弯管质量缺陷原因分析与预防措施

2020-09-24吴家顺

石油和化工设备 2020年9期

吴家顺

（四川川润动力设备有限公司，四川自贡 643000）

管子的弯曲工艺与锅炉制造工业的发展有关。随着国家节能、环保要求力度加大，各类节能环保余热锅炉得到广泛应用，其中，水泥窑、玻璃窑等大量余热锅炉，因其锅炉布置结构紧凑，受热面通常采用大量的小口径、薄壁管组成，弯管半径R小，常常采用管子φ42×3.0R55、φ38×3.0R45的管子制作，弯管工艺难度大，很容易造成椭圆度、减薄量过大、弯曲鼓包、弯裂等质量问题，使管子承压能力降低，影响锅炉安全运行及使用寿命。为减少锅炉运行事故的发生及停炉造成的经济损失，对弯管质量缺陷产生的原因进行分析，制订相应的预防措施办法，弯制出优质管件具有十分重要意义。

1 常见的弯管质量缺陷

常见的弯管缺陷主要有以下几种类型：管子弯头椭圆度过大、弯头外侧壁厚减薄严重、弯管内侧皱褶、弯头鼓包、弯裂等质量缺陷。见图1。对于不同的材料及弯曲半径，产生的缺陷的位置及类型往往不同，有的只有其中的一种或更多。对于薄壁管来说，更容易产生这些缺陷，危害更大。

图1 常见弯管质量缺陷

2 产生弯管质量缺陷的原因

管子弯曲变形过程中，管子受到外力的作用见图2，管子弯曲的外侧受拉应力的作用，管壁伸长，壁厚变薄；而管子内侧的管壁受压应力的作用，管壁缩短，壁厚增厚；管子中性层由于所受的拉应力与所受的压应力相互抵消则保持不变；在弯曲的同时，弯曲管子的两侧由于所受拉应力和所受压应力合力的作用，使得管子两侧内壁向中性层靠拢，使管径变小，而管子弯头上下两侧呈自由变形，使管径增大；管子的相对厚度小于一定的值时，管子内侧在压应力的作用下，由于失稳可能会形成波浪形的皱褶；而外侧壁在拉力的作用下，管壁减薄，在失稳状态下，还有可能形成断裂等缺陷。

图2 弯管受力示意图

另外，由于弯管设备性能、模具选择或工装安装不当，工艺参数（拉弯力、侧推力、顶镦力及其速度）不匹配等，也同样会产生不同类型的缺陷。

随着现有的弯管机性能不断提升，当管子相对壁厚S/D≥10%，相对半径R/d≥1.5时，选择带有侧推或顶镦的弯管设备，能获得较好的弯管质量，当S/D＜10%，相对半径R/d＜1.5时，弯管难度加大，产生质量缺陷的几率增加，随着管子壁厚越薄、相对半径越小，越容易产生上述缺陷。

现对不同的弯管质量缺陷产生的具体原因进行分析。

2.1 弯头椭圆度过大

产生椭圆度过大的原因主要有以下几种情况：管子在弯曲时，由于受F1和F2合力作用（见图2），使管子两侧内壁向中性层靠拢，使管径变小，产生椭圆，当相对半径越小，合力就越大，越容易产生椭圆；弯管操作时，当采用机械加芯弯时，芯轴伸长量过小，芯轴与管壁间隙较大，芯轴对管壁起不到应有的支撑作用；对薄壁小R弯管，未使用反变形滑槽或反变形不足，或夹紧力不够，不能起到反变形的作用；当工艺参数不协调，弯管速度过快，侧推力和顶镦力速度过慢时使管子阻力过大，以上几种情况都可能产生较大的椭圆变形。

2.2 弯头外侧壁厚减薄过量

管子弯曲过程中，弯头外侧受拉应力的作用，产生塑性变形而变薄，同时，如果选择的设备不带侧推或顶镦力过小，当弯管速度过快，夹紧力过大，管子所受的阻力就越大，减薄就会越多，对于小R薄壁管尤其突出；当采用芯轴弯管时，芯轴伸长量过大，或润滑不到位，弯管速度越快，摩擦阻力越大，减薄量也越大。

2.3 弯头内侧起皱

管子弯头内侧壁起皱影响因素较多，主要有管子弯曲时夹紧力过小，内侧壁与弯管模具未贴合紧密，同时，弯管速度过慢，侧推、顶镦力速度过快时，弯曲失稳造成。采用芯轴或防皱板时，芯轴伸长量不足，防皱板未安装到位，未起到应有的支撑作用；另外，当管子壁厚不均匀时，也容易造成弯曲失稳，产生起皱。

2.4 弯头终止部位鼓包

弯头鼓包分两种情况：一是由于采用的反变形滑槽，弯管终止部位外侧会存在部分反变形无法恢复的原状，出现椭圆形凸起；二是弯管终止部位内侧由于在弯管过程中受压力和拉应力作用，产生塑性变形，形成“缩颈”；弯头鼓包影响外观质量，严重时，弯曲变形会降低管子承压能力，影响使用寿命。

2.5 弯头外侧弯裂

引起管子弯裂的原因较多，如弯曲时，压轮（或滑槽）夹紧力过大，造成管子所受阻力太大；由于管子原材料热处理不当，造成晶粒粗大；管子壁厚不均匀，弯管速度过快，失稳；弯管速度过慢，侧推、顶镦力速度过快；当采用芯轴弯管时，芯轴伸长量过大，芯轴与管子外侧壁摩擦过大等都有可能出现管子弯裂。

3 弯管缺陷的应对措施办法

通过以上对不同弯管质量缺陷的原因进行分析，产生弯管质量缺陷的主要因素有以下几类：设备选择是否合理（如是否带侧推或顶镦）、工装模具设计是否合理、工艺参数协调匹配是否合理、弯管操作方法是否正确等，在管件弯制过程中，针对这些缺陷，采取相应的预防措施，可减轻或消除对弯管质量缺陷的影响，以获得较好的弯曲管件。

现就具体的每种缺陷提出相应的解决方法。

3.1 弯头椭圆度过大的解决措施

在设计时，尽量选择较大的弯曲半径，如结构空间有限，可增加设计焊口，在弯头部位增加壁厚；当设计方案一定时，可以通过以下工艺方法消除影响弯头质量的因素：

(1)增加反变形滑槽（或反变形压轮），使管子在弯曲前，其外侧产生凸出变形，以便弯曲过程中，此凸出变形抵消椭圆变形（如图3），变形量的大小与管子的材料、相对弯曲半径R和相对壁厚等有关，可通过夹紧力的大小或滑槽反变形R的大小进行调整。

图3 反变形无芯弯管示意图

(2)调整工艺参数，降低弯管速度，增大侧推力、顶镦力，使之达到综合平衡状态，减小F1和F2合力作用对管子两侧内壁向中性层靠拢的影响。

(3)在管子弯曲前，管子内部增加一芯轴，使芯轴与弯头外侧壁贴合紧密，并在芯轴头涂上润滑油，减少管子外壁弯曲变形。

3.2 弯头外侧壁厚减薄过量的消除

管子弯曲过程中，弯头外侧受拉应力作用而变薄，可以选择带侧推和顶镦的弯管设备，增加侧推力、顶镦力，改善管子弯头受力分布状态，减小管子中性层偏移速度，适当减少夹紧力，减小管子所受的阻力，保持弯曲拉应力与侧推力、顶镦力及其速度的平衡，使管子变形均匀；当采用芯轴弯管时，调整芯轴伸长量，使芯轴与弯头外侧壁贴合紧密即可，不能过量，并涂上润滑油，减少芯轴与管壁摩擦增加的阻力引起的减薄。

3.3 弯头内侧壁起皱的消除措施

管子弯头内侧壁起皱影响因素较多，针对不同的原因进行消除：主要有增加夹紧力，使内侧壁与弯管模具贴合紧密，同时，减小侧推力、顶镦力及其弯管速度；采用芯轴或防皱板时，调整芯轴伸长量，防皱板安装到位，起到应有的支撑作用；另外，弯头部位选择壁厚均匀的管子，壁免弯曲失稳造成起皱。

3.4 消除弯头鼓包

弯头鼓包影响外观质量，严重时，弯子变形影响使用寿命。弯头外侧鼓包是由于采用的反变形滑槽引起的。解决措施：如果是180°，可在180°弯头的终端位置（终弯点处至弯头内侧10-20mm范围）处，减小滑槽椭圆弧R值，使弯头终端部位外侧区域少变形或不变形，弯头反变形椭圆与直段逐步过渡；如果在弯管终止部位内侧形成“缩颈”可通过修整弯管模盘，减少变形量；也可以减小在弯曲弯头终弯部位的夹紧力，使弯头内、外侧变形量变小，与直段逐步过渡。