两种机型穿孔钢管内螺旋缺陷产生原因及控制的学习体会

技术背景与缺陷危害

这篇发表于2015年《钢管》杂志第44卷第2期的论文，由内蒙古包钢钢联股份有限公司无缝钢管厂的张国宽、田晓燕撰写，针对两种典型斜轧穿孔机型——桶形辊穿孔机和锥形辊穿孔机——热穿轧无缝钢管中容易产生内螺旋缺陷的问题，从变形区和轧制冷（热）工具两个方面分析了缺陷产生原因，并提出了相应的控制措施。

内螺旋缺陷是无缝钢管穿孔工序中常见的表面缺陷之一，表现为钢管内壁或外壁上沿轴向呈螺旋状分布的凹陷或凸起。这种缺陷不仅影响钢管的外观质量，更严重的是会削弱钢管的力学性能，成为应力集中源，在服役过程中可能引发裂纹萌生和扩展，导致钢管失效。对于高压锅炉管、石油套管、管线管等关键应用领域的钢管，内螺旋缺陷是不可接受的，必须通过工艺优化予以消除或控制在允许范围内。

两种穿孔机型的变形特征差异

桶形辊穿孔机和锥形辊穿孔机是斜轧穿孔的两种主要机型，它们在辊形设计、变形区特征和轧制力分布方面存在显著差异。

从变形力学的角度分析，桶形辊穿孔机的变形区较短，轧制力集中，毛管在穿孔过程中承受较大的不均匀变形，容易产生内螺旋缺陷。锥形辊穿孔机的变形区较长，轧制力分布较均匀，毛管的变形更加平缓，内螺旋缺陷的倾向相对较低。

内螺旋缺陷产生原因分析

论文从变形区和轧制冷（热）工具两个方面分析了内螺旋缺陷的产生原因。

变形区因素

在斜轧穿孔过程中，毛管在变形区内受到轧辊的径向压力和轴向推力，同时产生旋转和前进运动。变形区内材料的流动状态复杂，径向压缩变形与切向变形耦合，容易在毛管内表面产生不均匀的塑性变形，形成螺旋状的内凹或内凸。

影响变形区因素的关键参数包括：

• 轧辊出口锥的辊面角度：角度过大导致毛管出口处的变形过于剧烈，容易产生内螺旋
• 变形区长度：过短的变形区导致变形不均匀
• 穿孔速度：过高的穿孔速度导致材料来不及充分塑性流动
• 轧辊转速与毛管前进速度的匹配：速度比不当导致毛管在变形区内的滑动和摩擦加剧

轧制冷（热）工具因素

轧辊表面质量、孔型设计、冷却条件等工具因素对内螺旋缺陷的产生也有重要影响。

• 轧辊表面粗糙度：粗糙的轧辊表面会增加毛管与轧辊之间的摩擦，导致局部变形不均匀
• 孔型设计：孔型形状不合理会导致毛管在变形区内的受力状态恶化
• 冷却条件：轧辊冷却不均匀会导致辊面温度分布不均，影响轧制力和毛管变形
• 轧辊磨损：磨损后的轧辊几何形状改变，孔型精度下降，导致毛管变形异常

控制措施与工艺优化

论文提出了四项减少钢管内螺旋缺陷的措施：

这些措施体现了"预防为主、综合治理"的质量控制思想。从FMEA（失效模式与影响分析）的角度看，内螺旋缺陷的失效模式是"毛管内表面螺旋状变形"，影响是"钢管力学性能下降、外观质量不合格"，严重度较高。通过增加斜轧机架、优化辊面角度、改善工具质量、控制外界因素等多维度措施，可以从源头降低内螺旋缺陷的发生概率。

工程实践启示

这篇论文的研究成果对无缝钢管穿孔工序的质量控制具有重要的指导意义。在实际生产中，内螺旋缺陷的控制需要从以下几个方面入手：

第一，工艺参数优化。根据钢管材质、规格、穿孔机型等因素，合理设定穿孔速度、轧辊转速、轧制温度等工艺参数，确保毛管在变形区内获得均匀、充分的塑性变形。

第二，轧辊管理。建立轧辊的定期检查和更换制度，确保轧辊表面质量和孔型精度符合要求。对于桶形辊穿孔机，应特别关注轧辊出口锥的辊面角度，根据实际生产情况适时调整。

第三，设备维护。定期检查穿孔机的机械状态，确保各部件运转正常，避免因设备故障导致轧制过程异常。

第四，在线检测。建立内螺旋缺陷的在线检测手段，如涡流检测、超声检测等，及时发现并剔除不合格产品，防止缺陷钢管流入下游工序。

总体而言，这篇论文从变形力学和工具工程的角度系统分析了内螺旋缺陷的产生原因，提出了切实可行的控制措施，对提高无缝钢管穿孔质量和成品率具有重要的工程价值。

综合学习心得

回顾以上五篇文献，从钢管混凝土组合异形柱的计算长度系数研究，到双层卷焊钢管的冶金结合机理，再到SHS陶瓷衬里钢管的制造工艺，以及钢管高速冲裁的刀具优化和穿孔钢管内螺旋缺陷的控制，这些研究虽然涉及不同的技术领域，但都体现了钢管及相关管材在制造、加工、质量控制方面的技术深度和工程挑战。

从技术方法的角度看，这些研究涵盖了有限元分析、材料界面科学、自蔓延高温合成、动态有限元模拟、变形力学分析等多种技术手段，反映了现代钢管制造技术从经验驱动向科学驱动的转变。从工程应用的角度看，这些研究都直接或间接地服务于钢管产品的性能提升和缺陷控制，体现了"质量源于设计、成于工艺"的质量管理理念。

作为从事钢管制造、管件成型和焊接工艺的技术人员，我深刻认识到，钢管产品的质量和性能不仅取决于材料本身，更取决于从原材料到成品的每一个制造环节。无论是穿孔工序的内螺旋缺陷控制，还是卷焊钢管的冶金结合质量，抑或是冲裁工序的切口质量优化，都需要从材料科学、力学分析、工艺控制等多个维度进行系统研究和综合优化。这些文献的研究成果为工程实践提供了宝贵的技术参考，也启发我们在日常工作中更加注重理论分析与工程实践的结合，用科学的方法解决实际问题。