金屬管道中常用的彎管

金屬管道中常用的彎管

在石化、能源、冶金、鍋爐等工農(nóng)業(yè)設(shè)備中，管道廣泛應(yīng)用于向氣體、液體或固體液體輸送過(guò)程中。管道是由管子、管件和泵閥組成的。管子包括直管和彎管，彎管在管道中也很重要。彎管和彎頭不同，彎頭兩端不帶直段，帶直段的彎頭就是彎管。彎管和彎頭的成型方法有些是相通的，往往可以借鑒和轉(zhuǎn)化。本文對(duì)彎管成型方法分類(lèi)敘述，關(guān)于彎頭的成型方法另?yè)裎臄⑹?。碳鋼彎管在工業(yè)中大量使用，但其他材質(zhì)的彎管也在獲得越來(lái)越廣闊的市場(chǎng)。這些金屬有：合金鋼、不銹鋼、銅、鋁、鈦、鋯、鎳及其合金等等。不同材質(zhì)的彎管的成型方法是各不相同的。1彎管加工中的問(wèn)題彎管是在彎頭的兩端帶有直線段，彎管示意圖如圖1所示。彎管的主要參數(shù)為外徑D，壁厚T，彎曲半徑R，直段長(zhǎng)L1和L2。由于彎管兩端帶有直段，所以制造彎管的坯料是相同外徑的直管。彎管彎曲部分的外弧和內(nèi)弧在變形前是一樣長(zhǎng)的，彎管后外弧長(zhǎng)遠(yuǎn)大于內(nèi)弧。變形過(guò)程中外弧金屬疏散和內(nèi)弧金屬聚集，根據(jù)質(zhì)量不變?cè)瓌t，所以彎管不可能做到等壁厚。彎管制造中最大的問(wèn)題是要避免彎曲部分橢圓過(guò)大和外弧減薄。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求壁厚變化不大于12.5%。傳統(tǒng)彎管方法的受力如圖2b中所示。坯料加熱變形區(qū)外弧受拉，內(nèi)弧受壓，此時(shí)外弧變薄，內(nèi)弧增厚。所以傳統(tǒng)方法加工要求所加工的彎管彎曲半徑R不能太小，冷彎時(shí)R/D>4，熱彎時(shí)R/D>3.5，此時(shí)可控制彎管橢圓度<8%，減薄率<15%。當(dāng)改變受力方法（如圖2c示意）在彎管軸向上施加一輔助壓力，使外弧不受拉應(yīng)力，那么內(nèi)弧將承受更大壓應(yīng)力，彎制的彎管外弧厚度保持不變，內(nèi)弧也就變得更厚，帶直段的彎管不可能做到等壁厚。彎頭與彎管不同，由于沒(méi)有直段，變形時(shí)坯料兩端不受限制，采用合適的變形方法時(shí)就可以做到等壁厚。彎管可加工連續(xù)或立體空間彎頭，從而減少環(huán)焊縫，彎管比彎頭的管子焊縫少，節(jié)省相應(yīng)的焊接、檢測(cè)等費(fèi)用；焊接熱影響區(qū)不在管道彎曲部分，從而提高了管道安全運(yùn)行的可靠性。此外，在管道施工中彎管對(duì)口比彎頭對(duì)口容易，從而便于施工。彎管與彎頭相比優(yōu)點(diǎn)是焊縫少，耐壓高，缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率比彎頭低得很多，彎管壁厚均勻性差、標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)模小、生產(chǎn)和應(yīng)用規(guī)模較小，但近年來(lái)彎管成型技術(shù)獲得了很大進(jìn)步。1.1反彎管彎管技術(shù)及內(nèi)腔填充方法凹槽輪滾壓彎管是一種最原始的、使用最廣泛的彎管方法，凹槽輪滾壓彎管示意圖如圖3所示。凹槽輪滾壓彎管法采用與成品彎頭直徑相同的直管作坯料，管坯一頭鎖定在帶半圓凹槽的園模盤(pán)或扇型模盤(pán)上，用滾輪或用模塊施加壓力導(dǎo)向彎曲，直管在帶凹槽的模盤(pán)中受壓力變形成為彎管。傳統(tǒng)的凹槽輪滾壓法受力狀態(tài)是坯料橫截面承受純彎曲負(fù)荷，外弧受拉應(yīng)力，內(nèi)弧受壓應(yīng)力，從而造成外弧減薄,內(nèi)弧增厚。長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中改進(jìn)了工藝，創(chuàng)造了多種施力方法，如：拉彎、繞彎、滾彎、壓彎、振動(dòng)沖擊彎曲及塌角彎曲等，從而改善了凹槽輪滾壓法的受力狀態(tài)，調(diào)整管坯各部位的受力，使其受拉伸、壓縮和彎曲。典型的方法是彎管時(shí)加載一軸向壓力使外弧不受拉應(yīng)力，這樣避免了外弧減薄，同時(shí)改善彎管橢圓度。但是彎管的成型原理決定了總彎曲力矩不變，此時(shí)內(nèi)弧壓應(yīng)力更大，內(nèi)弧增厚更嚴(yán)重。軸向施壓的凹槽輪滾壓法為帶有軸向頂鐓裝置的機(jī)械冷彎和管內(nèi)加拉索等。凹槽輪滾壓法的技術(shù)關(guān)鍵有施力方法和內(nèi)腔的填充方法，內(nèi)腔的填充方法涉及芯頭的設(shè)計(jì)和制造。無(wú)芯彎管一般會(huì)造成彎管截面橢圓化，傳統(tǒng)方法是填充砂子，砂子的填充效果有時(shí)不理想并且易造成管壁損傷。內(nèi)腔充填柔性介質(zhì)的方法是向管內(nèi)施加恒壓，其方法如圖4所示。柔性介質(zhì)包括橡膠、氣體和液體。加內(nèi)芯也是常用的方法，如圖5所示。內(nèi)襯芯子有圓柱、球頭、爪形，還有鏈?zhǔn)?、軟軸、球窩節(jié)等。對(duì)于大規(guī)格彎管可用鋼棒和鋼環(huán)的組合機(jī)械作內(nèi)襯芯子，如圖6所示。凹槽輪滾壓彎管與感應(yīng)加熱煨彎法（見(jiàn)本文1.2）不同的是它是在帶凹槽的模盤(pán)中受壓力變形的，調(diào)整凹槽橫截面曲線是提高彎管成品率的關(guān)鍵。凹槽輪滾壓彎管優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，適用規(guī)格范圍寬，更適用于制造小規(guī)格彎管，兩端可以保留任意長(zhǎng)度的直管段。一般凹槽輪滾壓彎管要求冷彎時(shí)R/D>4，熱彎時(shí)R/D>3.5，但是凹槽輪滾壓法采取特殊措施也能制造R=1.5～3D的彎管。Dn25以下的小規(guī)格彎頭用常規(guī)的彎頭制作方法較困難，可以用凹槽輪滾壓法先制成彎管，再去除兩頭直段，截出彎頭。凹槽輪滾壓彎管法缺點(diǎn)是操作繁復(fù)，有時(shí)難度大，容易造成彎管腹部過(guò)度增厚，背部過(guò)度拉薄，成品形狀差，質(zhì)量保證較差。1.2感應(yīng)充彎法生產(chǎn)彎管成型工藝中(高)頻感應(yīng)加熱推制定徑煨彎法是當(dāng)今大直徑厚壁彎管（Dn200～Dn1200）中最先進(jìn)的彎管生產(chǎn)工藝。1969年，日本第一高波工業(yè)公司（DHF）申請(qǐng)專(zhuān)利。隨著感應(yīng)加熱煨彎法技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)廠家對(duì)該方法進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。感應(yīng)加熱煨彎法采用與成品彎頭直徑相同的管坯，管坯一端從加熱圈中穿出后被夾鉗夾住，夾鉗沿一圓形軌跡運(yùn)動(dòng)，管坯被加工成彎管，如圖7所示。大口徑管坯彎制時(shí)，夾鉗在圓形鐵軌上運(yùn)動(dòng)。小口徑管坯彎制時(shí)，夾鉗鎖定在鐵臂上繞圓心作圓弧運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的感應(yīng)煨彎法，坯料在加熱圈內(nèi)的環(huán)體受軸向彎曲力而變形，內(nèi)弧軸向壓縮，外弧軸向拉伸，使彎管內(nèi)弧增厚，外弧拉薄。此法叫法頗多，如：熱彎法、中頻彎管、熱推彎管、感應(yīng)彎管、中頻局部加熱彎管等等，但以上這些叫法不能確切反映該種彎管成型工藝的實(shí)質(zhì)含義，彎頭成型的擴(kuò)徑推彎法也使用中頻感應(yīng)加熱和推制成型叫法，二者就難以區(qū)分。煨的本意就表示坯料不斷地送入小加熱區(qū)內(nèi)彎曲，而且感應(yīng)煨彎法加熱方式不一定用中頻加熱，有時(shí)也可以用高頻加熱。影響感應(yīng)煨彎法的工藝參數(shù)包括加熱溫度、加熱區(qū)寬度、推制力、推進(jìn)速度、輔助力的施加方法、冷卻部位、冷卻方式、冷卻區(qū)寬度和冷卻速度等。感應(yīng)煨彎法適于制造R/D>3.5的厚壁彎管，兩端可以保留任意長(zhǎng)度的直管段。采用反彎距方法在管坯前段部位施加一軸向壓力使外弧受力為零，或者將加熱區(qū)寬度減小到1.5T以下，或者內(nèi)弧內(nèi)側(cè)加鐵芯以提高內(nèi)弧溫度，或者降低外弧溫度等，用各種方法避免外弧減薄，改善圓度，提高彎管質(zhì)量。采用膨脹節(jié)的方法可以防止彎曲時(shí)裂紋的產(chǎn)生。反彎距等方法開(kāi)發(fā)了1.3D<R<3D彎管的制作，稱(chēng)為小曲率半徑彎管（或稱(chēng)為急彎彎管，小R彎管）。由于R<3Dn的小半徑彎管在電廠管道中廣泛應(yīng)用，大量的技術(shù)開(kāi)發(fā)和設(shè)備改進(jìn)已成功地解決了彎管外弧側(cè)減薄率和橫截面橢圓的難題。俄羅斯烏拉爾重機(jī)廠、日本第一高波株式會(huì)社和荷蘭Cojefex公司相繼制造了大型小曲率半徑彎管設(shè)備獲得廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)也已有生產(chǎn)大型中頻彎管機(jī)。感應(yīng)煨彎法也可以制造大型螺旋盤(pán)管。1.3鑄造難度大的技術(shù)型模壓彎法是90o的彎頭成形工藝，也可用于彎管的成型，如圖8所示。型模壓彎法采用的上下成形模合攏后彎管成形。內(nèi)芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度較大是其技術(shù)關(guān)鍵。型模壓彎法優(yōu)點(diǎn)是可以使用常規(guī)設(shè)備，型模壓彎法制造彎頭時(shí)可以做到等壁厚，但型模壓彎法制造彎管帶直段時(shí)就不是純彎曲變形，容易造成彎管橢圓度過(guò)大和背部過(guò)度拉薄，以至成形失敗。壁厚不均勻時(shí)需要用滾球整形（通球矯形）。型模壓彎法不適宜采用冷沖壓，要求坯料在合適的溫度下進(jìn)行慢壓、多道次變形，避免產(chǎn)生缺陷。型模壓彎法與其它彎管制備方法比較，是一種低效率的生產(chǎn)方法。1.4彎管反變形與變形逐步成型法示意圖如圖9所示。因管件彎曲半徑很小，必然會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的截面畸變，為減小截面畸變，在頂彎曲之前要對(duì)管件彎曲部分進(jìn)行反變形處理．即讓彎頭在彎曲之前，產(chǎn)生與彎曲之后相反的截面畸變(如圖1所示)。反變形后的彎管采用凹槽輪滾壓彎管法制造彎曲半徑較小的彎管，即R/D=1.5，再置于擠壓機(jī)型模中擠壓成小半徑彎管。這些方法往往造成彎管圓度不好，需要進(jìn)行滾球整形（通球矯形），一般通過(guò)0.85DO的檢驗(yàn)球。這種方法是其他方法的一個(gè)補(bǔ)充，效率低，只適合于少量生產(chǎn)。1.5大口徑立體彎管工藝數(shù)控彎管是傳統(tǒng)手工彎管與機(jī)床、數(shù)控技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)塑性加工技術(shù)。其工作原理是彎曲模固定在機(jī)床主軸上，管坯的一端被夾持模夾持，管坯外弧側(cè)有壓塊，內(nèi)弧側(cè)有防皺塊，管內(nèi)有芯頭和芯桿。彎曲模轉(zhuǎn)動(dòng)后，管坯繞模彎曲成型。轉(zhuǎn)動(dòng)速度和各模位置由數(shù)控控制。數(shù)控彎管彎曲準(zhǔn)確度高，效率高。立體彎管后的管路不局限在一個(gè)平面上，可呈立體空間分布（見(jiàn)圖10）。立體彎管可以采用本文所述的各種方法，但具有很大的難度。大口徑立體彎管機(jī)主要依賴(lài)進(jìn)口，國(guó)內(nèi)在研制中，已有產(chǎn)品制出。數(shù)控彎管能夠準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)立體彎管。數(shù)控彎管技術(shù)為三維坐標(biāo)控制系統(tǒng)。數(shù)控彎管設(shè)備是一種可將直管彎成空間特定形狀的自動(dòng)加工設(shè)備，具有4個(gè)機(jī)構(gòu)：送料機(jī)構(gòu)、彎管機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和補(bǔ)彎?rùn)C(jī)構(gòu)。目前國(guó)外數(shù)控彎管技術(shù)比較先進(jìn)，每個(gè)機(jī)構(gòu)都采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，計(jì)算機(jī)控制，具有彎管定位精確，成型質(zhì)量好，更換產(chǎn)品容易等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控彎管采用了多種內(nèi)腔的填充方法，包括內(nèi)芯位置的數(shù)控調(diào)節(jié)，為提高彎管質(zhì)量起了很大作用。傳統(tǒng)的手動(dòng)彎管，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，彎管不到位，質(zhì)量不高，產(chǎn)品多樣性差，不能適應(yīng)市場(chǎng)。數(shù)控彎管需要設(shè)備投資和技術(shù)培訓(xùn)。美國(guó)WALLACECOAST機(jī)械公司制造的數(shù)控彎管機(jī)可以成形小半徑彎管。2生產(chǎn)用科學(xué)規(guī)范的彎管對(duì)于不同材質(zhì)、規(guī)格、批量的彎管，可根據(jù)其加工性、價(jià)格和加工費(fèi)用采用不同的成型方法。小口徑（Dn100以下）彎管適合用凹槽輪滾壓法彎制，大口徑（Dn65以上）彎管適合用感應(yīng)煨彎法來(lái)生產(chǎn)，批量小時(shí)可以用型模壓彎法彎管。一般來(lái)說(shuō)，彎管要求的彎曲半徑R不能太小，冷彎時(shí)R/D>4，熱彎時(shí)R/D>3.5。如生產(chǎn)急彎彎管（1.5<R/D<3.5）,可以在采用凹槽輪滾壓法和感應(yīng)煨彎法生產(chǎn)彎管時(shí)，施加一軸向壓力使外弧不受拉應(yīng)力；彎管批量小時(shí)，也可用逐步成型法。數(shù)控彎管需要較大的投資適用于專(zhuān)業(yè)的彎管車(chē)間或廠家。彎管在生產(chǎn)應(yīng)用中用量最大的是碳鋼和低合金鋼管，適用于腐蝕性較小的場(chǎng)合。其次是合金鋼和不銹鋼管，不銹鋼管適用于弱酸、堿、鹽場(chǎng)合，成本比普通鋼管高10倍。許多有色金屬，如：銅、鋁、鈦、鋯、鎳及其合金等獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，也應(yīng)用于管道，包括彎頭和彎管。鈦合金管適用于輸送鹽水、濕氯氣、有機(jī)酸酐等非常溫弱酸性或腐蝕性強(qiáng)的鹽和有機(jī)酸介質(zhì)。鎳和鎳合金管適用于輸送NaOH等強(qiáng)堿性介質(zhì)。純鋯管適用于酸性較強(qiáng)的條件惡劣的環(huán)境中，鋯合金管則應(yīng)用于核反應(yīng)堆上。本文論述的方法適用于各種金屬材料，但由于材料自身加工性能的差異，應(yīng)在不同溫度下進(jìn)行加工。碳鋼和合金鋼室溫到高溫變形性能都好，其彎管溫度是室溫到900℃。鈦、鋯及其合金室溫塑性變形能力差，屈強(qiáng)比高，高溫強(qiáng)度隨溫度的變化幅度大，可加工溫度范圍窄，材料自身化學(xué)性質(zhì)活潑，高溫下易氧化，又易于與鋼模具發(fā)生粘結(jié)，所以一般采用300～750℃進(jìn)行彎管。同時(shí)采取防氧化、防粘結(jié)等措施。鎳和鎳合金以及不銹鋼室溫塑性較好，但加工硬化指數(shù)高，高溫強(qiáng)度很高，適合在室溫或者900℃以上溫度進(jìn)行加工。鋁的彎管溫度是300℃以下，銅的彎管溫度是600℃以下。選擇的方法要保證方法簡(jiǎn)便、成本低廉、成品質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益好，要進(jìn)行綜合考慮。成本過(guò)高，當(dāng)制造價(jià)值超過(guò)使用價(jià)值時(shí)，加工方法再好也不會(huì)有使用意義。彎管的批量小時(shí)，也可采用生產(chǎn)效率低、綜合成本低的辦法?？偠灾?，根據(jù)所生產(chǎn)彎管的材質(zhì)、規(guī)格（外徑、壁厚）、批量大小和各種彎頭成形方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，可采用合適的加工手段。3彎管成形的技術(shù)特點(diǎn)1）彎管的成型方法有凹槽輪滾壓法、感應(yīng)加熱煨彎法、型模壓彎法、逐步成型法和數(shù)控彎管等。彎