UOE機組C型預彎機承載能力分析

全基哲，陳 軍

(寶鋼研究院，上海 201900)

0 前言

隨著材料科學和冶金技術的進步，管線工業正在朝著高輸送壓力和大輸送流量的方向發展。管線鋼管的強度要求越來越高，管壁越來越厚，直徑越來越大，極大地促進了管線鋼管制造技術的發展。在世界上第一套生產大直徑直縫埋弧焊管的UOE機組面世20年來，以日本為代表的一些工業發達國家和地區，競相發展被譽為世界上最先進的UOE大直徑直縫埋弧焊管制造技術。

UOE是鋼管成型工序U-forming、O-forming和機械擴徑mechanical Expanding的縮寫。UOE成型工藝如圖1所示。

圖1 UOE成型示意圖Fig.1 Shaping diagram of UOE

1 有限元分析模型

1.1 預彎邊機結構

預彎邊是為消除管筒直邊段以確保得到橫斷面為正圓形的管坯、降低后繼O成型力、改善O成型過程中板邊與模具表面接觸狀態而采取的成型前的準備工序，也是保證最終焊管焊縫區域幾何形狀和尺寸精度的一個重要工序。C型預彎邊機結構如圖2所示。

圖2 C機結構三維實體圖Fig.2 3-D stereogram of C type pre-bending machine

C型預彎機由左右兩側C型機架組成，每側C型機架則由上機架、中間機架、下機架組成，各機架之間通過通過高強度預緊拉桿連接，共包含5根粗拉桿、5根細拉桿、8根橫拉桿，C型預彎機在彎邊過程中產生的彎邊力通過彎邊模具和液壓缸傳遞到上下機架上。C型預彎機其形狀比較復雜，且結構非常龐大，受制造條件的限制，在制造C型預彎機時難免會出現各種制造缺陷，如裂紋、組織疏松等。本文中利用有限元方法模擬，C型預彎機在預緊拉桿的作用下各機架的應力分布，并對比分析C型預彎機在彎邊過程中應力分布的變化，從而評估C型預彎機的承載能力。

1.2 有限元模型

圖3為C型預彎機有限元模型示意圖，根據C型預彎機的結構及載荷對稱關系，對C型預彎機的一半進行有限元模擬，為了保證計算精度，模型采用8節點六面體單元劃分網格。表1為有限元模型中各部件之間的接觸關系表，共包含8個接觸對。

表1 有限元模型接觸表Tab.1 Contact list for finite element model

圖3 C型預彎機有限元模型示意圖Fig.3 Diagram of finite element model of C type pre-bending machine

1.3 載荷施加方法

C型預彎機在裝配時通過豎向和橫向的18根拉桿預緊連接，預緊力始終作用到機架上，因此在模擬C型預彎機受力時，必須考慮預緊力的作用。目前，模擬預緊力的方法主要有兩種:一是通過降溫法，即利用溫度降低時引起的物體收縮變形，將預緊力換算成對應的溫度載荷;二是利用設置過盈量的方法，即在模型中的拉桿長度比實際長度小于過盈量值，過盈量為拉桿和機架在預緊力作用下的變形總和。

C型彎邊機在生產中主要承受彎邊力和夾緊力的作用，彎邊力存在一個水平方向分力，彎邊力和夾緊力均通過模具或液壓缸作用到上機架和下機架，如圖4所示。

圖4 C型預彎機載荷施加示意圖Fig.4 Diagram of loading force exerting on C type pre-bending machine

2 有限元計算結果分析

2.1 預緊工況下的有限元分析

圖5為C型預彎機在預緊力的作用下的等效應力分布，圖中僅顯示等效應力大于40 MPa的區域。從應力分布來看，高應力區域主要集中在預緊拉桿和各機架的接觸區域以及各機架之間的接觸區域，其應力主要以壓應力為主。對上機架來說，與預緊拉桿接觸區域的應力大約為120～150 MPa，上機架與中間機架的接觸區域應力達到200 MPa以上，中間支架在預緊力的作用下其應力處于較高水平，其中與上機架接觸的U型槽區域 (圖中B點)應力達到230 MPa，與下機架接觸區域應力達到120 MPa左右，橫向拉桿和中間機架接觸區域 (圖中C點)應力水平也達到130 MPa左右，下支架的高應力區域主要集中在拉桿接觸的區域。

圖5 預緊工況下C型彎邊機應力分布Fig.5 Stress distribution of C type pre-bending machine under pretighening condition

2.2 彎邊工況下的有限元分析

圖6表示C型預彎機在預緊力和彎邊力作用下的應力分布，相比于預緊工況，上機架的應力總體上增加，特別是與拉桿接觸區域的應力水平稍有增加，但在彎邊力的作用下與中間機架接觸區域 (圖中D點)的應力水平則有所減小，大約在180 MPa左右。中間機架在彎邊力的作用下，應力有所釋放，整體應力水平下降，與上機架接觸的區域 (圖中B點)的應力大約在190 MPa左右，中間機架與橫向拉桿的接觸區域(圖中C點)的應力則有所增加，達到130～140 MPa，其主要原因是因為在彎邊力存在水平分力。下機架的整體應力水平增加，在基與拉桿接觸區域的應力增加。

圖6 彎邊過程中C型彎邊機應力分布Fig.6 Stress distribution of C type pre-bending machine in edge bending process

2.3 分析結果

通過對預緊工況和彎邊工況下C型彎邊機的有限元分析可知，C型彎邊機主要應力集中在預緊拉桿與C型彎邊機機架接觸的區域以及各機架之間的接觸區域，如預緊拉桿與機架接觸區域應力雖然是壓應力為主，但其應力始終處于較高水平，因此生產和制造中對該區域要足夠重視;同樣，中間機架和上機架的接觸區域，應力也始終處于較高水平，特別是對中間機架的U型槽區域 (圖5中B點)的應力處于兩相壓應力區域，且在預緊和彎邊過程中應力有周期性變化，因此對該區域結構不能有較大制造缺陷，對今后維護也提出更高要求。

3 應力應變測試結果分析

現場應力應變測試情況如圖7所示，考慮中間機架應力較高，應力應變測試主要以中間機架為主，中間機架沿著高度方向一共有6個測點，上機架在轉角處設置一側測點。主要針對僅有預緊力的工況和彎邊過程進行測試，其測試情況如圖8所示。表2給出了通過應力應變測試得到的C型預彎機各部位的應力與有限元仿真結果的對比情況，現場測試結果與有限元仿真結果相仿，證明通過有限元計算出的C型預彎機應力比較準確，也證明通過設置過盈量的方法可有效正確的模擬預緊力，為評價C型預彎機承載能力提供技術依據。

圖7 現場應力應變測試Fig.7 Stress-strain testing on spot

圖8 現場應力應變測試情況Fig.8 Results of stress-strain testing on spot

表2 應力應變測試結果與有限元計算結果對比Tab.2 Contrast of stress-strain testing results and finite element calculation results MPa

4 結論

在三維有限元模型中，通過設置過盈量的方法模擬了具有較大預緊力的C型預彎機應力狀態，給出了在預緊力的作用和彎邊狀態下C型預彎機各機架的應力分布，并對C型預彎機進行了現場應力應變測試，測試結果與有限元計算結果相仿，證明通過上述方法能準確的模擬具有較大預緊力的C型預彎機承載能力，為評估C型預彎機承載能力提供了技術依據。

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