钢管矫直原理—— 扫盲贴

龙九禅师

钢管矫直原理——
2 Y8 t* V6 v6 _' ?- h+ j! M矫直是ERW钢管生产中的重要工序。特别是API标准的石油套管和油气管，精度要求较高的辊道管，机械设备专用管，不但在钢级和焊缝质量上有严格的要求，对钢管的直线度也有很高的要求，因为直线度的偏差直接关系到油套管和输送管的管端螺纹和管箍的加工，连接。现有管端车丝的两种加工形式——管子旋转和刀具旋转，大多数车丝加工采用的是管子旋转，这对于钢管的直线度就要求更高。
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《套管和油管规范》API—5CT标准，《管线管规范》API—5L标准规定：钢管直线度偏差不超过总长度的0.2%；
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8 g8 J" k0 U* V《直缝电焊钢管尺寸规格》GB/T13793—1992标准规定：外径大于16mm的钢管，弯曲度≤1.5mm/M。《直缝电焊钢管尺寸规格》GB/T13793—1992标准是一般用途直缝焊管的基本标准。

谈到钢管矫直，我们首先要弄清楚，钢管为什么会弯？许多人会觉得：这个问题还用说吗？其实，要真正弄清除钢管为什么会弯，这个问题还真不简单。导致钢管弯曲有许多原因，比如焊缝的热影响，轧制时的偏心，还有压紧力，弯曲力的不平衡等等。但是从根本上来说，弯曲都是钢管内应力的作用，简单地说，弯曲就是应力不均衡。那么，直的钢管是不是就没有内应力呢？不是。直的钢管也有内应力，只是直管的内应力相对均衡抵消了。

内应力是一种什么东西呢？内应力是物理力学上的说法，它的本质，是材料受温度，外力影响而产生变形时的一种分子之间的相互作用力。钢管在成型，焊接的时候，也会受到焊接温度，成型弯曲这些外力的影响而产生内应力。钢管的截面是一个环形，在这个环形面积上会产生二种基本应力：与环形平行的力和与环形垂直的力。平行的应力会使得管子不圆；垂直的应力会使得管子弯曲。

我们来看看液压六辊矫直机的工作原理：

需要矫直的管材从机器的左端(或右端)的进料装置上被送入矫直机的下辊上，上辊下行使其压住管材，到相应的位置后停止。上下辊系分别与被矫直的管材的轴线倾斜一定的角度，辊子的双曲线型母线与管材的外径相吻合，呈包络状。三个上辊在各自液压缸的作用下压在管材上，两个下辊子分别由各自的液压马达驱动旋转，带动管材既绕轴线旋转又沿轴向移动。改变液压马达的旋转方向即可改变管材的旋转方向和轴向移动方向，实现可逆式矫直。然后将被矫直的管材通过另一端的出料装置送到物料架上。对局部弯曲变形较大的管材，可利用两端的冲头先进行局部矫直，然后再进行整体矫直。

; U) I* V+ Q0 y& ]* Q# u6 ~学过初等数学的都知道：三点成一线。可是，如果我们用三点成一线的办法来矫直管子，管子并不能被矫直，被你压直了还会弹回来，这是由于钢管内应力的关系。我们在矫直钢管时只能用矫枉过正的办法来矫直钢管，就是说，只有对弯曲的管子施加大于应力但是方向相反的力量，才能完全消除掉原有的应力，使管子变直。矫直机就是使管材通过多次弹塑性弯曲变形实现对管材的矫直的。
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) N2 ?- ]/ r) [: z+ u! {. o钢管的矫直有二种基本方式：直线式矫直和旋转式矫直，这二种方式本质上都是通过消除内应力的原理来矫直管子的，不过它们之间在用途和矫直方式上有很大区别。在ERW钢管生产中，这二种方式一般都在生产设备中配置，直线式矫直采用土耳其头和直线式矫直机，旋转式矫直则采用辊式矫直机。这二种矫直方式各有自己的用处，但其作用对象和工作原理有很大的不同。

土耳其头和直线式矫直机一般用于还没有被定尺切断的钢管的在线矫直。ERW钢管在高频焊接后，会因热效应或成型偏向发生方向性弯曲，要矫直这种方向性弯曲，需要进行单向矫直，单向矫直时不能使钢管发生扭转，因而也不能矫正钢管的扭转。土耳其头一般都设在定径精整之后，定径精整由三到四道机架组成，每一道定径和精整都需要极大的挤压力，这种挤压力正好能在径向固定钢管，防止它发生扭转，二道土耳其头与最后一道精整组成了直线式矫直的三点。土耳其头对管子施加压力的方向可以在360°内任意调节，当弯曲的钢管被强制通过土耳其头时，只要针对钢管弯曲的方向来调节土耳其头，在这三点之间形成一个反向弯曲的挠度，土耳其头强大的反向力使管子弯曲的内应力被消除，钢管被矫直。

土耳其头在矫直钢管时有三点要求：

6 W! H* n; G4 b, `第一，正确确定钢管弯曲方向，按弯曲方向调整土耳其头的辊压方向。为能正确地确定钢管弯曲方向，需要在最后一道精整机架与土耳其头之间有一定的距离，如果离得太近，就会很难确定弯曲方向。这个距离的确定与管子的外径有关，一般需要根据管子的外径和两道土耳其头之间的间距来确定。

* I* e$ Y; b1 h6 K第二，正确设定矫直支点之间的间距，土耳其头矫直的三个支点分别是：定径精整的末道机架和二道土耳其头，一般要求这三点的间距能均分布置。有一些机组制造厂家不了解这个道理，往往为了缩短机组长度，将二道土耳其头靠紧在一起布置，而离最后一道精整机架却很远，这就会影响土耳其头与精整机架形成合理的矫直挠度。二道土耳其头之间的间距可以比土耳其头与精整机架的间距近些，但不宜太小，甚至紧靠着。土耳其头矫直的间距设置需根据管径来确定，管径大的间距应大些，管径小的间距则应短些。因为成型机组都需要生产包含一定规格范围的管材，如果能用导轨将土耳其头设置成可以调节间距的形式，那就较为合理了。

5 u+ {, A' b' B7 x( D& L第三，正确调整土耳其头反向弯曲的挠度。不同的管径，不同的壁厚，不同的钢级，不同的弯曲度，在产生弯曲时的内应力有很大的差别，因而在矫直时需要不同的矫直挠度，理论上可以近似地计算，但主要是需要我们在生产实践中认真积累，加以掌握，同一钢级，同一规格的钢管，也会由于钢质，成型等因素的变化而造成不同程度的弯曲。
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辊式矫直机的工作原理与土耳其头是不同的。它能使钢管矫直的原理不象土耳其头那样单一地靠反向过弯。比如常用的六辊式矫直机，它在矫直时有两个力同步地作用于管子：一是轴向的弯曲力，二是圆周的压扁力。六辊式矫直机使钢管在旋转中径向受到强大的压力，让管子在径向和轴向都产生一定量的塑性变形。径向是通过调节上下辊的压力，来实现钢管的矫圆；轴向是通过调节中间辊的高度形成弯曲挠度，来实现钢管的矫直。六辊式矫直机一般用于已经被定尺切断的钢管矫直。在实际生产中，由于成型，焊接，切断等多道工序的影响，钢管会产生螺旋弯曲，多向弯曲等复杂的弯曲状况，要消除不同方向的弯曲，就不能采取直线式的矫直方法了，如果我们要针对弯曲方向来矫直切断后的钢管，钢管就很难固定，假如这根管子弯曲不是一个方向，那就更难办了。要达到矫直的目的，需要用专门的夹具加以固定以防止圆周偏转，这一段直了，还得转过一个角度再矫直，这就很难操作了。

六辊式矫直机由三对相对滚动的斜辊组成三个矫直支点，这三个矫直支点之间的间距不是随便定的，它要由所矫直管材的管径来确定。同样，是管径大的间距应大些，管径小的间距则应短些。由于六辊式矫直机的工作原理是通过塑性变形来矫直钢管的，这就需要很大的力量，所以旋转式的矫直机一般都只能用来矫直φ180mm以下直径，8mm以下厚度的钢管。即使是用来矫直φ180mm×8mm的钢管，矫直机自身的重量就已超过40吨，功率超过120Kw。直径在φ180mm以上的钢管，一般在12米基本定尺长度内不容易弯曲，一旦需要矫直，只能是另外设置专门的液压矫直平台来压直它。
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旋转矫直，其矫直性能的好坏在于合理科学的设计，我们作为使用者，也需要了解它的矫直原理。
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影响六辊式矫直机矫直钢管的因素一般有以下四点：

⑴  合理的辊型曲线

* q/ p# h4 ^9 H5 w矫直机的辊型曲线是一条包络线。它应该包络所矫直管径的范围，理论上应该是一条双曲线。任何包络线都是有一定范围的。例：现需要矫直范围为φ114~φ180之间的所有规格的钢管，矫直辊角30°，如果辊型曲线在矫直最大管径φ180时有三分之一圆周的接触长度，那就有188mm的接触长度，而用同一对辊矫直φ114管子时，其接触长度则变为仅有一个点，辊子边缘离开φ114管子有0.2mm的间隙。一般来说，管径包络的范围越大，矫直性能就越差。为什么呢？因为在矫直过程中，辊型曲线与管子外径需保持一定的接触长度。
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/ X& g  [$ Z1 _# I* F接触线有两个作用：第一个作用：当矫直中间辊向上调节时，使管子在形成矫直挠度，接触线长度很小或只有点接触时，矫直挠度曲线将变得很陡，这使得管子只能在很短的长度内产生塑性变形，无法在较长间距内消除应力；第二个作用：当三道矫直辊全部压下时，管子在旋转中径向产生塑性变形，接触线越长，径向压力越均匀，塑性变形面积就越充分，钢管圆度就越好。由次可见，合理的辊型曲线是矫直性能的保障，接触线长度越长，矫直性能就越好；接触线长度越短，矫直性能就越差。

& w) W" {& N+ O" M7 N, m8 j近来有学者根据包络理论深入研究了辊形曲线，认为钢管在矫直过程中并不是圆的，所以双曲线的辊面曲线与管材的接触线太短而且不充分，不适合高精度矫直。已经有新型的矫直机出现了渐开线曲线，准双曲线型和深浅凹型复合曲线等，这也反映了即使是在传统行业中，技术进步也是随着时代而发展进步的。
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矫直机经过一段时间的使用，辊面会造成磨损，从而改变了辊形的曲线，影响矫直效果，所以必须定期对矫直辊进行修正。
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0 _, n2 [8 E6 ]7 I( e- d& U1 w⑵  合理的辊间距

三对矫直辊的间距，需要根据管子直径的大小来确定。每对矫直辊与管子的相对旋转运动形成一条螺旋线，辊子的压力使管子产生的塑性变形会使管端失圆，为了避免这种情况的产生，三对辊的间距布置需要保证三条螺纹线之间有均匀分布的相位差，理想的状态是成圆周120度的分布。但实际上当管径大小变化而辊间距不变时，三道辊的辊压螺旋线的相位将发生很大的改变，以φ180管为例：当辊间距为1050mm时，设定φ180管的相位差为0°/78°/155°；当辊间距1080mm时，φ180管的相位差变为0°/110°/220°；当辊间距1100mm时，φ180管的相位差又变为0°/133°/266°。

辊间距的设定需要根据管径来确定，一般来说，辊间距越小，所需要的矫直力越大，但却越有利于矫直。在实际上，矫直辊受到尺寸和位置的影响，不可能将间距做得很小，我们只能根据实际生需要的管径来确定间距。不过矫直辊之间的间距绝不能做得太大，过大的间距会使小规格的管子发生末端的离线弯曲。

⑶  合理的辊压角
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! R# j6 h3 K& e1 T% ^不同的管径矫直时需要调节矫直辊的角度，以保证不同管径在矫直时都有较好的辊压接触线。在设计时以最大管径为基准，设定一个基准角度，一般取30°左右，当管径依次递减时，辊角逐步变小，这种角度的调节是微量的，一般取2°到3°左右。辊压角度的调节要求有同一性，如果三对辊的辊压角不一致，将会因此而造成各道向前送的力不同而影响矫直效果，并会对管子表面造成擦伤。如果矫直压力很大，还会使管子发生较大的缩短。

5 V# `! a) N0 X5 h9 p" j目前已有的矫直机组中，辊角的调节都是采用分别调节的方式 ，分别调节导致同步性比较差，影响矫直效果。如果要使钢管能准确地矫直，必须从同步调节这一个根本环节上着手来解决这个问题。现在有些钢管矫直机组采取了多道次矫直的方法，由三道增加到五道甚至七道，这样的设计对于合理分散辊角的相位是有好处的，可以有效避免管端的失圆情况，也能提高一些矫直的精确度，但其矫直原理与通用的矫直机是同样的。多道次矫直的调节相对于通用的矫直机要困难些。

7 {' K" n( e0 d  k* N（4） 合理的矫直挠度

矫直挠度就是矫直中间辊向上的调节量。矫直中间辊可以向上调节，这是为了形成合理的矫直挠度曲线，当弯曲的钢管在旋转中进入矫直辊时，被强迫按照这挠度曲线弯曲，与挠度曲线相同的弯曲面基本不受影响，而与挠度曲线相反的弯曲面则受到反向的力而被消除应力。如上例：当矫直辊按30°角布置，管径φ180时有三分之一圆周的接触长度（188mm），辊间距为1050mm，钢管通过这三道矫直辊时将旋转近4圈，即按挠度曲线弯曲4次，一般认为，普通钢级的钢管有3次弯曲就可以消除应力，达到矫直的效果。必须注意：中间辊顶得越高，挠度曲线就越陡，矫直力就越大，但是有效矫直长度将缩短，所以不能将中间辊调得很高。在实际生产中，特别是我们需要生产如X60以上的高钢级管子时，可能会出现一次还不能矫直，需要矫直两次的情况。

六辊式矫直机的工作原理需要我们所有的操作人员真正地理解，同时更需要我们在生产实际中掌握调节量。工人常常会因为不了解矫直机的原理，不能针对管子的弯曲度而盲目地去调整中间辊的位置，破坏了三对辊之间合理的挠度曲线，矫直时就会时好时坏，直了不知道为什么能直，弯了也不明白为什么矫不直。
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影响矫直辊调节的因素，除了操作不当以外，还有很重要的就是上矫直辊调节丝杆与螺母付之间，矫直辊与轴之间有了磨损间隙，当这种间隙达到一定的许可范围，操作者就很难准确的调节压紧的力量，所以必须对设备之间的磨损间隙经常检查，及时更换和修理调整。
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钢管矫直调整原理：

$ D9 g5 {8 @6 O一，            管子朝焊缝同一方向弯曲
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原因：焊缝正火处理不充分，管子靠焊缝一侧存在热应力，因而在冷却后发生朝一个方向的弯曲。

( ~/ ?7 r* s/ p$ _$ U" `解决办法：1  调节中间辊，适当加大挠度曲线；2 两次矫直；3 在无法直接矫直的时候，管子整体回火。

/ G% [( n* t4 V' P二，            管子无规则弯曲

原因：1. 三道辊之间的压力不一致；2. 矫直辊磨损较大。

解决办法：检查调整上矫直辊是否松动，用样棒校直三道之间的接触线长度。

! o) b& ~# |% V' U' g三，            管子的长度缩短较大
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: U& R, t- q& r# v6 f( t2 l原因：三道矫直辊之间的辊压角度相差太大;矫直压力较大。
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解决办法：调整辊压角，尽可能做到一致；适当调整矫直压力。
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' |- t3 g6 n/ f四，            管子的一头弯曲
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8 @! D9 U% Z& i" X原因：辊与辊之间的间距太大。
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解决办法：选用适应相应管径的较小间距的矫直机。

, c3 p7 V% ]" |& ?% E7 A2 D五，            管子头部不圆
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原因：三道矫直辊之间的接触相位分布不当或重合，辊压力太大。
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解决办法：适当调整辊与辊之间的角度，调节辊对管子的压力。

% P& L: G/ _8 T随着科技的进步发展，已有更多的新技术在钢管矫直机上得到应用。如某公司改进并得到应用的七辊型式矫直机，型号为３-１-３钢管矫直机。它应用了与通常六辊矫直机完全不同的结构形式，解决了矫直辊组在圆周方向的调整问题。特征在于，主动辊用调整斜铁来调整其上下高度，从而使三个矫直辊在圆周１２０°方向上都可作径向调整，而矫直中心线则始终保持不变，优点在于，结构简单，易于调整，被矫管材在圆周上受力均匀。因此，矫直精度高，质量好，且适用规格幅度大。


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矫直缺陷的原因及处理措施
8 T/ ]8 l1 |8 n4 |缺陷种类        产生原因        消除方法
螺旋形矫凹        1、  角度小；
- ^' C  _/ z/ X9 Y( y2、  孔型磨损不均。        1、  调整角度；
! T- \/ b8 Y% h% i7 S0 ?7 v2 _) s2、  加大角度，减小压下量或更换辊子
1 e* K! \/ P: l" P+ s/ V螺旋形压痕        角度过大        减小角度
钢管直径增大
6 x4 X7 d5 T; H或减小        1、  辊子角度大小不一致；
2、  辊子速度不一致。        将角度调整一致，更换大小一致的
辊子
( y9 I1 @# O& {1 b( V. ?椭圆度        压下量过大        减小压下量
钢管不咬入        1、滚道与入口高度不一致；
2、第一对辊子角度不一样；
, S1 W3 m" {# L5 c7 w1 O3、  管子前端弯曲大。        1、  调整滚道高度；
2、  调整达到一致；
3、  弯曲度太大不矫（>30mm/m）。
" {/ |+ Z: X9 \管子咬入后停
; L3 j$ c; v1 k: F5 v, N上不前        1、  第一对辊子压下量过大或过小；
2、第二对、三对辊子压下量子过大；
3、管子后端有硬弯；
! `0 y& K# k" ]" ^4、第一对辊子调整不当。        1、  适当调整压下量；
" u$ F1 \5 O" p6 c1 N% X2、  减小二、三对辊子压力；
3、  管子缺陷不得超出允许范围；
4 I: i- n& M. g( h; C4、  调整角度。
; _! m8 X1 q9 O矫不直        1、  前端不直；
/ M2 d6 X# d, _  J2 w2、  后端不直；
  s( i  [7 K8 A0 Z  @1 p" ]% z3、  中间不直。        1、调整第三对辊子压下量和角度；
  l" {; K* [# F; w2、调整第一对辊子压下量和角度；
3、调整第二对辊子压下量和角度。
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老鹰

龙酒写那么多，是不是原创啊^_^

WUHANLIST

学习了！

互通有无

专业水平

liujiaoce

俺也扫扫盲。

把刀用好

矫直是个技术活，技术好的跟差的不管是质量还是数量差很多的。

garyguo501

说的挺好 挺多

李泽

支持下，希望多多扫盲，多出精品。

逸宇

我钢厂的刚好能用到

常青藤001

支持下