大型厚壁弯管弯曲半径的特点及测量方法

陈红宇 郑建能 张 进

(1．二重(德阳)重型装备有限公司，四川618013；2．国家能源极端装备虚拟制造重点实验室，四川618013)

弯管是弯头两端或一端带有一定长度的直管，在管路中的主要功能是改变介质流动方向，提高管路的柔性、缓解管道振动和约束力、补偿热胀冷缩等[1]。第三代压水堆核电站的发电功率均在1000 MW以上，其主管道均采用直管和弯头、管嘴与管道整体锻造结构的大型厚壁弯管，形状复杂，服役时处于高温、高压、高速蒸汽冲刷以及酸性介质腐蚀的工况[2]，尺寸大，力学性能、抗腐蚀性能以及尺寸精度要求高，制造难度很大。

1 锻造主管道弯管工艺及弯曲半径的特点

第三代核电主管道尤其是热段一般采用弯径比1.5、厚径比0.08的大型厚壁弯管，大于101.6 mm(4英寸)的管嘴采用一体化锻造[3]。根据国内外制造企业目前的技术能力、装备能力以及技术要求，第三代核电锻造主管道弯曲成形主要采用模压弯管和中频弯管成形，模压弯管包括冷模压弯管工艺和热模压弯管工艺，各制造企业基于各自装备能力和技术储备情况，采用三种工艺方法均能够制造出满足设计要求的产品，其中冷模压弯管和中频弯管成形制造的产品已经服役并平稳发电。

1.1 冷模压弯管工艺

模压弯管过程是包括几何非线性、材料非线性和接触非线性的复杂过程，在模压弯管成形过程中，通过成形上模和成形下模施加力矩使管材外腹拉伸、内腹压缩，从而得到需要的弯曲半径和弯曲角度。冷模压弯管工艺的优势在于弯曲成形过程便于操作和检测，弯曲过程晶粒不会长大；冷弯的缺点在于弯曲过程中要产生较大的变形抗力，回弹量大，成形过程需要较大吨位的压机和强度较高的模具；由于弯曲过程成形力大，弯管内部需要填充足够强度的成形芯模，否则，弯管处的椭圆度将会超标。

冷模压弯管过程中，弯曲半径和壁厚存在以下规律：

F=σA

(1)

σ=kεn

(2)

ε=ln(1+δ)

(3)

eε=1+δ

(4)

A=A0/(1+δ)

(5)

F=σA=kεnA0/(1+δ)=kA0εn/eε

(6)

式中，F为变形抗力，σ为变形后的真应力，A为变形后的截面积，A0为原始截面积(常数)，n为材料形变硬化指数，k为变形常数，ε为真应变，ε由弯径比R/D决定。

对于316LN超低碳奥氏体不锈钢，材料形变硬化指数n约为0.59，根据公式(6)，对εn和eε分别求导，当nε1-n=eε时，ε=0.182，即R=2.5D时，冷弯成形过程强度的增加和截面的减少比率相等。表现为当R≥2.5D时，冷弯成形过程强度的增加量大于等于截面的减少量，变形后的σA增大，变形后不再继续变形，表现为变形后壁厚均匀；当R<2.5D时，冷弯成形过程强度的增加量小于截面的减少量，变形后的σA小于原始的σA，变形后要继续变形，表现为先变形的区域壁厚小，后变形的壁厚大。即，当R≥2.5D时，弯曲成形后弯曲段整体壁厚均匀；当R<2.5D时，弯曲成形后弯曲段最先变形的区域壁厚最小，逐步增加过渡到直段壁厚。根据以上分析，当R≥2.5D时，弯曲成形后弯曲段整体壁厚均匀，变形均匀，表现为弯曲半径均匀；当R<2.5D时，弯曲成形后弯曲段中间壁厚最小，逐步增加过渡到直段壁厚，表现为中间弯曲半径小，逐步向两端增加，半径不均匀。

1.2 热模压弯管工艺

热模压弯管工艺的优势在于弯曲过程中管坯基本是完全的塑性变形，弯曲成形后回弹小，通过后续的整形，弯曲半径和弯曲角度控制精度高；缺点是坯料在反复加热过程中晶粒会长大，发生变形的部位和未发生变形的部位晶粒差别大，直段未变形区域的晶粒度长大甚至可能超标；采用热弯时管坯内无法填充成形芯模，使工件产生较大椭圆度，需要做多次校圆处理。

热模压弯管工艺由于需要多次压弯和校椭，选用的锻坯弯曲部分直径要大于弯曲后的直径，由于弯曲过程变形量大，需要分为多次压弯成形，否则成形后的椭圆度无法满足要求。在压弯工序后，需要进行椭圆度整形、结构尺寸整形，需要一系列弯制和整形模具[4]，对模具和操作要求极高，制造周期长。

1.3 中频弯管工艺

采用中频弯管工艺成形时需使用专用的中频弯管机，中频弯管机通过感应导电圈加载中频电流产生交变磁场，在管件本体引发感应电流，通过感应电流加热需要弯曲的部位。弯管时管件前端通过夹头固定在转臂上，支撑轮固定管件的轴线位置，保证管件、感应导电圈及夹头同心。感应导电圈将管件局部加热到800～1200℃，后部液压油缸推动工件，通过前夹头与支撑轮对管件运动的限制形成弯曲力矩，该弯曲力矩使管件绕回转中心转动，一边加热、一边弯曲，从而将管件弯曲成所需要的弯曲半径和弯曲角度。管件加热部分在弯曲后利用感应导电圈上的喷水装置对管件进行喷水急冷，提高非弯曲部位的强度来保持管件的截面形状。

第三代核电主管道一般采用弯径比1.5的大型厚壁弯管，由于外径、壁厚较大，需要大功率的专用中频弯管机。弯管过程内腹增厚、外腹减薄变形约33%，弯管过程无法进行芯模支撑，弯曲成形后椭圆度较大。由于弯管过程变形量较大，变形区域集中在弯头部位，成形后增厚、减薄量较大，内腹压缩变形大，容易出现较大的凸凹。此外，当一体化管嘴靠近弯曲段时，由于一体化管和加热感应导电圈、支撑轮发生干涉，无法进行中频弯管操作。

2 锻造主管道弯曲半径测量方法及分析

2.1 三种成形方法的弯曲半径特点

在实际使用过程中，弯管内孔弯曲半径对流量具有实际意义，外圆的弯曲半径对设备的布置具有意义。由于内孔弯曲半径难以直接测量，技术规范一般要求测量弯曲段外圆的弯曲半径。由于弯曲段存在椭圆度且内腹、外腹存在壁厚不均的问题，即使外圆是均匀的弯曲半径，内孔半径也不是均匀的，因此ASME标准和RCC-M标准对弯管的弯曲半径没有强制性要求，工程应用时对功能的影响也不大。

对于冷弯成形的弯管，当R≥2.5D时，内外圆弯曲半径较为均匀；当R<2.5D时，内外圆弯曲半径不均匀。对于热弯成形和冷弯成形的弯管，虽然可以通过校正外圆将弯曲半径校正为规则形状，由于壁厚的不均匀，内孔弯曲半径也是不均匀的。对于中频弯管成形的管道，由于弯管内腹存在凸凹缺陷，弯曲半径更难以准确测量。

2.2 弯曲半径测量方法及优缺点分析

2.2.1 外腹、内腹圆弧轮廓拟合计算法

(1)检测方法介绍

使用激光跟踪仪采集弯曲段外腹、内腹侧母线轮廓线数据，利用两端直段外圆数据拟合中心轴线构建平面，此平面则是测量基准面；利用弯曲段外腹、内腹侧母线轮廓线上的点分别拟合计算内轮廓与外轮廓的圆弧半径R内、R外，之后通过(R内+R外)/2计算得到弯曲半径实际值。拟合计算点位图见图1。

图1 拟合计算点位图Figure 1 Fitting calculation point map

(2)优缺点分析

该方法是弯曲半径的直接测量方法，便于操作，便于理解。在外腹、内腹侧母线为均匀弯曲半径时，该方法测得的外腹、内腹半径同心；对于外腹、内腹侧母线为不均匀弯曲半径时，内外轮廓线上的点拟合的圆心很可能不重合，在外腹、内腹不同心的情况下通过(R内+R外)/2计算弯曲半径，该弯曲半径难以反映实物的真实尺寸。此外，对于内腹存在凸凹缺陷的弯管，内腹弯曲半径难以测量。

图2 无圆心圆弧弯曲半径测量尺Figure 2 Measuring ruler for bending radius of arc without center of circle

2.2.2 弯曲半径测量尺测量方法

(1)检测方法介绍

上海核工程研究设计院施永兵、徐臻、陈敏等提出采用弯曲半径测量尺测量弯曲半径的方法[5]，其基本原理是将弯曲段内腹、外腹侧母线均分为若干个圆弧段，利用图2无圆心圆弧弯曲半径测量尺测量每段圆弧的弧高H，结合左支腿或右支腿到横梁中心的距离W，根据公式(7)计算每个圆弧段的半径，每个圆弧段的半径测量后计算平均值。

(7)

(2)优缺点分析

该方法提供了大型弯管弯曲半径测量的另一种思路，是一种方便实用的测量方法。在外腹、内腹侧母线为均匀弯曲半径时，测得的外腹、内腹半径较为准确；在外腹、内腹侧母线为不均匀弯曲半径时，仍然存在内外腹半径圆心不重合的问题，此外，圆弧划分的方式不同，测量的弯曲半径也会存在偏差，对于内腹存在凸凹缺陷的弯管，内腹弯曲半径同样难以测量。

2.2.3 利用直段确定圆心的拟合计算法

(1)检测方法介绍

二重(德阳)重型装备有限公司陈红宇、张进、余苏提出利用直段确定圆心的拟合计算法[6]，其基本原理是采用激光跟踪仪采集直段外圆和弯曲段内外腹侧母线轮廓点，利用两端直段外圆拟合中心轴线构建平面；之后作直段中心线对应的辅助平行线，交汇得到弯曲段圆心，平行线距离作为弯曲半径名义值R；计算内外腹侧母线轮廓点到圆心的距离，计算内腹、外腹弯曲半径均值，利用内腹、外腹弯曲半径均值计算弯管的弯曲半径。

(2)优缺点分析

本方法通过作平行于直段中心线的辅助平行线确定内腹、外腹圆心，交点唯一，内外圆弧同心；通过直段确定弯管的弯曲角度后，由圆心向直管段中心线做垂线，垂线即为圆弧边界，使计算使用的数据点和圆弧实际区域一致；采用本方法测量的弯曲半径，不受人员、设备因素的影响，即使对于内腹存在凸凹缺陷的弯管，也能够进行测量，检测结果唯一。本方法的缺点是先按照弯曲半径名义值确定圆心，若实际弯曲半径和名义弯曲半径偏差较大时，会将实际的直段或弯曲段按照圆弧计算，带来测量偏差。

3 结束语

冷模压弯管工艺、热模压弯管工艺和中频弯管工艺是目前第三代核电锻造主管道制造采用的主要工艺方法，三种工艺方法均能够制造满足设计要求的产品。通过对采用三种工艺方法制造的产品弯曲半径特点和半径测量方法进行分析，表明利用直段确定圆心的拟合计算法测量的弯曲半径内外圆弧同心、检测结果再现性强，是更为合理的测量方法。