小直徑厚壁筒體的卷制成形工藝分析

梁化，徐磊，易飛

（東方電氣（廣州）重型機器有限公司，廣州 511455）

0 引言

管殼式換熱器外殼通常采用鋼板卷制或是直接使用鋼管制造，也有部分產品選用鍛件，但受原材料廠家制造能力和生產成本的限制，不一定能從市場上采購到非標準尺寸規格的鋼管，采購成本過高一般會使鍛件成本更高，因此在管殼式換熱器中鋼板卷制焊接的筒體也最為常見[1]。對于部分直徑較小、材料厚度較大的筒體，其卷制可能超過或接近卷板機的設備能力極限，筒體卷制成形尺寸難以控制，對于形位精度要求較高的筒體甚至無法直接成形。本文從筒體卷制壓力的計算方法開始，分析材料的屈服強度、直徑、長度、厚度等參數對卷制壓力的影響，并根據某產品小直徑厚壁筒體出現過的典型問題進行原因分析，找出該問題的處理方法。

1 卷制壓力與筒體材料、直徑、強度的常規計算方法

換熱器筒體卷制需考慮筒體是否超過卷板的極限能力，通常筒體的直徑和長度容易評估，簡單比較即可知道，但卷板需要的壓力等與卷板機的自身的功率有關。以三輥卷板機為例，卷板機下壓力與筒體的曲率、材料的屈服強度、筒體的長度有關系，其計算按理論模型[2]假設如下：卷板過程中用理論計算出的法向正壓力近似代替成形過程中卷板機的工作載荷，因板材較均勻且表面粗糙度相對較低，故忽略掉工作時輥子的切向摩擦力[3-7]，多次不斷地增加力矩才能將鋼板逐漸卷圓，最終達到需要的曲率半徑，因此達到規定的最大彎曲力矩時，材料卷制所受的應力已使材料屈服，整體達到屈服極限，沿鋼板全長方向產生了塑性變形，按照直徑最小時塑性變形最大來考慮，此時的力矩也將達到最大值[4-6]。板料采用的是冷卷成形，卷制屬于冷塑性變形，材料會發生冷作硬化，表面硬度增加會導致彎矩的增加，力矩計算時引入了材料的硬化修正系數K。彎矩M理論公式為

式中：b、δ為卷制板材的寬度和厚度；σs為材料的屈服極限；K＝1.10～1.25，當δ/R較大時K取較大值（R為板材中性層的目標成形曲率半徑，本文中δ/R約為0.06，屬于筒體卷制中較大的情況，K值可適當取較大值）。

卷制時受力情況如圖1所示，θ是連心線OO1與OO3的夾角，兩下輥對稱分布，其中心距為a，板材的彎曲力矩M即為需克服下輥作用在鋼板上的力N2產生的力矩，考慮板厚的影響，力N2近似為

圖1 理想三輥卷板成形示意圖

此理論模型主要為說明卷制過程中各參數與卷板機輥軸受力的關系，從彎矩和正壓力的計算公式分析，材料厚度對卷制過程受力影響最大，鋼板寬度、材料屈服強度是正向影響[5]，寬度大、屈服強度高將需要更大的卷制力矩，而直徑卻是反向影響，直徑越小則卷制需要的力矩越大。

2 卷板情況及問題

以我司某一產品為例，介紹該產品筒體的卷制情況及其出現的問題。卷制的筒體參數如下：材料為SA387Gr.22Cl2，屈服強度為435～460 MPa，材料厚度為25 mm（因采購的板材厚度為正偏差，板材實際厚度約為26.3 mm），板子寬度3000 mm（即筒體長度），筒體內徑850 mm，筒體焊縫棱角度和直線度要求1 mm。卷制使用的設備是三輥卷板機，上輥直徑為680 mm，兩下輥直徑均為450 mm，卷板允許最大卷制長度為3000 mm[1]。

因筒體直徑小、材料強度較高且尺寸精度要求高，為防止產品卷制時出現尺寸不合格的情況，在正式卷制前使用了長度和厚度相同、強度類似的其他材料做過卷制試驗（卷制試驗時無產品材料，使用了其他材料代替，材料屈服強度約340～385 MPa，低于產品的實際屈服強度），卷制后將筒體合攏，并焊接了筒體縱縫，在該卷板機上校圓后檢查整體外形，發現直徑、直線度、圓度等尺寸均較好，可滿足驗收指標，筒體兩端也很均勻，未發現明顯的異常。

因產品材料屈服強度比試驗材料更高，且筒體直徑小，根據第1節的計算方法，理論計算出的正壓力已接近卷板機設備許可的最大正壓力的90%，首個筒體卷制后的尺寸檢查（筒體直徑尺寸基本接近設計要求值，縱縫未焊接，測量時以筒體外周長減掉兩縱縫坡口間隙近似代替）后發現筒體兩端的周長尺寸與中間部分明顯不同，筒體呈現兩端大、中間小的腰鼓狀，測量位置及詳細數據如圖2和表1所示。從左右兩個端部開始往筒體中間測量，筒體外周長有明顯變化，主要變形區域集中在靠近兩端各65 mm以內的長度范圍。

圖2 筒體測量位置

表1 筒體周長及厚度mm

除該筒體外，我公司還卷制了大量的相同材料的其他筒體，尺寸差異較小。通過對比發現，筒體卷制前后靠近兩端的材料厚度明顯減薄，且越靠近邊緣減薄越多，筒體兩端的外周長比中間部分偏大，兩端65 mm范圍成喇叭狀，但外形較平緩，沒有出現突變的情況，材料的卷制延展量也偏大（測量位置左側15表示距離左端面15 mm，其余類似）。

3 原因分析及處理

根據筒體變形測量數據情況，并結合卷板機的設備性能參數，分析筒體變形原因是因卷制所需的正壓力大，卷板機上輥的變形，導致筒體兩端鋼板過壓，鋼板局部所受壓力遠超中間部分導致，詳細如下：1）筒體長度過大、強度高、材料厚度偏大，導致下壓力過大。卷制所需的彎矩與材料的寬度（即筒體長度）、屈服強度和厚度的平方成正比，根據力學計算情況，不計入摩擦因數的情況下，該彎矩已超過設備最大能力的80%。產品長度較大，為減少環焊縫的數量，將單個筒體的長度設置的比較大，因此造成卷板時設備負荷過大，實際卷制時卷板機的工作情況證實負荷接近設備極限。2）筒體直徑較小，使用的卷板機輥軸受限。筒體的直徑偏小，可選擇的卷板機范圍受限，尤其是主要受力的上輥，一般其直徑需不小于卷制筒體內徑的1.3倍，否則卷制精度難以保證，該筒體的內徑僅為850 mm，無法選擇大直徑尺寸輥軸的卷板機，實際卷制機的上輥直徑為680 mm，且筒體長度已達到卷板機的極限。由于直徑小，根據第1節的卷板機下壓力計算公式，下壓力與筒體直徑成反比，直徑越小所需的下壓力越大。3）卷制所需的下壓力過大，卷板機上輥產生變形。根據下壓力計算公式，在幾乎是使用設備允許的最大能力的工作情況下，上輥產生了少量彈性變形，導致筒體兩端部分過壓，材料減薄超過中間部分，變形如圖3所示。

圖3 上輥變形示意圖

如果在不處理筒體周長的情況下，在縱縫焊接后筒體的周長將不均勻，直接校圓后直線度可能不滿足1 mm的設計要求，但通過多次工藝試驗后發現，筒體焊接后，通過校圓可以將延展偏大的筒體兩端壓回部分，但不能僅靠校圓將增大的部分完全壓至與中間部分平齊，校圓前還需對筒體伸長部分進行修割，達到該區域的周長尺寸，以確保最終的直線度，本次修割主要針對兩端“喇叭口”部分延展過長的部分進行修割，焊接、校圓后的筒體數據如表2所示。

筒體校圓后的尺寸檢查結果顯示直線度和圓度較好，但筒體兩端的材料厚度明顯減薄，如表2所示。筒體兩端被壓回的部分，屬于原外周長偏大的喇叭口區域，因筒體縱縫焊接后，筒體已成整圓，卷板機校圓時所需的壓力比卷制時小，卷板機輥軸有足夠的壓力和剛度壓平筒體變形部分，但原喇叭口區域被再次強行壓回，鋼板局部被滾軋，造成該區域板材的進一步減薄。此外卷制和校圓時，若下壓量偏大，即卷制速度太快時，局部的減薄程度比慢速均勻卷制時更大。

表2 校圓后筒體周長及厚度mm

4 結論

對于小直徑的筒體卷制，特別是尺寸精度要求較高的筒體，需選擇合適的卷板機，并根據制造工藝確定筒體長度，確有必要需用鋼板卷制的筒體，需要的彎矩和下壓力不宜過大，主要建議如下：1）盡量選擇合適尺寸的卷板機，卷板機的輥軸應有足夠的剛度；2）在設備受限的情況下，可以減小筒體的長度，必要時增加拼接焊縫數量；3）卷制需要的彎矩和下壓力不要超過設備極限能力的70%～80%，特別是在校圓階段，否則難以保證筒體卷制后的尺寸精度；4）卷制時操作速度不宜過快，每次壓制下壓量不宜過大，否則兩中心夾角θ偏大后導致下壓力過大，筒體兩端減薄量也更大；5）筒體存在延展不一致的情況時，需根據設備的情況確定焊接前的長度調整量，設備不同、材料不同的情況下，筒體長度需修割的調整量也不一樣；6）筒體校圓后兩端的減薄仍然存在，必要時需預留材料厚度余量，或是將減薄過大的部分切除。