偏远且日益恶劣的开发环境对管道建设提出了更高的要求。大型直缝埋弧焊(Longitudinally Submerged Arc Welding,LSAW)管以高质量的宽厚板为原料,辅以合理的成形工艺和焊接方法,特别适用于长途油气管运输以及在严寒地带或深海底辅设管道的要求。受成形设备、焊接热应力等因素的影响,矫直是大型直缝焊管生产中的一道必要工序。目前生产企业多采用“拉线定点、经验定力”的传统三点弯曲模压矫直方法。由于缺乏理论指导,传统矫直工艺的矫直精度较低,矫直效率难以保证。因此,市场需求亟需焊管企业进行技术革新,提高产品质量及生产效率,进而提高中国制造的品质。针对传统工艺矫直精度高度依赖于操作者经验的问题,本文首先基于小曲率平面弯曲弹复方程,提出了对称截面平面曲梁纯弯曲过弯矫直理论,指出了过弯矫直工艺的实质是基于过弯矫直理论的理论矫直弯矩的加载过程或理论矫直曲率的实现过程,并据此分析了现有三点多次模压矫直工艺和多点一次模压矫直工艺的矫直机理。针对模压矫直工艺均未实现理论矫直弯矩完整加载的问题,提出了大型直缝焊管三辊连续矫直新工艺,并根据管件环形截面特征,给出了基于初始曲率分布的平面挠曲管矫直所需的理论矫直弯矩分布计算公式,为新工艺的矫直载荷计算提了供理论指导。基于三辊连续矫直工艺特征及其装置特点,提出了基于激光位移传感器的挠度检测方法,并建立了基于局部挠度分布的整体挠度计算模型。对弯曲管件挠度在线检测和三坐标测量仪测量的实验研究表明,新型挠度检测方法获得的整体挠度误差小于3.50%,满足工程应用,且特别适用于长度超过10m的大型平面弯曲轴管件直线度的在线检测和离线检验。为了准确计算挠曲工件的直线度,建立了有约束条件的的分段曲线拟合算法,并确定其中间曲线段拟合多项式的最优阶次为10阶。为了通过矫直辊的孔型设计限制矫直过程中的截面变形,提高理论矫直弯矩的预测精度,对薄壁管矫直过程中的截面畸变进行了研究,建立了曲梁弹塑性弯曲过程中的截面畸变预测模型,并对不同初始曲率大小和不同相对厚度的管件进行了四点弯曲工艺的数值模拟和物理实验,验证了预测模型的可靠性和适用性。依据截面畸变预测模型,确定矫直辊型宜遵循等径孔型设计原则,即矫直辊孔型应该等于或略大于待矫管件的外径。针对企业生产的直线度超标的大型直缝焊管实例,建立了四种曲率计算模型,分析了辊型和跨距的确定原则。并基于数值模拟技术,建立了压弯模型和辊压模型,通过矫后管件的直线度和截面椭圆度分析,验证了等径孔型辊型设计原则的可靠性,给出了跨距估计的经验公式,并确定了低阶简单拟合曲率计算模型和局部均化曲率计算模型的合理性。焊管实例的有限元分析表明,采用合理的工艺参数,矫后管件的直线度可以控制在1.5‰以内,截面椭圆度控制在0.5%以内,均满足标准要求。最后,建立了大型直缝焊管三辊连续矫直实验系统,该系统包括机械系统、电液控制系统和检测装置三部分,可以同时实现挠度检测和连续矫直两个功能。通过多规格挠曲管件的连续矫直工艺的数值模拟和物理实验研究,确定低阶简单拟合曲率计算模型为最优初始曲率计算模型,并将实验挠曲管件的直线度修正到1.50‰以内,证明了新工艺的可行性和可靠性。据此,进一步建立了基于初始曲率分布的整体挠度控制策略,并开发了矫直工艺分析软件,为实现新工艺的智能化控制奠定了基础。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TE973.8;TG457.6

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