冷弯成形技术在钢制波纹管中的应用

2023-08-31陈婉君刘化民吉林大学辊锻工艺研究所

钣金与制作 2023年7期

文/陈婉君，刘化民·吉林大学辊锻工艺研究所

钢制波纹管是一种具有独特波纹结构的管道，可以有效提高管道的刚性，承受外部载荷或内部压力时具有较好的变形能力，被大量应用在液体、气体、颗粒物等的输送上。此外，波纹钢管还具有良好的耐磨性、抗腐蚀性，在桥梁、管线、地下综合管廊、海绵城市等领域中得到了广泛应用。

钢制波纹管成形方式包括冷弯成形、旋压、机械胀形、液压胀形等，其中冷弯成形工艺管坯受压均匀，减薄量适中，能满足高效、高精度的要求，已成为金属钢制波纹管成形的重要方式。

钢制波纹管种类

钢制波纹管可以分为分片装钢制波纹管（图1）、整管钢制波纹管（图2）和螺旋钢制波纹管（图3）三大类。一般冷弯成形工艺有：单张成形、成卷成形、连续成形和联合成形。

图1 分片装钢制波纹管

图2 整管钢制波纹管

图3 螺旋钢制波纹管

⑴分片装钢制波纹管。采用两片及以上波纹板件组装，使用高强螺栓拼接而成，具有板片薄，重量经，便于运输存放，施工工艺简单，工期短等优点。钢板材质一般常用为Q235B，高填方或大跨径时采用Q345B；截面形状一般采用圆形、椭圆形、马蹄形等，主要用于公路桥涵、铁路、市政工程和仓储等领域。目前，分片装钢制波纹管成形工艺为单张波纹板在弯弧机上弯弧—加工安装螺栓孔—现场拼装。缺点是效率低，弯弧两端带有直边，产品一致性差、安装连接困难等。

⑵整管钢制波纹管。将钢板或者钢带焊接成管形，再利用冷弯加工成环形钢制波纹管，两端焊接法兰，用高强螺栓连接紧固，法兰之间用石棉或橡胶垫圈密封，具有强度高、管节薄、重量轻、工期短等优点。钢板材质一般常用为Q235B，截面形状一般为圆形。整管钢制波纹管的特点是外形美观。密封方便，同时波纹可以增加管道的柔性，使得整个管道在不同方向上弯曲和伸缩，从而适应不同的安装位置和环境。缺点是需要整管运输，成本高。

⑶螺旋钢制波纹管。螺旋钢制波纹管1896 年发明于美国，是欧美发达国家已经使用100 多年的节能环保管材，一般采用涂覆量为600g/m2的双面镀锌钢板，经机械压波纹，卷边咬口成形。主要应用在地下排水、城市排污、公路涵洞、多功能共用管廊、打井管、灌溉沟渠、矿井逃生通道等领域，具有强度高、柔性好、重量轻、施工快、寿命长、生态环保性能稳定、工程综合造价低等特点，可作为排水管的最新替代产品。与传统的整装钢制波纹管不同，螺旋钢制波纹管的波纹是螺旋形状的，因此可以承受更大的压力和热应力。螺旋钢制波纹管的特点是波纹形状独特，具有良好的柔性和弹性，可以在不同方向上弯曲和伸缩。此外，螺旋钢制波纹管内壁光滑，不易积垢，具有较好的防腐蚀性能和长寿命。螺旋钢制波纹管大都采用连续成形，工作效率高，适合大批量生产，但是，投资比较大，而且占用面积也比较大。

冷弯成形技术

冷弯成形技术属于连续局部冷加工工艺，是通过多架次对弯角处金属施加外力，使其产生弯曲变形而制成预定形状的工艺。与热弯成形相比，冷弯成形在生产效率、生产能耗和产品质量上均更优。

冷弯成形技术作为一种高效经济的成形方法，在波纹钢管的生产制造中得到广泛应用。通过调整冷弯成形设备（图4）的参数，可以控制成形的弯曲半径、角度和长度，从而获得各种形状的波纹钢管。冷弯钢制波纹管具有与热成形钢制波纹管相同的性能，如抗压缩性、抗振性、可挠性，但成本更低，质量更稳定，因此深受钢制波纹管行业的青睐。

图4 冷弯成形设备

冷弯成形技术的优点

⑴高效。冷弯成形工艺不需要加热材料，因此具有较高的生产速度，可以满足大规模生产的需求，生产效率可达冲压工艺的10 倍以上。

⑵成本低，材料利用率高。大规模生产情况下，冷弯成形的成本少于冲压，模具使用寿命却高于冲压。一套组合式辊片可以生产出不同规格的冷弯型钢。材料利用率高，相比冲压成形，冷弯成形省料15%～30%。

⑶节能环保。冷弯成形工艺能耗较低，无需消耗大量能源，有利于环境保护。

⑷近净成形。可在线集成预冲、割、焊、攻牙、铆等多种加工工序，实现产品的近净成形，不再加工或仅需少量加工，就可用作机械构件。

国内冷弯型钢生产状况

生产现状

二十世纪五六十年代，我国开始生产冷弯型钢，主要用于农机领域。二十世纪八十年代，冷弯型钢产品标准实施，产品也开始应用于客车、汽车、电器、建筑门框等行业。截至目前，全国冷弯型钢产量达到了1 亿吨/年，且近十年来冷弯型钢产量的年增长速度接近30%，产值数千亿元；全国冷弯型钢企业超过5000家，主要集中在沿海地区，从事冷弯行业的人员多达百万；当前正在建的大型冷弯型钢机组超过50 套；冷弯型钢产品种类数量超过3000 种，包括简单的开闭口断面型钢、异形复杂断面型钢、宽幅波纹板型钢、带孔型钢等，由小到大，由薄到厚，规格齐全，基本形成系列化。

存在的问题

虽然我国冷弯型钢行业经过了将近 70 年的发展，也取得了很多的成就，但是仍然存在如下问题。

⑴冷弯型钢的产量和使用比例均较小。我国的冷弯型钢产量占粗钢产量的比重不足4%，而同时期欧美发达国家占比达到了10%～20%。我国冷弯型钢使用量占钢结构用钢量的7%，国际平均使用量为15%，美国冷弯型钢占钢结构用钢量的比例更是达到了惊人的70%。

⑵冷弯型钢发展地域分布不均衡。我国绝大多数的冷弯型钢企业聚集在长三角和珠三角等发达沿海地区。而具有巨大市场潜力的西部地区、西南地区和西北地区很少，东北地区的冷弯型钢行业长期低迷，急需市场开发。

⑶专用钢材开发落后。我国的专用钢材不能满足用户需求，会出现一些质量问题，如材质不稳定，硫杂质含量超标、尺寸公差过大等，同时在高强塑性的细化晶粒钢和纯净钢方面存在着质量差异。

⑷与发达国家相比，国内产品品种规格少，产品质量堪忧。冷弯型钢生产企业不但企业规模偏小，产业集中度也很低，产品同质化严重，竞争激烈。缺乏大型、微型或有特种要求的专业化配套型钢，国内能够制造技术含量较高的产品的企业不多，产能很低，大部分企业尤其是中小型企业只能生产低端建筑型材。

冷弯成形钢制波纹管在各行业的应用

海绵城市的应用

在海绵城市建设中，冷弯成形钢制波纹管可以作为雨水收集系统的主要管道，将城市屋顶、道路等地表雨水收集起来，通过管道输送到雨水处理设施进行处理和利用，见图5；作为雨水渗透设施的构件，如渗透井、渗透沟等，将雨水引入地下，提高地下水位，缓解水资源短缺问题，见图6；用于生态廊道与绿地系统的建设，如生态涵养区、湿地公园等，提供生态修复和景观效果；作为海绵城市基础设施的构件，如海绵广场、海绵道路等，增加城市的透水性能，减少内涝风险。

图5 排雨污水钢管

图6 波纹钢管蓄水池

相比铸铁管和混凝土管，冷弯钢制波纹管具有材料成本低、高强度和轻质、良好的抗腐蚀性能、施工简便、使用寿命长等优点。

对于较短的管道或不需要弯曲的场景，整管钢制波纹管更加适用，其强度更高，密封性更好。但是，在需要弯曲的管道系统中，分片装钢制波纹管更加实用，因为分片装钢制波纹管可以根据需要组合成不同长度和角度的管道，更加灵活。对于一些特殊情况，如需要在现场制造管道的场景，螺旋钢制波纹管则更加适用，螺旋钢制波纹管可以在现场制造成不同长度和角度的管道，适用性更高。

地下综合管廊的应用

在地下综合管廊工程中（图7），冷弯成形钢制波纹管可用于排水系统的排水沟和排水管；可用于通风系统中的通风管路，保障空气流通和排出有害气体；可用于地下综合管廊的防火系统防火管道；还可用于地下综合管廊的电缆保护系统，制成各种形状和尺寸的电缆保护管道。

图7 地下综合管廊

钢制波纹管通常比钢筋混凝土管廊更适用于小型管道和短距离输送，具有良好的柔性和密封性，可以适应地面的变化和管道的弯曲。同时，钢制波纹管的制造和安装成本相对较低，可以节省工程成本，而且运输方便，安装快，施工精度高。

在涵洞工程中，冷弯成形钢制波纹管可以用于涵洞的排水系统、通风系统、支撑系统（波纹管可以制成各种形状和尺寸的拱顶和侧壁支撑结构）、防护系统（保护涵洞结构免受水流和泥沙的冲击和侵蚀），见图8。

图8 波纹钢管涵洞

冷弯钢制波纹管用于涵洞，具有良好的抗振性能和防渗性能。相比混凝土涵洞，钢制波纹管使用寿命长（大于100 年），施工周期短、难度小、造价低，抗变形能力强，通车后维护成本低，具有明显的经济优势和使用优势。

而且，由于轴向波纹的存在，可以将荷载引起的应力应变沿轴向和径向共同扩散，更大程度地消散荷载的应力集中。特别是在寒冷的冻土、软土、膨胀土、湿陷性黄土等地区，具有显著的经济效益。钢制波纹管涵洞对供热管道具有避免管道位移的作用，因此，加热管道的除锈也是钢制波纹管涵洞寿命的保证，除锈方法有工艺除锈、机械除锈和化学除锈。

实践证明，用钢制波纹涵管代替钢筋混凝土进行涵洞施工，在施工周期、施工造价、环保意义等方面都有其不可比拟的优越性，且用金属波纹涵管进行涵洞施工，可大大提高道路行车的舒适度与安全性，避免道路中涵洞的“错台跳车”现象，有效解决了西北及我国寒冷地区霜冻对管涵结构的破坏问题。

水利农业的应用

水利农业是农业生产中水资源开发、利用和管理的重要组成部分。冷弯成形钢制波纹管在水利农业建设中具有广泛的应用，主要包括以下几个方面。

⑴灌溉渠道：钢制波纹管可作为灌溉渠道的主要构件，将水库、河流等水源引入农田，满足农作物生长所需水分。

⑵排水系统：钢制波纹管可作为农田排水系统的主要管道（图9），将多余的水排放到河流、水库等地，防止农田积水。

图9 波纹钢管倒虹吸

⑶水库与蓄水池：钢制波纹管可用于水库与蓄水池的建设，提供稳定的水源供应，见图10。其高强度和轻质的特点使得管道在水库与蓄水池的建设过程中具有较长的使用寿命和较低的维护成本。

图10 波纹钢管水库泄洪

⑷节水灌溉技术：钢制波纹管可应用于滴灌、喷灌等，提高灌溉水的利用率，节约水资源。

⑸水土保持工程：钢制波纹管可用于水土保持工程的建设，如抗滑堤、筑坝等，防止水土流失，保护农田生产环境。

⑹渔业养殖：钢制波纹管可用于渔业养殖场的建设，如养鱼池、虾塘等，提供稳定的水源供应，改善养殖环境。

⑺农田水利设施维护：钢制波纹管可用于农田水利设施的维护，如疏浚河道、清淤渠道等，确保农田水利设施正常运行。

⑻水资源监测与管理：钢制波纹管可用于水资源监测与管理系统的建设，如水位观测站、水质监测站等，为决策者提供准确的水资源数据，指导水利农业政策制定。

在水利和农业应用中，选择冷弯钢制波纹管的类型主要考虑以下几个方面。

⑴使用条件和要传输的流体：传输清水或稍带悬浮物的流体，一般选择分片装钢制波纹管或整管钢制波纹管；传输含有较多悬浮物的流体，为防止堵塞，应选择螺旋钢制波纹管。

⑵管路安装条件：管路空间较小且有较多转向，应选择体积小、转向性能好的分片装钢制波纹管；管路空间较大且管道较直，可以选择体积大、经济性更高的钢制波纹管。

⑶经济性：从成本考虑，一般分片装钢制波纹管<整管钢制波纹管<螺旋钢制波纹管。所以，如果项目经济性要求较高，应优先考虑分片装钢制波纹管或整管钢制波纹管。

⑷技术要求：分片装钢制波纹管和整管钢制波纹管的技术难度和成本较低，螺旋钢制波纹管的技术难度和成本较高。所以从技术角度，分片装钢制波纹管和整管钢制波纹管更易实现。

煤矿坑道的应用

在煤矿坑道领域，钢制波纹管的优势主要体现在管道的强度、抗振性和耐腐蚀性方面。煤矿坑道环境恶劣，空间受限，对管材的要求较高，冷弯成形钢制波纹管正好满足这些要求。冷弯成形钢制波纹管的强度可以达到普通钢管的3 ～5 倍，可以承受较大的应力，解决了煤矿坑道中管道常面临的高压、重载的状况。同时，冷弯成形钢制波纹管具有良好的抗振性能和耐腐蚀性能，可以在地质条件复杂、经常发生地震等自然灾害的地区使用，确保煤矿坑道的安全运营。此外，冷弯成形钢制波纹管的安装和维护成本较低，能够有效降低煤矿坑道的运营成本。因此，冷弯成形钢制波纹管在煤矿坑道领域具有广阔的市场前景。

在煤矿坑道中的应用，钢制波纹管的选择需要考虑以下因素：煤矿坑道内要传输的介质一般为压缩空气、水等，不存在较多的固体悬浮物；同时，煤矿坑道内空间狭小，管路多弯路。因此，分片装钢制波纹管由于体积小，转向性能好，更易于在狭小空间和多弯管路中铺设，整管钢制波纹管和螺旋钢制波纹管不太适用。综上，对于煤矿坑道的应用，分片装钢制波纹管是首选方案。

桥梁和隧道工程的应用

在桥梁和隧道等工程中，冷弯成形钢制波纹管展现了高强度、耐久性的特点。

在桥梁工程中，冷弯成形钢制波纹管常用于桥墩和梁体的承重结构，见图11、图12。由于公路桥梁跨度大、载荷重，对结构管材的强度要求高，冷弯成形钢制波纹管的强度可以达到普通钢管的3 ～5 倍，完全满足桥梁结构的需要。同时钢制波纹管具有一定的可塑性，可以吸收动态载荷的冲击，提高结构安全性。

图12 大跨径波纹钢板管拱通道

在隧道工程中，冷弯成形钢制波纹管常用于支护结构，如造拱、锚杆等。隧道内环境恶劣，对管材强度和耐久性都有较高要求。冷弯成形钢制波纹管不仅强度高，而且通过表面处理具有良好的耐腐蚀性，可以长期运行维持结构安全。同时，冷弯成形钢制波纹管自身重量轻，易运输安装，也方便在隧道这种空间狭窄场所施工。

公路建设的应用

目前，我国公路建设步伐加快，上万公里的高速公路和普通公路需要大量结构安全管材，这为冷弯成形钢制波纹管的应用创造了条件。

冷弯成形钢制波纹管在公路应用中的选择主要根据以下几点考虑：承载能力要求较大，建议选择整管钢制波纹管或螺旋钢制波纹管，这两种类型的钢制波纹管壁厚较厚，能更好地承受较大的轴向压力和径向压力；承载能力要求不大，分片装钢制波纹管也可以满足要求，而且成本较低；管径较大，整管钢制波纹管和螺旋钢制波纹管由于制作工艺限制，最大管径会受到一定限制，这时只能选择分片装钢制波纹管。如果管径在一定范围内，任何类型的钢制波纹管都可以满足要求。

综上，公路应用钢制波纹管的选择需要根据工程的具体情况进行综合判断。一般来说，小管径、承载能力要求不大的情况下，分片装钢制波纹管是首选；大管径或承载要求高的情况下，整管钢制波纹管或螺旋钢制波纹管会更加适用。