不銹鋼彎管的皺波問題及其預(yù)防措施（上）

何德孚，蘇永強，容松如，羅 劍

（1.上海久立工貿(mào)發(fā)展有限公司，上海200135；2.浙江德傳管業(yè)有限公司，浙江 湖州313103）

不銹鋼彎管的皺波問題及其預(yù)防措施（上）

何德孚1，蘇永強2，容松如1，羅 劍2

（1.上海久立工貿(mào)發(fā)展有限公司，上海200135；2.浙江德傳管業(yè)有限公司，浙江 湖州313103）

為了預(yù)防不銹鋼冷彎管時出現(xiàn)的皺波問題，首先從管件制造標(biāo)準(zhǔn)化角度考察和評估了冷彎方法的優(yōu)點及其合理的應(yīng)用范圍，然后分析了不銹鋼冷彎時發(fā)生皺波的“薄”壁條件、影響因素，并通過兩個典型案例進行了分析。分析指出，皺波的實質(zhì)是拱腹壓縮塑性變形區(qū)的“壓桿”失穩(wěn)屈折現(xiàn)象。依據(jù)鋼管的to/do和Ro/do決定的彎管“薄”壁度，合理設(shè)置芯棒型式及其他模具加工和安裝精度確定的“間隙”，以從力學(xué)上增強“壓桿”抗壓穩(wěn)定度，這是預(yù)防皺波的必要保障。不銹鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)允許的to和do公差帶往往大于“薄”壁彎管所必須的模具間隙，有時會在小批量多品種規(guī)格不銹鋼彎管時產(chǎn)生皺波，但只要把握“薄”壁度，重視芯棒結(jié)構(gòu)，模具間隙及彎管參數(shù)的合理調(diào)整，不銹鋼冷彎管時的皺波問題是可以解決的。

不銹鋼管；冷彎；拱腹皺波；繞彎式彎管機；“薄”壁度；芯棒型式；模具間隙；壓桿失穩(wěn)屈折

Abstract:In order to prevent wrinkling wave problem during stainless steel pipe cold bending,first of all,from the perspective of pipe fittings manufacturing standardization,it inspected and evaluated the advantages of cold bending method and its reasonable application scope,then analyzed the “thin” wall condition and influence factors when stainless steel cold bending through two typical cases.The analysis indicated that the essence of the wrinkling wave is pressure rod unstability and buckling phenomenon in intrados compressive plastic deformation area.According to the steel pipe"thin”wall degree decided by to/doand Ro/do,set up reasonably mandrel type,and the clearance determined by other mold processing and installation presicion,to strengthen the stability against crushing of compression bar from mechanics,this is a necessary safeguard against wrinkling wave.The tolerance zone of to and do specified in stainless steel pipe manufacturing standard is often than the die clearance of“thin” wall thickness bends,sometimes the wrinkling wave appear in small batch multivarietal specifications stainless steel elbow pipe.However,as long as grasp the “thin” wall thickness degree,pay attention to the core rod structure,reasonably adjust die clearance and bending pipe parameters,the wrinkling wave problem of stainless steel cold bend can be solved.

Key words:stainless steel pipe；cold-bending；wrinkle wave of intrados；draw bender；“thin”wall degree；mandrel type；die gap；pressure rod unstability and buckling

2013—2016年我國粗鋼產(chǎn)量連續(xù)四年超過8×108t，占全球粗鋼產(chǎn)量50%以上。雖然我國不銹鋼產(chǎn)量達到2×107t以上，占全球不銹鋼粗鋼產(chǎn)量50%以上已有多年，但2000年我國的不銹鋼產(chǎn)量僅為5×105t，只占全球不銹鋼產(chǎn)量的2.6%。近十年來，我國不銹鋼管的生產(chǎn)和應(yīng)用發(fā)展很快，尤其是在石油化工、油氣開采管道和運輸船舶制造中，不銹鋼管道的應(yīng)用發(fā)展尤為迅速。上海兩家著名船廠正在批量建造17.4×104m3和8.4×104m3的LNG運輸船，該類運輸船每艘需用不銹鋼管250～380 t。

不銹鋼管應(yīng)用過程中必然會涉及到彎頭或彎管。在不銹鋼彎頭或彎管的制造過程中，會伴隨出現(xiàn)壁厚不均、起皺波及回彈、圓度畸變等問題，這些問題頗為引人關(guān)注[1-18]。2016年發(fā)生在某兩家船廠用戶中的Φ88.9 mm×3.05 mm規(guī)格304鋼管和Φ60 mm×3.5 mm規(guī)格316L鋼管彎管起皺波的問題就極為典型。

本研究在考察不銹鋼彎管起皺波的發(fā)生條件、影響因素及預(yù)防途徑的基礎(chǔ)上，著重通過所發(fā)生的兩個案例來探討不銹鋼管制造尺度公差和彎管皺波的相關(guān)性。文中還兼述了彎頭制造各種方法的優(yōu)缺點、標(biāo)準(zhǔn)化狀態(tài)，闡明不同類型彎管的合理應(yīng)用范圍及注意事項。希望與用戶共同促進不銹鋼管制造和應(yīng)用水平的進步。

1 彎頭制作方法、標(biāo)準(zhǔn)化及合理選用

彎頭（bends 或 45°、 90°的 elbows 及 180°的return bends或retuns）是管道鋼管應(yīng)用中必不可缺的一種最常用接頭件（fittings），其標(biāo)準(zhǔn)化及標(biāo)準(zhǔn)化集約生產(chǎn)是管道鋼管（pipe）和其他非管道管材（tube）的一個重要特征區(qū)別，國內(nèi)外市場上均可以按各國管道標(biāo)準(zhǔn)直接采購到各種管道（pipe）規(guī)格的彎頭，但tube規(guī)格的彎頭只能自制。

中國和美國不銹鋼管彎頭制造標(biāo)準(zhǔn)對比見表1。需要注意的是，我國以日本標(biāo)準(zhǔn)為范本建立的管接頭件標(biāo)準(zhǔn)其實只相當(dāng)于美國管件尺度標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.9—2012。美國管件尺度標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.9—2012未區(qū)分制造方法，也未詳細討論涉及制造方法的各種細節(jié)。美國標(biāo)準(zhǔn)中將這些與鋼種有關(guān)的細節(jié)劃分到另外的多種管件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及相對應(yīng)的通用管件材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，并做了詳細的討論。表1所列僅為不銹鋼管件相關(guān)的產(chǎn)品及其受管轄的相關(guān)通用材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到彎頭和管件的形狀和制造過程并不比管道鋼管簡單，而我國目前僅以是否有焊縫來區(qū)分兩種管件的方式可能有些不妥，因此應(yīng)建立不銹鋼管件產(chǎn)品制造的專門標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)目前不銹鋼管快速發(fā)展的需要。

由表1不銹鋼彎管頭制造標(biāo)準(zhǔn)對比可見，美國標(biāo)準(zhǔn)中各種彎頭的制造方法中主要以冷彎或熱彎、模壓+焊接、鍛造+切削加工3種方式為主，下面分析這些制造方法的優(yōu)缺點及其適用范圍。

表1 中國和美國不銹鋼管彎頭制造標(biāo)準(zhǔn)對比

1.1 彎管法

彎管法是一種簡單而常用的45°～180°彎頭乃至盤管制造方法，但并非唯一理想或最佳的彎頭制造方法。

1.1.1 彎管法的優(yōu)點

（1）工藝設(shè)備簡單，從最簡單的手工彎制模具到全自動數(shù)字程序控制液壓冷彎管機都十分成熟，實用方便。

（2）可以在一定范圍內(nèi)按實際需要確定彎曲半徑、彎曲方位及彎曲角度，最適合做空間三維多角度彎曲管結(jié)構(gòu)件。因此飛機、汽車排氣系統(tǒng)是不銹鋼彎管最早的應(yīng)用領(lǐng)域。

（3）彎頭的直管段長度不受限制，或者說可以盡可能減少管道環(huán)焊接頭數(shù)量。

（4）塑性優(yōu)良的奧氏體不銹鋼無縫管或焊管在室溫下即可實現(xiàn)冷彎，且可無需熱處理就可直接在靜載荷和一般（均勻腐蝕）環(huán)境中采用。但對塑性較差的鐵素體、馬氏體不銹鋼管則需要進行熱處理，只有彎曲半徑較大（Ro≥2.5do）時才可不作熱處理。不銹鋼管冷彎后是否需要熱處理的相關(guān)歐標(biāo)依據(jù)見表2[2]。

表2 不銹鋼管冷彎后是否需要熱處理的相關(guān)歐標(biāo)依據(jù)

（5）彎管法所形成的彎頭壁厚是不均勻的，相關(guān)文獻中可以查到許多不同的彎管壁厚計算公式，但基本都符合這種變化規(guī)律：即拱背（彎頭外側(cè)）時減壁厚、拱腹（彎頭內(nèi)側(cè)）時增壁厚。不計模具約束塑性變形彎管的壁厚理論變化示意及其計算公式如圖1所示。

根據(jù)文獻[11]分析推出的近似壁厚極值及拱背、拱腹減薄增厚相對量的計算公式如下。

圖1 不計模具約束塑性變形彎管的壁厚理論變化示意及其計算公式

式中：tex—拱背（外側(cè)）壁厚極值；

tin—拱腹（內(nèi)側(cè)）壁厚極值；

to—原始壁厚；

△tex—拱背相對減薄量極值；

△tin—拱腹相對增厚量極值；

Ro—彎曲半徑；

do—鋼管外徑。

對于承受內(nèi)壓的常規(guī)管道，按照應(yīng)力計算拱背、拱腹的所要求壁厚及允許的增量近似值如下[19]。

式中：texr—管道受內(nèi)壓時拱背所要求的最小壁厚凈值（不計余量及公差）；

tinr—管道受內(nèi)壓時拱腹所要求的最小壁厚凈值（不計余量及公差）；

Δtexr—拱背允許的壁厚增量；

Δtinr—拱腹允許的壁厚增量。

按照公式（1）～公式（4）作出的 Ro/do-Δt/to曲線，如圖2所示。由圖2可見，彎管造成的壁厚增減十分貼近內(nèi)壓管道受力要求，即在該條件下彎管雖然會造成壁厚不均勻，但并不影響彎管使用。

圖 2 按照公式（1）～公式（4）作出的 Ro/do—Δt/to曲線

1.1.2 彎管法的缺點

（1）在時變應(yīng)力、即交變應(yīng)力等動態(tài)條件下，上述彎管法會造成壁厚的不均勻，這種情況是不允許的。在時變應(yīng)力條件下的彎頭應(yīng)以拱腹所要求的壁厚值為最小彎頭壁厚值的等厚彎頭[19]。許多研究證明彎管法造成的壁厚減薄和圓度畸變會促使應(yīng)力和蠕變應(yīng)力速度加快，進而影響動態(tài)的穩(wěn)定性[20-22]。

（2）除非采取附加內(nèi)壓、填砂等特殊措施，否則彎管段可能會有附加的圓度畸變。文獻[23]指出圓度畸變度μ也主要取決于Ro/do。

式中：dmax—彎管曲段最大外徑；

dmin—彎管曲段最小外徑。

通常狀況下，彎管都會產(chǎn)生圓度畸變。為了把μ限制在10%以內(nèi)或更低數(shù)值，就要將Ro/do控制在2以上。

彎管段圓度與Ro/do的相關(guān)性及歐標(biāo)允許值如圖3所示[23]。圖3是依據(jù)EN 13480-4：2015中圖7.4.1.1改繪的，原文未指明to/do及鋼管材質(zhì)等條件，亦未指明20/（Ro/do）反比曲線的推定依據(jù)，筆者認為to增加時υ曲線會下移。

圖3 彎管段圓度與Ro/do相關(guān)性及歐標(biāo)允許值

（3）彎管完成后，在彎曲角度方向會呈現(xiàn)一定的回彈，其大小與彎管的材質(zhì)、Ro/do等有關(guān)。因此，在實際彎管過程中，通常會增加一定量的過彎角度來消除回彈的影響[6-10]。過彎角度的大小依據(jù)經(jīng)驗值或模擬分析來確定。

（4）在 Ro/do較小、to/do較低的“薄”壁管冷彎或者彎管機結(jié)構(gòu)不合適或調(diào)整不恰當(dāng)時，拱腹會出現(xiàn)皺波，皺波不僅會影響彎管的外觀，而且會影響彎管的流體輸送性能。對不銹鋼管道來說，皺波還會損害其耐蝕性，降低不銹鋼管道的使用壽命?？梢姡瑢Π櫜ㄈ毕莸难芯繎?yīng)該尤其得到重視[1，4，5，11-18]。 冷加工程度對 304L 鋼磁性相含量及腐蝕速率的影響見表3[1]。

表3 冷加工程度對304L鋼磁性相含量及腐蝕速率的影響

雖然理論上講，使用帶皺波的彎管會產(chǎn)生一定的安全隱患，應(yīng)該被拒絕使用。但事實并非如此，從EN 13480-4：2015實施至今，仍然規(guī)定只要皺波波高（h）和波距（a）控制在一定的范圍內(nèi)，帶皺波的彎管還是可以使用的。EN 13485-4：2015標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的彎管皺波允許值測量方法如圖5所示。

圖4 表3中帶焊縫的304L不銹鋼彎曲試樣

圖5 EN13485-4：2015標(biāo)準(zhǔn)中彎管皺波允許值測量方法

EN 13485-4：2015標(biāo)準(zhǔn)中對彎管波高（h）和波距（a）的具體要求如下

式中： h—相鄰波峰的平均高度， h=0.5（do2+do4）-do3；

a—相鄰波峰的間距。

由此可見在歐洲管道的應(yīng)用中對彎管皺波的控制并不是非常嚴格的。

1.1.3 冷彎不銹鋼彎頭應(yīng)用注意事項

（1）不同類型不銹鋼管允許冷彎后直接應(yīng)用的彎曲半徑比是不同的，超過給定限度時就必須對彎管作熱處理，然后方可使用。

（2）周期性動態(tài)載荷、高溫、應(yīng)力腐蝕介質(zhì)環(huán)境應(yīng)用的奧氏體不銹鋼管冷彎彎頭也必須作熱處理，且最好是固溶熱處理。需要特別注意的是，雖然ASTM SA403/SA403M、ASTM SA815/SA815M標(biāo)準(zhǔn)允許用彎管法制造彎管，但必須以熱處理狀態(tài)供貨，而ASTM SA182/SA182M標(biāo)準(zhǔn)是不允許用彎管法制造彎管的，詳見表1。

（3）大直徑管道通常不用冷彎彎頭，原因：①彎管機功率和成本較大；②大直徑不銹鋼管to/do很小，彎管難度、特別是避免起皺波十分困難。Φ219mm以上不銹鋼管已很少用冷彎法制造彎管。

1.1.4 鋼管局部加熱制造彎管

將不銹鋼管加熱到熱成型溫度進行彎曲可以降低彎管時所需機械作用力，該熱彎法適用于厚壁管彎管，也可用于Ro/do較小鋼管的彎管。熱彎法制造彎管不僅需要加熱工序，還必須在鋼管內(nèi)填砂，工序多、操作復(fù)雜，而且成型后的彎管還必須進行固溶或退火處理。因此，采用整體加熱制造彎管的應(yīng)用并不普遍。

文獻[24]介紹了一種只在彎管拱腹部位120°范圍內(nèi)局部加熱的熱彎U形彎頭的方法。該方法可降低彎頭拱背的減薄量，特別適合于（Ro/do）＜1.5的小曲率半徑的U形彎管。局部加熱Φ50 mm×7 mm低碳鋼管的熱彎方法如圖6所示。

圖6 局部加熱Φ50 mm×7 mm低碳鋼管的熱彎方法

1.2 模壓焊接法

模壓焊接法制作彎頭時，首先將鋼板經(jīng)冷壓或熱模成型為45°、90°、180°對稱的兩個彎頭零件，然后將兩條拼縫焊接，形成45°、90°、180°的彎頭，最后對彎頭進行熱處理制成最終產(chǎn)品。一種壓彎機的結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。模壓焊接彎頭制作方法是GB/T 13401—2014中唯一的制造彎頭的方法，也是ASTM SA403/SA403M、ASTM SA815/SA815M及ASMEB16.9標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定可采用的制作彎頭的方法。

1.2.1 模壓焊接法的優(yōu)點

該焊接法的優(yōu)點：①彎管接頭的拱背、拱腹無明顯壁厚差異，彎管接頭無圓度變異及起皺波等現(xiàn)象；②按鋼種不同的熱處理狀態(tài)供貨，適用面較廣；

圖7 一種壓彎機的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 模壓焊接法的缺點

（1）每個規(guī)格的彎頭半徑只有長、短兩種。

（2）彎頭上直管段長度很短，管道安裝時，如果設(shè)計不合理就會增加環(huán)焊縫數(shù)量。

（3）非專業(yè)生產(chǎn)，成本較高。

（4）焊接質(zhì)量要求高。焊接時最好采用不加填充金屬的自動化GTAW或PAW，單面一次成型雙面焊。只有采用GTAW或PAW焊接的彎頭可免除拍片或超聲檢驗，但必須經(jīng)嚴格目測檢驗，因為GTAW或PAW焊接的焊縫耐蝕性較好。若采用其他焊接方法或添加填充金屬來焊接彎頭，則必須經(jīng)X光拍片或超聲檢驗，這是ASTM SA403/SA403M和ASTMSA815/SA815M等標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定的。

1.2.3 模壓焊接法的應(yīng)用

（1）適用于各種不銹鋼，尤其是奧氏體不銹鋼。但不太適用于焊接性較差的馬氏體不銹鋼。

（2）適用于大直徑薄壁管道。對于to/do＜2%的5S、10S壁厚系列（見表4）應(yīng)優(yōu)先選用，壁厚在6～7mm以下的40S、80S壁厚系列也還適用。

（3）選用彎頭時，必須依據(jù)管道工作溫度、壓力和介質(zhì)環(huán)境來確定彎頭的壁厚及鋼種，并按鋼種類別及彎頭制造程序等要求特別關(guān)注彎頭的熱處理狀態(tài)。H級奧氏體不銹鋼彎頭及其他管件若為熱成型時，必須在成型后單獨作固溶退火處理，焊接后還必須作最終的固溶退火處理。固溶退火處理時，必須要保證加熱溫度、保溫時間和隨后的快速冷卻符合相關(guān)要求。美國標(biāo)準(zhǔn)中所指的 “制造過程的熱處理工序不能替代最終固溶退火處理”也是這個意思。

表4 ANSI/ASME B36.19中的不銹鋼管標(biāo)準(zhǔn)尺寸規(guī)格及其與歐標(biāo)、國標(biāo)的對比分析①

（4）模壓焊接法焊接時，若采用添加填充焊絲的焊接方法，就要注意按鋼種選用恰當(dāng)?shù)暮附硬牧?，以保證焊接質(zhì)量。

1.3 鍛造機加工彎頭

用鍛造機加工彎頭是高溫應(yīng)用不銹鋼彎頭的最優(yōu)方案，是ASTM SA182/SA182M中規(guī)定的唯一彎頭導(dǎo)管接頭件的制造方法，也是ASTM SA403/SA403M和ASTM SA815/SA815M中允許的制造方法。

鍛造機加工彎頭的優(yōu)點：①無縫管，材質(zhì)均勻性較佳，高溫耐蝕或抗蠕變性能容易控制；②尤其適合焊接性能差的馬氏體及H級奧氏體不銹鋼厚壁管道。

鍛造機加工彎頭的缺點：①制造工藝流程長；②鍛造后通常需經(jīng)機加工才能達到表面精整要求；③成本最高。用鍛造機加工彎頭的方法適合于核電站等對運行可靠性要求特別高的厚壁管道彎頭的制造。

2 彎管起皺原因及防控措施

不銹鋼彎管的制造可以采用滾彎機等多種形式，繞彎模旋轉(zhuǎn)機是最常見的機型。這里以繞彎模旋轉(zhuǎn)機為對象進行分析和討論。

2.1 繞彎式彎管機的基本構(gòu)成

繞彎式彎管機的基本構(gòu)造如圖8所示。由圖8可見，繞彎式彎管機主要由可旋轉(zhuǎn)繞彎模塊、壓緊塊、夾緊塊等部分組成。彎管時，把待彎鋼管夾緊在彎模機的壓緊塊和夾緊塊之間，使夾緊塊以適當(dāng)壓力壓住鋼管后旋轉(zhuǎn)彎模，隨夾緊塊從初始位置1轉(zhuǎn)移到2、3、4位置，鋼管即可被繞彎。

圖8 繞彎式彎管機的基本構(gòu)造

圖9 兩種帶助推的繞彎式彎管機

兩種帶助推的繞彎式彎管機的結(jié)構(gòu)如圖9所示。對比圖9和圖8可見，帶助推的繞彎式彎管機的基本結(jié)構(gòu)與圖8的主要區(qū)別有兩點：①壓緊塊或鋼管尾端增加了一個助推器（通過壓緊塊間接助推的機型是較老式的，但目前在國內(nèi)生產(chǎn)中仍在廣泛應(yīng)用，其合理性值得探討）；②壓緊塊的初始位置緊靠著夾緊塊的初始位置。可見帶助推的繞彎式彎管機上的壓緊塊把鋼管從一開始就壓在了壓緊塊與模塊之間，而圖8中的壓緊塊在一開始時與夾緊塊之間有一定的距離。文獻[24]指明壓緊塊應(yīng)有足夠長度壓緊待彎管并隨鋼管一起移動，并稱“它與鋼管之間不應(yīng)有滑動”。但有助推時，壓緊塊與鋼管之間就可能會滑動。而與壓緊塊一起支撐鋼管另一半的滑移塊（wiper die）則始終是與鋼管處于相對滑移狀態(tài)的。要使滑移塊（即圖9中的防皺塊）起到防皺作用，就必須將其前端削薄并靠近彎模與管材的相切點，這一距離應(yīng)控制在3.2～13 mm[24]，否則將不能起防皺作用。通常情況下，不銹鋼彎管的滑移塊（或防皺塊）是采用鋁青銅材料制成的。圖8中的滑移塊起到一定的支撐作用，但圖9中的防皺塊所起的支撐作用很小、因而有些工廠為了降低成本就去掉了該類彎管機上的防皺塊。

2.2 繞彎式彎管機的芯棒及其型式

繞彎式彎管機都備有芯棒（見圖8和圖9），實際上只有鋼管壁厚相對較薄時才會用到芯棒。表5列出了不同壁厚及外徑下不需要芯棒冷彎鋼管的最小彎曲半徑[24]。

依據(jù)表5給出的數(shù)據(jù)分析表明，to/do≥（3.6～4）%的鋼管冷彎時均可以不用芯棒，而且to/do數(shù)值越大，無芯棒冷彎的Ro/do值愈小。文獻[24]中未指明其適用的鋼種，但筆者認為對奧氏體不銹鋼管這一數(shù)據(jù)大致是可以參考的。

表5 不同壁厚及外徑下不需要芯棒冷彎鋼管的最小彎曲半徑

根據(jù)鋼管相對壁厚（to/do）及相對彎曲半徑（Ro/do）選擇芯棒的諾模圖如圖 10 所示[24]。圖 10（a）所示的諾模圖可以用來確定無芯棒冷彎時不同to/do和Ro/do的匹配條件。例如：當(dāng)to/do=20%時，Ro/do≥1均可進行無芯棒冷彎；但若to/do≤10%，Ro/do≥1.5時才能不采用芯棒冷彎；若to/do≤5%，Ro/do≥3.5還能進行無芯棒冷彎；而若to/do≤4%，Ro/do＞4尚可作無芯棒冷彎。

繞彎式彎管機所用芯棒有剛性或柔性可彎曲兩類多種型式。芯棒的結(jié)構(gòu)類型如圖11所示，其中， 圖 11（a）和圖 11（b）為剛性芯棒， 圖 11（c）和圖 11（d）柔性芯棒，圖 11（e）為矩形鋼管冷彎用柔性芯棒。圖 11（a）和圖 11（c）是國內(nèi)已廣泛應(yīng)用的通用芯棒。圖11（b）的剛性異型端頭芯棒用于橢圓形管的冷彎。圖11（d）的鋼纜芯式柔性芯棒具有更大的空間自由度，其適用性值得進一步探索研究。

采用芯棒的目的，一是為了防止拱腹起皺波，二是能減少拱背減薄及彎管段的不圓度。柔性芯棒一般用于t/d值更低的薄壁鋼管。圖10（a）所示的諾模圖也可以用來確定芯棒的結(jié)構(gòu)要求，例如：當(dāng)to/do=3.3，Ro/do=4時，可采用剛性芯棒；Ro/do=3時，需采用單球型柔性芯棒；而Ro/do=2.0就必須采用多球形柔性芯棒。圖10（b）所示的諾模圖則可以進一步確定彎制90°及以上彎頭時所需的球形或分段式柔性芯棒的球數(shù)或段數(shù)。可見柔性芯棒較適用于to/do≤3.3%的薄壁管冷彎，to/do越小所需的球數(shù)或分段數(shù)應(yīng)越多。材料較軟的薄壁管冷彎更要求用球形柔性芯棒[24]。

需要特別注意的是，在不銹鋼管標(biāo)準(zhǔn)中，通常只按to/do區(qū)分薄壁管（to/do≤3%）或超薄壁管（to/do≤2%），但在討論彎管時，to/do的數(shù)值還必須聯(lián)系Ro/do才能區(qū)分所稱的“薄”壁概念。采用球形芯棒和防皺滑塊作薄壁冷彎時的平均實用彎曲半徑見表6[24]。

圖10 根據(jù)鋼管相對壁厚（to/do）及相對彎曲半徑（Ro/do）選擇芯棒的諾模圖

圖11 芯棒的結(jié)構(gòu)類型

由表6給出的單球形芯棒平均實用彎曲半徑數(shù)據(jù)分析可見：對to=0.89 mm的鋼管，do=75 mm時，可彎曲半徑為381 mm，Ro/do=5.1，to/do=1.2%；但do=13 mm時，Ro=13 mm，Ro/do=1.0，to/do=6.8%。這就是說彎曲半徑很小時，to/do=6.8%仍應(yīng)視為“薄”壁彎管。分析表5和表6的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，可作為冷彎鋼管時選擇芯棒的“薄”壁度的評估值：b＞25%時，宜采用無芯棒冷彎；b=12.6%～25%時，宜采用剛性芯棒冷彎；b＜12.6%時，宜采用柔性球型芯棒冷彎。而根據(jù)圖10（a）分析，對應(yīng)的b值應(yīng)分別為b＞17.5%，b=10.5%～17.5%和b≤10.5%。兩者的數(shù)值有一定的差異，這可能是因為表5和表6的數(shù)據(jù)缺乏完整性或連續(xù)條件，以及計算時所依據(jù)的彎管機的速度、壓力、結(jié)構(gòu)等參數(shù)不完全相同?？梢哉J為圖10（a）給出的b值較合理，但所給出選擇僅具有相對的意義，而并非絕對的分界線。后文將指出這一粗略評估顯然是有價值的。

表6 采用球形芯棒和防皺滑塊作薄壁冷彎時的平均實用彎曲半徑

以上從彎管實踐中總結(jié)出的圖表數(shù)據(jù)說明：芯棒型式或有無芯棒對冷彎起皺極為關(guān)鍵。國內(nèi)近期的實驗研究已經(jīng)表明，只要采用恰當(dāng)?shù)男景粜褪剑ú捎盟那蛐景簦?，即使?0 mm×0.8 mm的304鋼管或者Φ123 mm×3.97 mm的316L鋼管都可以實現(xiàn)Ro/do=1.2或2.9無皺波的彎管[1,6]；若無芯棒，則Φ20 mm×1 mm的304鋼管Ro/do≤3.5時總是會出現(xiàn)皺波的[5]。

2.3 芯棒和彎模等的制造、安裝及其精度

2.3.1 模具的材質(zhì)及制造、安裝等要求

從本質(zhì)上講，鋼管冷彎實際上是彎模、壓緊塊和芯棒等模具共同制約下的塑性成型加工，這些相關(guān)模具的制造精度對彎管成型質(zhì)量十分重要，模具精度越高，彎曲段成型的質(zhì)量也愈高[24]。這里的制造精度主要是指彎模、壓緊塊和芯棒等與待彎鋼管的間隙尺寸及表面質(zhì)量等。表7匯總了文獻中可查到的確定模具制造精度的間隙數(shù)據(jù)及相關(guān)制約條件。

要注意的是：①文獻[24]所給出數(shù)據(jù)大都是與鋼管壁厚或外徑相關(guān)的相對值，其他有些給出具體數(shù)值的實際制約條件可能更為狹窄；②若鋼管尺寸超越表5和表6范圍時，表7數(shù)據(jù)的實用性還需要進一步驗證；③不銹鋼彎管時，剛性芯棒及柔性芯棒本體、夾緊塊最好表面鍍Cr，柔性芯棒球體，防皺滑塊、壓緊塊則宜采用鋁青銅。彎模應(yīng)采用硬木、塑料等，否則冷彎鋼管后必須酸洗鈍化。而且不宜在同一臺彎管機上既冷彎碳鋼管，又冷彎不銹鋼管。

表7 繞彎式彎管機模具材質(zhì)及制造、安裝、維護精度要求匯總①

2.3.2 模具的安裝精度

剛性芯棒、柔性芯棒本體端點位置對繞彎成型的彎管質(zhì)量十分重要，這里所指的端點為最大直徑端點。文獻[24]等認為端點應(yīng)略超過彎管起點、即彎模切點（見圖12）。由圖12可見，如果端點超過切點位置過多會造成彎管段“鵝頭”狀，但如果端點離切點位置稍遠又會造成拱腹起皺，因此芯棒的準(zhǔn)確前置量應(yīng)通過試驗來確定。文獻[8]給出的公式（見表7）更說明不同芯棒間隙時前置量應(yīng)是不同的。文獻[4]則認為應(yīng)超前0.15do，但該文中同時給出伸出量為0、Ro=2do的良好成型結(jié)果（見文獻[4]中的表1和圖2、圖4），可見該文結(jié)論尚值得推敲。

圖12 剛性芯棒端部位置對彎管質(zhì)量的影響

防皺滑塊安裝時，由于其端部削薄必須盡可能使其靠近彎模切點處，且最好能在彎模切口前15°處有效拖住鋼管拱腹部位（見圖9），否則很容易引起皺波。為此防皺塊常會傾斜安裝，但這樣有可能會引起振動。

另外，繞彎式彎管機使用一段時間后，必須注意檢測彎模凹口底部及其轉(zhuǎn)動軸頸的磨損量。該磨損量應(yīng)控制在表7所列的數(shù)值范圍之內(nèi)，這一點對薄壁彎管尤為重要[24]。

2.4 繞彎式彎管機的操作參數(shù)

2.4.1 彎管速度

彎管速度即彎管模旋轉(zhuǎn)速度決定的鋼管送給線速度，或是彎管段實際的變形速度。文獻[5]研究表明，彎管速度對彎管質(zhì)量有一定的影響，特別是對彎管起皺波的影響較大，當(dāng)to/do和Ro/do給定時，降低彎管速度可以消除或減少皺波（見圖13）。但表4、表5及圖10均未標(biāo)定彎管速度，可見文獻[5]所指明的結(jié)果并非是絕對的界限。

2.4.2 壓緊塊壓力

壓緊塊壓力是影響彎管起皺波的另一個重要參數(shù)。壓緊塊壓力在彎管過程中有兩個重要的作用：一是與彎模一起共同形成彎管必須的彎矩；二是在壓緊的鋼管接觸表面上產(chǎn)生摩擦力，并減小鋼管繞彎所要求的送給或降低送給速度。

由文獻[1]可知，壓緊塊壓力的最小值可以表達為

式中：q—壓緊塊上的壓力密度；

Lp—壓緊塊長度；

M—彎矩，其數(shù)值取決于鋼管的屈服強度、Ro/do和 to/do， 文獻[1、5、10]中可以查到M的多種表達形式。

這一計算的困難是彎管過程中圓管周長上的每條縱向纖維變形程度和硬化程度都是不一樣的，周長上每一點的屈服應(yīng)力數(shù)值將隨硬化程度而改變。因此，在計算中應(yīng)引入所涉及的硬化因子等概念或因素。也就是說po將是取決于鋼管的屈服強度、硬化因子、Ro/do和to/do的二重積分計算結(jié)果，應(yīng)用有限元方法才能取得其近似的數(shù)值，即

圖13 不同彎管速度下不銹鋼彎管的實物樣件及其對應(yīng)的有限元模擬

式中：y—鋼管橫截面上微面積元的彎管中性層高；

r—鋼管橫截面上微面積元的半徑取值；

σθ—鋼管橫截面上微面積元的實際應(yīng)力；

φ—鋼管橫截面上微面積元與拱背的偏移夾角。

彎管時，壓緊塊壓力會在壓緊的鋼管接觸表面上產(chǎn)生摩擦力，并減小鋼管繞彎所要求的送給或降低送給速度，這時如果不添加助推力，摩擦力將使 vp＜vo或 vp/vo＜1（vp為壓緊塊送進速度、 vo為彎模旋轉(zhuǎn)速度決定的鋼管中性層線速度），不能實現(xiàn)彎管；只有添加了助推力才能使vp/vo≥1，實現(xiàn)彎管。很顯然，壓緊塊壓力越大，vp/vo值將越低，這將對彎管段的實際壁厚變化、皺波高度及回彈等產(chǎn)生不可忽略的影響。

vp=1.5vo時壓緊塊壓力（p/po）對彎管質(zhì)量的影響如圖14所示[1]。對Φ50 mm×0.8 mm規(guī)格304不銹鋼管（Ro/do=1.2）冷彎時，壓緊力和助推速度對拱背、拱腹的壁厚及皺波高度等的影響見表8。

由圖14和表8可見：①增加壓力或p/po可以降低拱背的壁厚減薄量，增大拱腹的壁厚增加量，并使皺波高度和回彈都略有增加；在p/po≥8時，壓力對皺波的影響很大，這時雖然對回彈有利，且能減少拱背的減薄量，但由于對皺波特別不利，故不可取；②當(dāng)壓力為最小值時，有限元計算和試驗結(jié)果均證明，拱背的減薄量和拱腹的增厚量都不大，也沒有皺波，回彈量不大且與有無助推力的相關(guān)性不大。

以上情況說明，對傳統(tǒng)的繞彎式彎管機而言，助推（見圖9）的唯一好處是可在增加壓力的前提下減少拱背的壁厚減薄量，但對皺波極為不利。這也許是圖8中未設(shè)置助推，文獻[24]中也未討論附加助推的原因。

圖14 vp=1.5vo時壓緊塊壓力（p/po）對彎管質(zhì)量的影響

2.4.3 潤滑

在實際彎管過程中，當(dāng)p≥po，vp=0.9vo時，p所生成的摩擦力即可使壓緊塊跟隨鋼管送進。該摩擦力對鋼管來說相當(dāng)于是反向助推。文獻[5]對304不銹鋼管彎管起皺問題的有限元研究結(jié)果表明：提高摩擦系數(shù)有益于降低或消除起皺；而vp=vo即施加助推時，即使摩擦系數(shù)更小，增加潤滑或提高壓緊塊表面光潔度，亦會導(dǎo)致彎管拱腹起皺。由此可見，壓緊塊與鋼管之間不應(yīng)施加潤滑來降低摩擦力，且壓緊塊表面也不宜作拋光處理來過分提高其表面光潔度。

文獻[5]還通過有限元計算證明，若在鋼管內(nèi)側(cè)（拱腹）施加反向助推就可以改善起皺傾向，并由此提出控制壓緊塊助推距離或增加雙助推的方法以減小皺波。雙助推即壓緊塊為正助推、滑塊或防皺塊為反向（異步）助推。彎管采用雙助推時，既可利用助推減小拱背壁厚的減薄量，又可利用反助推限制拱腹的起皺及壁厚的增厚量，從而保證冷彎時的壁厚均勻。這種雙助推模式若能得以實現(xiàn)是個很有價值的創(chuàng)新。

值得注意的是，對彎管機的潤滑方法及其作用不同文獻還有不同的說法，例如：①文獻[8]指出，芯棒、壓緊塊、防皺塊、管環(huán)內(nèi)外壁都應(yīng)涂上潤滑油（航空潤滑油（60%～80%）+石蠟（40%～20%））作潤滑。這可能是國內(nèi)許多繞彎式彎管機彎管時的操作依據(jù)，但其合理性顯然是值得探討的；②文獻[24]僅指明，芯棒與鋼管必須用稠油作潤滑，滑塊或防皺塊必須高度拋光并涂上薄輕質(zhì)潤滑油，并強調(diào)油量太多或油層太厚會促進拱腹皺波，這種做法的實際意義亦值得研究；③文獻[12-13]指明，只有芯棒球體與管內(nèi)壁及滑塊與管外壁之間需要潤滑，其他部位的潤滑都是不必要的；④文獻[5]則認為“增大防皺塊工作內(nèi)凹表面摩擦系數(shù)能適當(dāng)減輕起皺的趨勢”（由于文獻[5]主要討論的是無芯棒彎管，該論述是否與此有關(guān)，還有待進一步研究）。

表8 壓緊力和助推速度對拱背、拱腹的壁厚及皺波高度等的影響

以上這些頗有些異議的觀點，說明潤滑這一問題尚待進一步深入探討，以求統(tǒng)一。

（未完待續(xù)）

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The Wrinkle Problem of Stainless Steel Elbow Pipe and Its Preventive Measures(I)

HE Defu1,SU Yongqiang2,RONG Songru1,LUO Jian2
（1.Shanghai Jiuli Industrial&Commercial Development Co.,Ltd.,Shanghai 200135,China;2.Zhejiang Detrans Piping Co.,Ltd.,Huzhou 313103,Zhejiang,China）

TG335.7

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10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.006

2017-04-19

編輯：謝淑霞

何德孚，男，上海交通大學(xué)教授，上海久立焊管研究所所長。