小直径多曲率高压弯头芯棒的设计

小直径多曲率高压弯头芯棒的设计

韩大虹

中国石油天然气第八建设有限公司，辽宁 抚顺 113006

摘要：弯头是油田注汽锅炉的主要受压元件，按规格分为180度、90度、60度、45度等弯头，弯头主要作为锅炉辐射段、对流段、过热段、冷凝段内管束之间的连接件，使各单体在有限的空间内，达到理想的换热面积。锅炉运行过程中，弯头处受到冲击力及腐蚀情况要远远大于直管段处，且弯头凸边受到的冲击力远大于弯头凹边，致使弯头受力不均导致弯头开裂的严重后果。因此研究如何提高制作弯头的质量显得尤为重要。

关键词：方法参考；工艺；分析方法

采用传统的热煨方式，不可避免的会出现弯头凸边受拉减薄，凹面受压增厚的现象，利用牛角芯棒热推制弯头是现有各种弯头加工制作的最有效方式之一。

1、利用中频感应推制弯头

1. 1推制方法

热推制弯头采用卧式弯头推制机，牛角芯棒和中频感应加热装置，使套在导杆的基管在推制机的推动下向前匀速运动，导杆前端与牛角芯棒连接，基管在牛角芯棒处通过中频加热装置的感应圈被加热、经过扩径和弯曲两种变形方式，最终形成弯头。推制后的弯头都会有一定的回弹量，导致弯头中心距过大，因此弯头推制好后，利用弯头在热状态下进行整形。另外，推制成形的弯头都存在前端外径大以及端口椭圆的问题，要通过整形胎具进行整形。

理论上弯头推制过程中，其壁厚不会发生变化，但在推制过程中存在一些不稳定的因素，有时会发生壁厚减薄的现象，所以在基管投料时，壁厚要加一定的余量，防止在推制过程中由于局部减薄导致弯头壁厚超差。一般余量约为1mm。

1.2推制工艺流程

热推制弯头采用整段钢管作为基管，推制工艺流程如下：

编织工艺→锯床下料→基管内壁润滑→上料→热推制→整形→端部齐口→通球→热处理（如需要）→压力试验（如需要）→坡口处理→尺寸检验→磁粉检测→成品。

国内外生产弯头大多采用热推制方式，因其具有生产效率高、产品质量好、生产过程连续性强、机械化程度高等优点。缺点是无法推制出带直段的弯头，中频感应加热装置耗电量大，牛角芯棒形状复杂，没有准确的计算公式，制造较为困难，设备投资成本高。

1.3利用网格法研究金属流动规律

在Ф80*15mm的弯头基管上划出边长为20*20mm的正方形网格。如图2.1所示，沿基管周向的平行线称为经线，沿基管长度方向分布的，在空间上保持平行的划线称为纬线。通过推制前后对网格变化的对比，可以看出发生金属流动的区域，以及金属的主要变形区，从而确定弯头推制后容易产生应力集中的区域。

图1.1基管划线图

图1.2推制后外侧网格变化

图1.3推制后内侧网格变化

从图1.2、图1.3可以看出，弯头推制成型后的网格线与原来基管的网格线有着明显的不同，纬线有直线变成弧线，处于外弧顶的纬线长度基本保持不变，处于内弧顶的纬线缩短长度最大，纬线沿外弧顶至内弧顶逐渐缩短，从经线的变化情况来看，原先基管上的平行经线变成以弯头的中心点为原点的，沿弯曲半径方向的放射线。并且处于内弧面的经线的伸长量最大，有内弧顶至外弧顶经线伸长量逐渐减小，在外弧顶处的方格尺寸基本保持不变，由此表明在推制过程中弯头外弧顶只受弯曲的作用力，弯头内弧顶受到弯曲和拉伸两种作用力。由外弧顶到内弧顶受到弯曲和拉伸两种作用力逐渐增大。

基于上述分析，可以确定基管的投料长度为中性面的弧长加上工艺余量，即投料长度L的计算公式为：

式中：；

；

。

1.2.1基管外径的确定

假定弯头基管的长度为L，直径为d,厚度为S，从而求的基管的体积为：

式中：；

；

图1.1基管剖面图

弯头推制成型后的体积为：

式中：；

；

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图1.2弯头剖面图

推制前后金属材料的密度，质量保持不变，进而得出基管的体积与弯头的体积相等，即=，以及在理想状态下推制前后弯头的厚度不发生变化，从而求得基管的外径d:

1.2.2田注汽锅炉常用180°弯头基管规格尺寸明细表。

表3.1常用弯头基管尺寸表

注：如果没有合适的基管规格，可以选择相近或者大一号的基管。

2．高压弯头芯棒的设计

2.1弯头芯棒的分类

热推弯头时，基管是紧贴芯棒推出的，弯头芯棒的几何尺寸，直接影响影响弯头成型过程的弯曲变形和金属律动性，是决定弯头成型质量的主要参数。弯头芯棒的种类一般是以其轴线形式划分的，常用的芯棒偶有单曲率芯棒和双曲率芯棒两种结构，如图表2.1所示：

注：数值随弯头芯棒的尺寸的变化而变化。

图表2.1单、双曲率芯棒简图

（1）单曲率弯头芯棒的轴线有一条确定的曲率圆弧构成，该圆弧的曲率半径即为弯头的曲率半径乘以相应的制造系数。

（2）双曲率半径弯头芯棒的轴线由两条不同曲率的圆弧，圆滑过渡连接而成。

目前还没有公认的最佳弯头芯棒结构形式，上述这两种弯头芯棒形式都无法使弯头在推制成形过程中始终保持弯曲变形和扩径变形成比例变化，加工成型的弯头产品难免出现各种瑕疵。

牛角芯棒推制弯头的工艺已经有几十年的历史，前苏联科学家首次给出了芯棒和管坯直径的设计的经验公式。苗天德从理论上推导出了牛角芯棒、管坯尺寸和推制工艺参数的经验公式，但只能适用于冷加工，鹿晓阳在塑性弯曲工程理论的基础上，提出描述弯管变形特征的是个假设，从而推导出牛角芯棒中心线的解析公式。并采用有限元数值模拟对热推制弯头的工艺参数进行了优化，但仅限于大口径厚壁弯头。周伟提出采用阿基米德螺线作为牛角芯棒磨具中心线的设计方法。

2.2推制过程中芯棒的受力分析

弯头基管在弯曲变形过程中，变形主要集中在弯头的内侧和两侧，弯头外侧的金属几乎不发生流动，只发生弯曲变形（上述实验已充分证明这一观点）。随着基管变形的逐步加大，芯棒所受到的力也越来越大，并在扩径段的内侧和两侧产生应力集中，因此芯棒的断裂几乎都发生在扩径段。

如图2.2所示，根据多年生产经验，弯头芯棒一般都由1导向段、2过渡段、3整形段三部分组成。

图2.1弯头芯棒示意图

（1）导向段与弯头推制机的推杆相互焊接，导向段根据推杆的直径可以设计成圆柱形或圆锥形，其作用是引导弯头基管平稳进入扩径段，再此处芯棒只受到基管内壁的摩擦力。

（2）基管在过渡段直径变大并发生弯曲变形，基管的曲率与芯棒的曲率保持一致，逐渐变大，基管的截面有圆形变成椭圆形。芯棒在此处受到环向的剪切力和轴向的拉力，芯棒的过渡段是弯头基管发生扩径弯曲变形最大的位置，基管所克服的阻力也最大，因此在扩径段产生应力集中。

（3）整形段以成品弯头尺寸为设计基础，在整形段基管的截面由椭圆形变回圆形，曲率半径达到最接近成品弯头的曲率半径。在整形段弯头内径达到最大值，并不在发生变化，此处芯棒主要受到轴向的拉力作用。

2.3四曲率芯棒设计

从导向段到整形段起始点弯头芯棒的横截面是不断连续增大的椭圆，整形段的横截面是圆形，扩径段轴线是一条由3个曲率的圆弧光滑连接成的弧线，整形段的轴线为以所推制弯头中心距为直径的圆弧。经过多年的经验积累，将芯棒扩径段设计为45°，并进行九等分，每段5°，将定型段设计为30度，并进行六等分，每段5°。导向段起始部分与连杆外径相同，终点外径尺寸为基管内径加上修磨余量。自过渡段开始将各个截面进行编号，用表示椭圆长轴，用表示椭圆短轴，芯棒采用4曲率设计，曲率由大到小以等差数列递减，如图4.2所示：

图2.2弯头芯棒设计图

芯棒初始曲率为0.75倍的弯头中心距，之后以0.075倍的弯头中心距为公差递减。椭圆短轴的尺寸由扩径后弯头内径与基管内径差值平均分配而得来。根据多年经验椭圆长、短轴计算公式如下表所示：

表2.2长、短轴计算经验公式

注：上表中为修磨余量，取值一般为2-3mm, 截面增量为：，单位mm。

2.4多曲率芯棒的设计

以四曲率芯棒为基础，经过多方总结与积累我单位成功设计并制造出多曲率弯头芯棒，设计思路是：在弯头推制过程中，芯棒扩径段受力最大，最复杂，如何减少此部分的应力集中是芯棒设计的关键所在，我认为芯棒扩径段段轴线应该是曲率连续变化的光滑弧线，以渐开线作为此处的轴线最为合适。

把一条没有弹性的细绳绕在一个定圆上，拉开绳子的一端并拉直，使绳子与圆周始终相切，绳子端点的轨迹就是圆的渐开线。渐开线的曲率是连续均匀变化的正好与扩径段的曲线要求相符。

图2.3渐开线示意图

在考虑弯头推制过程芯棒的受到的作用力是变化的，在考虑使芯棒受力连续变化的理想状态下，芯棒的轴线应该是一条由直线，渐开线、圆弧组成的一条光滑曲线，过渡段渐开线定圆的半径Ra为初始曲率R1与整形段曲率Rn的直线距离长度，曲率由R1到Rn连续减小，如下图示：

图2.4弯头芯棒轴线

其中初始曲率R1的取值与成品弯头的中心距以及芯棒过渡段的大小有关，整形段曲率Rn的取值与成品弯头的中心距以及推制后弯头的回弹量有关。

弯头芯棒的设计参数主要有内外弧线的曲率以及横截面的形状尺寸。以往弯头芯棒设计加工是根据不同弯头尺寸，由试验工人不断的实际现场修磨，来达到较为理想的成形效果。在小直径多曲率高压弯头芯棒设计过程中，利用基管直径、成品弯头直径以及曲率半径等已知数据，采用CAD、NX等软件进行建模，可以精确的设计出推制各种规格尺寸的弯头芯棒，无需反复试验修磨芯棒模型，芯棒制作完成后可以直接用于弯头推制。

3.芯棒的制作与成品弯头的推制

3.1弯头芯棒的制作

利用上述芯棒设计原理，采用CAD、NX等软件进行三维设计，对设计后软件进行编程输入数控加工机床，先加工木质弯头芯棒模型，加工精度可达十万分之二点五，铸造伸缩比为2.5%。然后采用真空感应冶炼法制作芯棒铸件。如图4.3-4.4所示：

图3.1弯头芯棒木型

图3.2弯头芯棒铸造壳型图

图3.3弯头芯棒修磨成型图

3.2弯头推制过程

采用中频感应加热的方式在弯头芯棒上连续推制弯头，可避免热煨弯头成型时，弯头外侧管壁受拉应力减薄，内侧受压应力增厚而造成弯头壁厚不均的现象。同时利用中频感应加热的“集肤效应”，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000℃，而心部温度升高很小，避免芯棒受高温作用导致强度降低，从而延长芯棒的受用周期。

根据金属流动的规律，弯头推制过程中感应线圈应靠近弯头内弧侧，使弯头内弧侧温度略高于外弧侧，推制12Cr1MoVG材质弯头时，温度控制在940℃-990℃范围，推制速度105mm/min。推制15CrMoG材质弯头时，温度控制在900℃-960℃范围，推制速度110mm/min。推制20G材质弯头时，温度控制在840℃-880℃范围，推制速度115-120mm/min。

图3.4弯头推制过程

图3.5弯头成品

图3.6弯头工程应用

3.3弯头推制后的质量检验

利用Ф68*15 材质20G的基管推制Ф91*14 A=151的180°弯头，在成品中随机抽取一件试件，以线切割的方式进行切割，如图所示。

图3.7成品弯头刨开图

对刨开后的成品弯头进行测量，弯头中心距A=151.75mm,其他数据得到如下表所示：

表3.1成品弯头数据表

经过对比弯头的中心距、椭圆度、最小壁厚均符合GB/T12459-2017的相关标准。弯头质量合格。

4结论

根据上述研究成果，我单位制造出推制规格为Ф104*15、Ф91*14、Ф91*11、Ф91*10、Ф91*8、Ф75*12、Ф75*11、Ф75*9、Ф62*9、Ф50*7等弯头的芯棒，并取得了良好的经济效果。

参考文献

[1]鹿晓阳等, 中频热推弯管工艺参数优化设计与实验研究.锻压技术1995,20(3):18-20.

[2]王致祥.管道应力分析与计算[M].北京：水利电力出版社.1983

[3]毕向明. 稠油开采技术现状及展望[J]. 石化技术, 2017(3):225.

[4]鹿晓阳，徐秉业，岑章志，等.牛角芯棒热推弯管成形过程力学原理及分析求解方法.塑性工程学报，1999（4）：11-22.

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