轧辊作为焊管生产中的主要工具,其材质的选用、使用方法和维修对轧辊的寿命和经济性都有重要影响。轧辊在使用中一旦出现损坏碎裂掉块现象,一般只能进行报废处理,有的也采用激光熔覆的焊接方式进行维修,但一直达不到理想效果,使轧辊的使用成本居高不下。因此,合理选用材料和延长使用寿命,是降低轧辊成本的重要途径。 轧辊不同材质的比较及性能特点 常用的模具钢材料有5种,其化学成分对比见表1。(双击可放大) 目前高频直缝焊管生产线所使用的各类轧辊材料主要有4种:Cr12MoV(Cr12Mo1V1)、9Cr2Mo、86CrMoV7、4Cr5MoSiV1。 Cr12MoV钢是常用的优质冷作模具钢,其化学成分与韩国的STD211、日本的SKD11、德国的X165CrMoV12相当。其中C、Cr、V含量较高,材料具有良好的淬透性和淬硬性,耐磨性、淬透性、淬硬性、强韧性、热稳定性、抗压强度等得到提高,受热软化温度为520 ℃,在表层4mm以下可以完全淬透,淬火层深度20mm,耐磨性是一般模具钢的3~4倍。 9Cr2Mo钢是通用的冷轧轧辊用钢,与我国普遍使用的GCr15轴承钢相比,其成分中提高了Cr含量并增加了Mo元素,从而增强了材料的淬透性和淬硬性,淬火层比GCr15钢要深2~3mm,耐磨性提高15%左右,比较适合用于HFW管生产线轧辊的制造;淬火硬度58~62 HRC,淬火层深度13mm。 86CrMoV7钢是近年来新开发的轧辊材料,属于锻钢冷轧轧辊用钢。与9Cr2Mo钢相比较,86CrMoV7钢的成分中Cr含量稍有减少,但同时增加了V元素的含量,其淬透性、淬硬性和耐磨性进一步改善,淬火层比GCr15钢要深5mm左右,耐磨性提高了近30%,因此更加适合用于HFW管生产线大规格轧辊的制造;淬火硬度58~62 HRC,淬火层深度15mm。 4Cr5MoSiV1是通用的热作模具钢,与美国的H13和日本的SKD61差不多,其性能和用途与4Cr5MoSiV钢的基本相同;相比于国内常用的3Cr2W8V热作模具钢,其整体性能更加优越。主要表现在硬度高、抗热裂性能好,一般淬火硬度可达50~54 HRC,广泛使用在除承受巨大的机械应力外还要承受反复受热和冷却作用而引起很大热应力的场合;因此,4Cr5MoSiV1钢目前普遍用于HFW管生产线的上挤压辊制造。 轧辊不同材质的经济性及合理选用 对HFW管生产现场使用的3种材质轧辊的使用情况及寿命进行了统计分析,结果见表2。(双击可放大) 从表2可以看出:86CrMoV7轧辊使用寿命和损坏频次都要优于9Cr2Mo轧辊,但较之Cr12MoV材质轧辊稍差。Cr12MoV材质轧辊在使用的10年期间出现2次碎裂现象,而86CrMoV7和9Cr2Mo两种材质轧辊在使用的8年期间共损坏9次。 HFW管生产线轧辊的损坏主要集中在精成型上下辊、侧挤压辊和定径水平辊。精成型上辊(组合件,容易损坏,故以此为例)平均质量1.5吨,Cr12MoV材质轧辊单价9万元/吨,维修两次2万元,合计费用为15.5万元,寿命10年,折合后单个轧辊生产1万吨钢管成本约5500元;86CrMoV7或9Cr2Mo材质轧辊单价4万元/吨,维修4次4万元,合计费用为10万元,寿命8年,折合后单个轧辊生产1万吨钢管成本约4167元,费用比Cr12MoV材质低。轧辊的主要损坏形式为边缘崩裂,而不是正常的磨损损坏,因此Cr12MoV材质的高耐磨性无法体现出来,与86CrMoV7或9Cr2Mo材料相比无明显优势。而86CrMoV7或9Cr2Mo材质单价费用约为Cr12MoV材质的一半,其一次性投资减少50%,而且这些轧辊材料已具备较好的耐磨性和硬度;因此选用86CrMoV7或9Cr2Mo材质,其经济性更加明显。 轧辊的损坏形式与应对措施 HFW管生产线轧辊损坏的形式主要是正常磨损和崩裂掉块两种。 正常磨损:轧辊在使用中一般定期使用孔型板进行检测,其磨损量一旦**过限定范围就报废并更换处理。为减少轧辊的磨损量,调型时可采用合理的孔型和各架次适当均衡的挤压量等措施来保证,同时在轧辊拆下待用时作清洁处理并涂防锈油保养,以减少轧辊表面锈蚀轧辊边缘崩裂掉块: (1)精成型轧辊:采用四辊成型时精成型上辊的内边缘容易崩裂掉块损坏,这是因为精成型上辊采用的组装式结构,在焊管成型过程中轧辊中间接近导向片处的凹面受力较大,较容易出现崩裂掉块。目前此类损坏现象较常见。在轧辊内边缘崩裂损坏后,可将轧辊损坏的内边缘切削掉厚度约为40mm的圆环(内径500mm,外径580mm),再加工出相同尺寸的圆环,经热处理后热套在轧辊上。由于在成型时精成型上辊的受力是由内到外,因此对圆环的受力无太大影响,从而使得轧辊整体寿命得到延长,使用效果与新轧辊相差不大。 采用两辊成型时精成型轧辊的外边缘容易崩裂损坏,主要原因是在钢管成型过程中受到钢管高钢级大壁厚的影响而受力过大造成,或因3个成型机架的减径量分配不均衡引起。此种损坏无法修复,但可适当增加边沿厚度来增加其强度。 (2)侧挤压辊:侧挤压辊上部边缘崩裂掉块损坏的原因是:成型焊接调整时的焊接挤压力过大,或两侧进给量不均造成;轧辊在生产中承受交变应力,尤其是带钢接头焊缝处**管体母材,导致焊缝通过时压力成倍增加,致使轧辊边沿崩裂。对于侧挤压辊受力过大造成的上部边缘损坏情况,可通过适当增厚轧辊上部结构来增加其强度,从而延长使用寿命。 (3)定径辊:定径水平辊边缘崩裂损坏的主要原因是:生产线在调型引料时各架次未调整到位,导致焊缝扭转偏斜,正好处于定径水平辊的边缘,对接管或停机管处的残留外毛刺会挤压在轧辊边缘,造成轧辊边缘受力过大而崩裂。这种损坏无法修复,需要在调型时保证焊缝不偏斜,才能避免轧辊损坏。 轧辊加工缺陷损坏 轧辊在加工过程中,如果在材料锻打时未发现其内部裂纹缺陷,导致在使用过程中轧辊受力后崩裂。要避免这类问题,需在轧辊锻造和热处理工序后进行探伤检测,发现有裂纹后立即停止后续加工,以免有缺陷的轧辊投入钢管生产。 目前国内HFW管生产线的轧辊材质若采用Cr12MoV,则每套的费用约为400万元;若采用86CrMoV7或9Cr2Mo,则每套费用约为200万元。尽管Cr12MoV材质轧辊的整体性能、使用寿命要优于86CrMoV7或9Cr2Mo材质轧辊的,但是考虑到企业的资金成本、产能和实际使用的损坏情况,86CrMoV7或9Cr2Mo材质轧辊更符合企业的实际生产需要,其良好的性能和相对便宜的加工费用,将减少企业的资金占用,经济性优良。而在这两种材料中,综合来看,选择86CrMoV7更好。 在轧辊使用上通过维护保养和平衡分配各架次受力来降低轧辊的自然磨损和异常损坏,对精成型上辊内侧边缘和侧挤压辊上边缘的崩裂掉块情况,可通过轧辊内边缘镶环修复和侧挤压辊上边缘增厚来延长轧辊使用寿命,降低生产成本。
2015年焊接钢管产量在100万吨以上、200万吨以下的省份有山西、新疆、广东、福建和河南,产量分别为161.3万吨、154.4万吨、150.2万吨、141.7万吨和116.3万吨。其中,福建省产量增加较多,比上一年增加了35.8万吨,增长率高达33.8%;河南、山西焊管产量各自增加8万吨左右,增长率分别为7.6%和4.9%。去年焊管产量较上一年增加10万吨以上的省份还有上海、重庆和安徽,增加量分别为24.9万吨、13.0万吨和12.9万吨;四川、云南、吉林等省的焊管增加量均在5万吨以上而低于10万吨。
焊趾处易形成应力腐蚀裂纹
对接接头的应力集中主要是焊缝余高引起的,对接接头的焊缝,其焊趾处的应力较大。
应力集中系数的大小取决于焊缝余高h、焊趾处夹角θ和转角半径r。焊缝余高h增加,则θ角增加,r值减小,会使应力集中系数增大。
焊缝的余高愈大,应力集中程度愈严重,焊接接头的强度反而会降低。焊后削平余高,只要不低于母材,减少应力集中,有时反而可以提高焊接接头的强度。
外焊缝余高大,不利于防腐
作业时如采用环氧树脂玻璃布进行防腐,外焊缝余高大,将使焊趾处不易压牢。同时,焊缝越高则防腐层就越应加厚,因标准规定防腐层的厚度是以外焊缝的**点为基准测算的,这就加大了防腐成本。
螺旋埋弧焊时往往容易出现“鱼脊背形”的外焊缝,这就更难保证防腐的质量。因此,调整好焊头的空间位置和焊接规范,减少或消除“鱼脊背形”的外焊缝也是很重要的。
外焊缝余高大,影响水压扩径后的管形
直缝埋弧焊管在水压扩径时,是通过内腔与钢管扩径尺寸一致的左、右2部分外模将钢管包住的。因此,焊缝的余高过大,在扩径时焊缝承受的剪应力就大,焊缝两侧就易出现“小直边”现象。
但经验证明,当外焊缝的余高控制在2mm左右时,水压扩径时不会出现“小直边”现象,管形不会受到影响。这是因为外焊缝的余高小,焊接接头所承受的剪应力也小。只要这种剪应力在弹性变形范围内,卸载后产生回弹,管子就会恢复原状。
内焊缝余高大,增加输送介质的能源损失
输送用埋弧焊管内表面若未做涂层防腐处理时,其内焊缝的余高大,则对输送介质的摩擦阻力也大,由此将使输送管线的能耗增加。
2焊缝余高的控制措施
壁厚较大的钢管应开坡口
对于壁厚大于14.3mm的钢管,应开X形坡口并预焊。如预焊条件不成熟,则应在内焊后用气刨清根,或砂轮自动磨削清根,或铣削清根等方法,将外焊缝在未焊之前加工成U形槽再进行焊接。
调整好焊接线能量
检查焊接线能量是否合适,一般用焊接接头的酸蚀样来检查。一是检查内外焊缝的重合量的程度,二是检查焊道腰部的宽窄。对重合量的规定一般是大于1.5mm,但笔者认为内外焊缝的重合量以1.3~3.0mm较合适,若**过3.0mm就说明线能量大了。
线能量大,不仅仅是熔深大,而且焊缝余高也大,如不开坡口或U形槽,焊缝余高就更大。这是因为焊接线能量越大,单位时间内熔化的焊丝必然增加。对于高强钢,焊接的线能量更应严格控制。焊接高强度钢板时,为了降低每层的线能量,一般采用多道焊(2道以上),且应使焊缝的形状系数在1.3~2.0 mm内。
多丝焊时宜采用较细的前丝
采取多丝焊时,如原外焊三丝直径的匹配是4mm+3.2mm+3.2mm(DC-AC-AC),则前丝改为Ф3.2mm较好。因为在采用相同电流的情况下,使用Ф3.2mm的焊丝比使用Ф4mm的焊丝熔深大。也就是说,前丝采用Ф3.2mm的焊丝,即便降低一些线能量,也可以达到采用Ф4mm时同样的熔深效果,这是因细丝比粗丝的电流密度大所致。
经验证明,在其他条件不变的情况下,采用Ф3.2mm的前丝要比Ф4 mm的前丝熔深大20%左右。这在外焊不开坡口或不刨凹槽时所减少的外焊缝余高效果更明显。
但是,当焊接壁厚大于14.3mm的钢管而需要前丝电流在1000A左右时,应采用Ф4 mm的前丝,否则就可能影响到电弧的稳定燃烧。
螺旋焊必须调整好内外焊头的位置
螺旋埋弧焊管在内焊时应调整好内焊头的位置,尽量减少或消除“马鞍形”内焊缝;在外焊时,也应调整焊头的空间位置,尽量减少或消除“鱼脊背形”的外焊缝,这主要是靠对外焊焊点的偏中心值调整来实现。不同口径的螺旋焊管,其外焊焊点的偏中心值是不同的。
3注意事项
(1)对于埋弧焊管的对接焊缝,一是余高要小,二是要使焊缝圆滑过渡以及焊缝的转角半径要大,否则在焊缝应力集中部位的焊趾处就会产生应力腐蚀裂纹。埋弧焊缝的余高控制在2.5mm以下较为合适。
(2)螺旋埋弧焊管在内焊时,要精心调整好内外焊缝的空间位置,使其内焊缝尽量减少和避免出现“马鞍形”,外焊缝不出现“鱼脊背形”。建议在制定输送用螺旋焊管标准时,对内焊缝的“马鞍形”应有相应的规定。
焊管产量增长更加温和的200万吨级省份江苏,2015年的产量为210.0万吨,比上一年仅增加3.3万吨,增长率为1.6%。由于焊管产量增长缓慢,2014年在国内排名*五的江苏省2015年被排名*七的陕西省以217.0万吨的产量追赶而屈居*六。陕西省焊管产量较上一年增加45.2万吨,增长率高达26.3%,成功跨入焊接钢管年产量200万吨级以上省份,并因此而跻身国内焊管产量排名**。
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