CN110405090A - 一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法 - Google Patents

一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，包括以下步骤：a、确定无缝钢管热扩径用芯棒的外径；b、结合芯棒外径、成品管厚度、母管厚度以确定加热线圈外径。通过采用本发明的方法所确定的加热线圈进行加热，能够保证钢管导入段区域、钢管变形段区域和钢管定径段区域的加热温度均匀，并能有效提高加热效率，降低能耗。

Description

一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法
技术领域
本发明涉及钢管热扩径技术领域，尤其涉及一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法。
背景技术
中频热扩工艺是生产大口径无缝钢管普遍采用的一种方式。中频热扩的工艺原理是将原料母管置于中频感应线圈中进行加热，依靠液压缸推动母管，使其逐步通过锥形的芯棒从而实现扩径。
中频感应加热的温度是保证热扩钢管质量的重要参数。在现有技术中，加热线圈外径参照成品管的外径确定，并且加热线圈每一匝的外径均相等。然而，对于大口径热扩无缝钢管而言，其扩径比通常较大，母管外径与成品管外径的差别较大。由于加热线圈内部产生的磁场分布不均匀，越靠近加热线圈的区域磁场强度越强，产生的热量越高，加热效率越高。参照成品管外径设计的加热线圈对钢管定径段区域加热效率最高，而对于最需要加热的钢管变形段区域和钢管导入段区域而言，由于钢管外表面距离加热线圈的距离较远，加热效率较低，不仅导致能耗升高，而且也会因为钢管导入段区域、钢管变形段区域和钢管定径段区域的加热温度不均匀而影响热扩钢管的质量；由此，急需解决。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，以解决现有加热线圈外径参照成品管外径确定，加热线圈每一匝的外径均相等，进而使得钢管导入段区域、钢管变形段区域和钢管定径段区域的加热温度不均匀，影响热扩钢管质量的问题
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，包括以下步骤：
a、确定无缝钢管热扩径用芯棒的外径；
所述芯棒包括沿热扩径方向依次设置的导入段、变形段、定径段、平整段和矫直段，根据母管材料并结合母管的厚度以确定热扩温度及推制力F，根据成品管材料选择相应材料的芯棒，进而确定成品管材料、芯棒材料在热扩温度下的线性膨胀系数，且以此确定成品管材料与芯棒材料在热扩温度下的膨胀量差值ΔD，并确定芯棒材料在热扩温度、推制压力下的变形量ε，定义成品管外径为D，成品管壁厚为S，定义母管外径为D0，母管壁厚为S0，所述导入段的外径为D1，D1＝D0-2S0-X，其中，X＝20mm～30mm，所述定径段的外径为D2，D2＝D-2S+ΔD+ε，所述平整段的外径与所述定径段的外径相同，所述矫直段的外径为D3，D3＝D2-Y，其中，Y＝3mm～5mm，所述变形段为锥形结构，且所述变形段一端端头的外径与所述导入段的外径相同，所述变形段另一端端头的外径与所述定径段的外径相同；
b、结合芯棒外径、成品管厚度、母管厚度以确定加热线圈外径；
所述加热线圈包括导入线圈区、变形线圈区及定径线圈区，所述导入线圈区的外径D4＝D1+2S0+J，其中，J＝80mm～120mm，所述定径线圈区的外径D5＝D2+2S+K，其中，K＝80mm～120mm，所述变形线圈区的外径由D4逐渐过渡到D5。
作为本发明的一种优选方案，所述定径段的长度为L3，L3＝200mm～300mm，所述定径线圈区的长度大于所述定径段长度的一半。
作为本发明的一种优选方案，所述导入段的长度为L1，L1＝300mm～500mm，所述导入线圈区的长度等于所述导入段的长度。
作为本发明的一种优选方案，所述变形段的长度为L2，L2＝(D2-D1)/(2tanα)，且L≥300mm，其中，α为所述变形段的外壁与所述芯棒的中心轴线之间的夹角，α＝3°～10°，所述变形线圈区的长度等于所述变形段的长度。
作为本发明的一种优选方案，所述平整段的长度为L4，L4＝300mm～400mm。
作为本发明的一种优选方案，所述矫直段的长度为L5,L5＝1000mm～1500mm。
作为本发明的一种优选方案，所述成品管为碳钢管，芯棒的材料选用1Cr18Ni9Ti。
作为本发明的一种优选方案，所述成品管为低合金钢管，芯棒的材料选用06Cr23Ni13。
作为本发明的一种优选方案，所述成品管为中高合金钢管，芯棒的材料选用06Cr25Ni20。
本发明的有益效果为，通过采用本发明的方法所确定的加热线圈进行加热，能够保证钢管导入段区域、钢管变形段区域和钢管定径段区域的加热温度均匀，并能有效提高加热效率，降低能耗。
附图说明
图1为芯棒的结构示意图；
图2为一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
请参照图1及图2所示，图1为芯棒的结构示意图；图2为一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈的结构示意图。
于本实施例中，一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，包括以下步骤：
a、确定无缝钢管热扩径用芯棒的外径；
所述芯棒包括沿热扩径方向依次设置的导入段1、变形段2、定径段3、平整段4和矫直段5，本实施例中，钢管的材质为10Cr9Mo1VNbN合金管，属于中高合金钢管，母管的外径D0为813mm，母管的壁厚S0为54mm，成品管的外径D为1168.4mm，成品管的壁厚S为49mm。
10Cr9Mo1VNbN合金管的下临界温度Ac1为835℃，结合母管的厚度，确定中频加热温度为800℃，并确定钢管热扩径时的推制力F＝8.8×106N。
选择芯棒的材质为06Cr25Ni20，该材料的芯棒在20℃～800℃区间内的线性膨胀系数为18.5×10-6/℃，10Cr9Mo1VNbN合金管在20℃～800℃区间内的线性膨胀系数为13.0×10-6/℃，由于成品管的内径为1070.4mm，则钢管材料与芯棒材料在热扩温度下膨胀量差值为ΔD＝-4.71mm，且芯棒材料在热扩温度和推制力下的径向变形量为ε＝0.4mm。
本实施例中，导入段1的长度L1为450mm，定径段3的长度L3为280mm，平整段4的长度L4为380mm，矫直段5的长度L5为1500mm，导入段1的外径D1＝D0-2S0-X，其中，X＝20mm～30mm，本实施例中，X为25mm，则D1为680mm，定径段3的外径D2＝D-2S+ΔD+ε，则D2为1066.1mm，所述矫直段5的外径D3＝D2-Y，其中，Y＝3mm，则D3为1063.1mm，所述变形段2的外壁与所述芯棒的中心轴线之间的夹角α＝3°～10°，本实施例中，α为8.3°，则根据L2＝(D2-D1)/(2tanα)，计算出变形段2的长度L2为1323mm。
b、结合芯棒外径、成品管厚度、母管厚度以确定加热线圈外径；
所述加热线圈包括导入线圈区6、变形线圈区7及定径线圈区8，所述导入线圈区6的外径D4＝D1+2S0+J，其中，J＝80mm～120mm，本实施例中，J为80mm，则D4＝868mm，所述定径线圈区8的外径D5＝D2+2S+K，其中，K＝80mm～120mm，本实施例中，K为96mm，则D5＝1260mm，所述变形线圈区7的外径由D4逐渐过渡到D5。
本实施例中，加热线圈的线圈匝数为16，加热线圈的总长度L＝1980mm，其中，导入线圈区6的长度等于所述导入段1的长度，即导入线圈区6的长度为450mm，变形线圈区7的长度等于所述变形段2的长度，即变形线圈区7的长度为1323mm，定径线圈区8的长度大于所述定径段3长度的一半，本实施例中，定径线圈区8的长度为207mm。
值得一提的是，本实施例中，为了降低成本，矫直段5可采用20号钢或45号钢加工而成，然后与平整段4焊接连接；而导入段1、变形段2、定径段3、平整段4的材质均为06Cr25Ni20，为一体加工而成。
值得一提的是，本实施例中，钢管的材质为10Cr9Mo1VNbN合金管，属于中高合金钢管，对应的，芯棒的材质选择为06Cr25Ni20，若钢管的材质为低合金钢管，则芯棒的材质选择为06Cr23Ni13，若钢管的材质为碳钢管，则芯棒的材质为1Cr18Ni9Ti。
本实施例是结合芯棒外径、成品管厚度、母管厚度以确定加热线圈外径，使得钢管导入段区域、钢管变形段区域和钢管定径段区域距离加热线圈的距离相近，进而保证钢管导入段区域、钢管变形段区域和钢管定径段区域的加热温度均匀，并能有效提高加热效率，降低能耗。
以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims (9)

1.一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、确定无缝钢管热扩径用芯棒的外径；
所述芯棒包括沿热扩径方向依次设置的导入段、变形段、定径段、平整段和矫直段，根据母管材料并结合母管的厚度以确定热扩温度及推制力F，根据成品管材料选择相应材料的芯棒，进而确定成品管材料、芯棒材料在热扩温度下的线性膨胀系数，且以此确定成品管材料与芯棒材料在热扩温度下的膨胀量差值ΔD，并确定芯棒材料在热扩温度、推制压力下的变形量ε，定义成品管外径为D，成品管壁厚为S，定义母管外径为D0，母管壁厚为S0，所述导入段的外径为D1，D1＝D0-2S0-X，其中，X＝20mm～30mm，所述定径段的外径为D2，D2＝D-2S+ΔD+ε，所述平整段的外径与所述定径段的外径相同，所述矫直段的外径为D3，D3＝D2-Y，其中，Y＝3mm～5mm，所述变形段为锥形结构，且所述变形段一端端头的外径与所述导入段的外径相同，所述变形段另一端端头的外径与所述定径段的外径相同；
b、结合芯棒外径、成品管厚度、母管厚度以确定加热线圈外径；
所述加热线圈包括导入线圈区、变形线圈区及定径线圈区，所述导入线圈区的外径D4＝D1+2S0+J，其中，J＝80mm～120mm，所述定径线圈区的外径D5＝D2+2S+K，其中，K＝80mm～120mm，所述变形线圈区的外径由D4逐渐过渡到D5。
2.根据权利要求1所述的一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，其特征在于：所述定径段的长度为L3，L3＝200mm～300mm，所述定径线圈区的长度大于所述定径段长度的一半。
3.根据权利要求2所述的一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，其特征在于：所述导入段的长度为L1，L1＝300mm～500mm，所述导入线圈区的长度等于所述导入段的长度。
4.根据权利要求3所述的一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，其特征在于：所述变形段的长度为L2，L2＝(D2-D1)/(2tanα)，且L≥300mm，其中，α为所述变形段的外壁与所述芯棒的中心轴线之间的夹角，α＝3°～10°，所述变形线圈区的长度等于所述变形段的长度。
5.根据权利要求4所述的一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，其特征在于：所述平整段的长度为L4，L4＝300mm～400mm。
6.根据权利要求5所述的一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，其特征在于：所述矫直段的长度为L5,L5＝1000mm～1500mm。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，其特征在于：所述成品管为碳钢管，芯棒的材料选用1Cr18Ni9Ti。
8.根据权利要求1至6任一项所述的一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，其特征在于：所述成品管为低合金钢管，芯棒的材料选用06Cr23Ni13。
9.根据权利要求1至6任一项所述的一种大口径无缝钢管热扩径用加热线圈外径的确定方法，其特征在于：所述成品管为中高合金钢管，芯棒的材料选用06Cr25Ni20。
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