一种低故障的钢管扩径头辊装置

洪阳

（中石化石油机械股份有限公司沙市钢管分公司）

摘 要：中石化石油机械股份有限公司钢管分公司针对生产过程中1219规格扩径头辊故障率高，影响生产效率与产品质量的问题，通过对现场分析及辊轮的载荷计算，原铜套结构径向载荷为25吨，不满足现场使用的要求。在不改变外部尺寸的前提下，为提高头辊径向载荷，参考调心滚子轴承，设计了一种低故障、径向载荷大的钢管扩径头辊装置，大幅降低了该部件的维修故障时长，提高了扩径机的运行稳定性和钢管生产效率，降低了设备生产成本，同时提高了生产质量。

关键词：直缝埋弧焊管；扩径机；头辊装置；结构优化；

0 引言

随着国民经济的快速发展,我国的油气输送管线建设逐渐加快,所使用的管线管向高强度、高韧性方向发展^[1][2]。管道输送是长距离石油天然气输送的主要方式，长输管道使用的钢管主要是螺旋缝埋弧焊管和直缝埋弧焊管^[3]。扩径机作为其中极为关键的技术装备，越来越多地得以运用。对焊接后的钢管扩径，可以消除变形、改善尺寸精度、提高钢管的平直度。并且消除残余应力，提高屈服强^[4]。

1219扩径头总重约13吨，工作中承受重载、高频往复载荷，头辊为核心执行部件。本文重点介绍了扩径机关键零部件-扩径头辊的作用，同时介绍了扩径头辊导致的常见问题，并设计了一种低故障的钢管扩径头辊装置。

1扩径头结构与头辊工作原理

1.1扩径头整体结构与功能

机械式扩径机是由夹持小车、旋转托辊装置、升降托辊、扩径头、驱动辊等部件组成。

1. 夹持小车；2-旋转托辊装置；3-升降托辊；4-扩径头；5-驱动辊；6-测量辊；7-机架8-扩径拉杆；9-扩径主缸

图1 扩径机示意图

机械扩径机依靠扩径杆轴向运动驱动楔形块径向撑开，带动头辊完成对钢管内壁的扩径成型。1219扩径头为大口径扩径专用执行机构，由模具、楔形块、椎体、头辊、定位组件与润滑系统等组成，结构紧凑、载荷大、工况恶劣，对头辊的可靠性提出极高要求。

图二 1219扩径头结构图

1.2 头辊的结构

头辊是扩径头直接作用于钢管内壁的关键部件。传统头辊采用铜套滑动支撑结构，由辊轮、铜套、转轴、辊框组成，依靠铜套与轴的滑动副实现转动。

1-辊框；2-辊；3-铜套；4-转轴

图三 头辊结构图

在重载、连续工作条件下，铜套易出现磨损、间隙变大、润滑不足等问题，进而引发卡死、异响导致管壁划伤等问题，影响生产效率，并造成质量问题。

图4 钢管内壁划伤

1.3头辊的核心作用

1.3.1 直接塑性成型，实现管径达标

扩径头径向扩张时，头辊沿钢管内壁做滚动接触延展，使管壁发生可控塑性变形。

1.3.2 校正几何精度，提升管材质量

头辊以对内壁施加均匀滚压力，可有效校正钢管圆度、椭圆度。

1.3.3 消除残余应力，提高管材稳定性

通过扩径头的伸缩和头辊的滚压，释放焊接热应力与冷成型残余应力，降低钢管在后续加工、运输与使用中的变形、开裂风险，提升结构稳定性与承压安全性。

1.3.4 保障内壁质量，减少表面缺陷

头辊采用滚动摩擦方式工作，相较于滑动摩擦可大幅降低对钢管内壁的划伤、拉毛、压痕风险，保证内表面光洁度，减少后续修磨工作量，提高成品一次合格率。

1.3.5 传递重载载荷，维持扩径连续性

头辊需承受来自扩径杆的轴向力、径向撑开力以及钢管的反作用力，在重载、冲击、连续往复工况下稳定传递载荷，保证扩径过程连续、平稳、无卡阻，是设备可靠性的关键载体。

1.4 头辊工作过程与运动特性

钢管扩径时主油缸的动作过程可以概括为主油缸活塞快速动作冲程、慢速动作冲程、保压阶段、快速回程等几个步骤^[5]。头辊随椎体径向伸出时与钢管内壁接触受力，每完成一次完整动作需被动滚动，因此，头辊的转动灵活性、承载能力直接决定扩径质量、设备故障率与维修周期，是影响生产线效率的核心薄弱环节。

2 头辊改造

2.1 现场情况

针对故障次数最多的1219头辊进行分析：（铜套接触面比压计算）轴承结构头辊径向载荷F与压强P的关系为:

1. 铜套许用压强，材料为ZCuAl10Fe3Mn2,取值20Mpa；
2. 铜套内径，0.12m；

d-铜套有效接触长度 0.15m；

载荷系数一般取值为1.5；

所以最大径向载荷为：

计算得出该尺寸下铜套结构形式头辊最大径向载荷为25吨。

沙市钢管厂扩径机使用的28’’~56’’扩径杆单重约25吨，1219扩径头重13吨，因此需要提高头辊的载荷能力以满足使用需求。

2.2改造方案

针对上述问题，不改变外径及安装尺寸的前提下，提高头辊的载荷的能力。滚动轴承的承载能力与轴承类型和尺寸有关，相同外形尺寸下，滚子轴承的承载能力约为球轴承的1.5~3倍，向心类轴承主要用于承受径向载荷^[6]。因此选用向心滚子轴承，而向心滚子轴承的径向基本额定动载荷公式为：

-系数；bm-系数；i-滚动体列数；α-接触角；Z-滚动体个数；-滚子直径；-滚子有效长度

图5 轴承辊

计算得出最大径向载荷为96.7吨。

1. 取得的成果及现场应用效果

本低故障扩径头辊装置投入现场使用后，已连续生产1219规格钢管6027根，未出现任何损坏故障，通过与原铜套辊装置的各项指标对比，验证了装置的优化效果，具体对比结果如下：

（1）故障频次大幅降低：，原铜套头辊一年更换16次，新轴承辊装置故障率降至1次/年以下，彻底解决了1219头辊的高频故障问题，实现装置低故障连续运行；

（2）使用寿命大幅延长：原铜套辊装置平均每生产497根钢管即需更换，新装置连续生产6027根仍无损坏，使用寿命提升11倍，大幅减少了停机更换次数。

上述指标表明，本低故障扩径头辊装置有效解决了原装置的核心痛点，实现了降低故障率、延长使用寿命，保障了扩径机的连续稳定运行，减少了设备停机对生产的影响。

4.结论

通过将1219头辊铜套结构改为重载轴承结构，载荷能力提升近3倍，彻底解决易磨损、易卡死问题，故障率大幅降低。本次改造提升产品质量与生产连续性，具备显著工程应用价值。该技术方案可推广至大口径扩径机同类头辊改造，为重型成型设备可靠性提升提供可行路径。

参考文献

1. 
   李鹤林.油气输送钢管的发展动向与展望[J] .焊管,2004,27(6):1~11.
2. 
   彭在美.石油天然气输送用钢管的生产技术及发展方向[J] .钢管,2004,33(2):1~5.
3. 
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4. 
   金淼.大口径管线钢管机械扩径工艺实验研究[J] .锻压技术，2001（3）：44-46.
5. 
   刘增强.德国SMS Meer公司机械式扩径机的控制系统及原理[J] .钢管，2012，41（8）：6.
6. 
   机械设计手册编委会.机械设计手册[M] .北京:机械工业出版社，2004:65.

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