張志遠(yuǎn) 趙寶光 王歡

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

油氣管網(wǎng)是能源輸送的大動(dòng)脈，近年來(lái)油氣管道建設(shè)已進(jìn)入了發(fā)展的高峰期，隨著管道業(yè)的發(fā)展，三通管件趨于大口徑、厚壁、高性能材質(zhì)的發(fā)展方向［1］。我國(guó)西氣東輸工程中的鋼管外徑已達(dá)到1 219～1 422 mm，最大壁厚超過(guò)了50 mm，其工作壓力、管徑和壁厚顯著提高［2］。

三通管是管道建設(shè)中用來(lái)改變管道方向、管徑大小，進(jìn)行管道分支、實(shí)現(xiàn)特殊連接等作用的管道配件，其成形工藝歷來(lái)都是油氣管道的關(guān)鍵技術(shù)［3］。它處于輸送石油天然氣管道的交接部位，一旦出現(xiàn)故障就會(huì)造成較大經(jīng)濟(jì)損失甚至重大事故。

目前三通管制造工藝有焊接、鑄造和熱擠壓成形等。焊接三通管在使用過(guò)程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中，難以滿足高壓力的技術(shù)要求;鑄造的大口徑三通管需要后續(xù)機(jī)加工，工時(shí)長(zhǎng)，材料浪費(fèi)嚴(yán)重;熱擠壓成形三通管工時(shí)長(zhǎng)，且能源消耗大?；诖耍疚慕榻B了一種新的熱模拔制成形大口徑三通管技術(shù)，利用金屬材料高溫下成形能力提高的原理，用模具高溫拔制成形三通管，克服了三通管傳統(tǒng)加工工藝的缺點(diǎn)，生產(chǎn)效率高，材料利用率高，成形性能好。試驗(yàn)研究表明該工藝可行，值得大力推廣應(yīng)用。

1 三通管傳統(tǒng)制造工藝

將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)三通形的鑄型里，凝固后獲得具有三通形狀的毛坯，然后進(jìn)行后續(xù)的機(jī)加工就得到了鑄造三通管。鑄造三通的優(yōu)點(diǎn)是可以得到形狀復(fù)雜、壁厚較厚的管件毛坯，但缺點(diǎn)也非常明顯，鑄造三通的質(zhì)量不易保證，而且缺陷不易檢查，在工程投產(chǎn)后常發(fā)生泄漏事故，所以不宜在石油、化工管道上采用。特別對(duì)于大口徑厚壁三通管，體型較大，在加工時(shí)要切削掉很多的材料，耗材量大，生產(chǎn)成本高。

焊接三通管是在管坯上開(kāi)馬鞍形焊口后與支管直接焊接而成，具有制造方便、現(xiàn)場(chǎng)靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是三通管件焊接工藝比一般鋼管焊接復(fù)雜，焊接面是在一個(gè)馬鞍形的不規(guī)則空間曲面上，焊接質(zhì)量難以保證。焊接三通最大的弱點(diǎn)是高應(yīng)力區(qū)正好位于支管和母管連接的相貫線處的焊縫位置上，用在石油、天然氣管道等高壓運(yùn)輸線路上容易留下事故隱患。

將整個(gè)管坯加熱到管材再結(jié)晶溫度以上的某一適當(dāng)溫度后放入模具中，在壓力機(jī)的作用下對(duì)管坯進(jìn)行熱擠壓，管坯在徑向力的作用下沿模腔幾何形狀產(chǎn)生塑性變形而形成三通支管，就制造出了熱擠壓三通管。熱擠壓三通由于沒(méi)有焊縫，整體強(qiáng)度好，國(guó)外早已將擠壓三通用于管道工程上，上世紀(jì)70 年代美國(guó)已制定了擠壓三通的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)在上世紀(jì)80 年代后開(kāi)始研制擠壓三通，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已有許多廠家采用此工藝生產(chǎn)大口徑三通管，熱擠壓工藝是現(xiàn)今我國(guó)制造大口徑三通管的主要技術(shù)。阜新市壓力容器管道公司的劉銅對(duì)這種直徑補(bǔ)償?shù)拇罂趶饺ü艹尚喂に囘M(jìn)行了研究，研制出兩套立式模具和一套臥式模具，實(shí)現(xiàn)了用工藝方法增加熱擠壓三通支管高度，縮小三通相貫區(qū)內(nèi)拐角處圓弧半徑的目的，成功地制造出了符合技術(shù)要求的三通管［4］。

此外還有一種結(jié)合了拔制工藝的熱擠壓成形三通管的工藝，該熱擠壓工藝可以簡(jiǎn)單地分為4 步:制坯，選擇合適的無(wú)縫鋼管;壓扁，管坯經(jīng)整體加熱壓制成橢圓形;壓包，將整個(gè)管坯加熱到1 100 ℃左右，在壓力機(jī)上壓包;拉拔，在管坯鼓包上開(kāi)預(yù)制孔，然后在液壓機(jī)上用專用模具熱拔成形三通管。

目前在國(guó)內(nèi)對(duì)此工藝的報(bào)道較少，能查的資料也非常有限，其中能源部機(jī)械制造局的熊繼蓉對(duì)該工藝進(jìn)行了研究，介紹了整個(gè)工藝過(guò)程并對(duì)成形的三通管進(jìn)行了應(yīng)力檢驗(yàn)［5］。機(jī)械科學(xué)研究總院的劉麗敏對(duì)大口徑高級(jí)鋼等徑三通熱擠壓成形工藝過(guò)程中支管拉拔工序進(jìn)行研究，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)拉拔道次和成形載荷進(jìn)行分析，確定出合理的工藝參數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證［6］。

熱擠壓三通管成形時(shí)，管坯金屬保持連續(xù)流暢狀態(tài)，支管的金屬纖維只彎曲而沒(méi)被剪斷，整體強(qiáng)度高，由于是管坯材料的一體化成形，相貫線處的高應(yīng)力區(qū)沒(méi)有焊縫，從而消除了焊接三通可能帶來(lái)的隱患。但是熱擠壓三通生產(chǎn)過(guò)程中需在加熱爐里對(duì)管坯整體加熱兩次以上，故生產(chǎn)效率低，能源消耗大，且一套模具只能生產(chǎn)一種口徑的三通管，形成一系列口徑的三通管產(chǎn)品需要的模具多，生產(chǎn)成本高。

表1 現(xiàn)有三通管制造工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

綜上所述，焊接、鑄造和熱擠壓成形三通管工藝的優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示，可知現(xiàn)有的三通管制造工藝都存在一定的問(wèn)題，難以滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)大口徑三通管的技術(shù)需求。

2 熱拔成形三通管新工藝

熱模拔制成形三通管工藝所用設(shè)備少，只需要1臺(tái)立式液壓機(jī)，1 套拔模，1 個(gè)便攜式紅外測(cè)溫儀和1套加熱裝置。該工藝不需要熱擠壓工藝的上、下半模，且一種設(shè)備可用于不同管徑的管件拔制。

2.1 熱拔成形三通管工藝過(guò)程

該新型熱模拔制工藝如圖1 所示，在管坯合適的位置上開(kāi)計(jì)算出來(lái)的具體尺寸的預(yù)制孔，把其合理地固定在液壓機(jī)工作臺(tái)上后對(duì)預(yù)制孔周圍加熱，達(dá)到溫度后迅速裝上拔模，開(kāi)動(dòng)液壓機(jī)拉拔成形三通支管。熱模拔制工藝具體過(guò)程如下:

(1)根據(jù)拔制三通管的尺寸計(jì)算出拔制力，校核拔制設(shè)備——液壓機(jī)的拉力。計(jì)算預(yù)制孔尺寸，在主管上開(kāi)預(yù)制孔，對(duì)于碳鋼采用氣割開(kāi)孔，打磨毛刺使橢圓形的預(yù)制孔邊緣光滑，有助于支管的成形。合金鋼則須采用機(jī)加工方法開(kāi)孔，否則容易出現(xiàn)裂紋。開(kāi)孔后把管坯合理地固定到液壓機(jī)的工作臺(tái)上，預(yù)制孔的中軸線應(yīng)垂直于液壓機(jī)工作臺(tái)且拔模裝上后應(yīng)位于預(yù)制孔的中心處。

(2)對(duì)預(yù)制孔周圍區(qū)域進(jìn)行加熱，要求加熱均勻，加熱面積適中。本文專門設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化的加熱裝置，采用氧-天然氣作為燃料，能對(duì)管件預(yù)制孔周圍進(jìn)行準(zhǔn)確、均勻、高效的加熱，同時(shí)采用便攜式紅外測(cè)溫儀對(duì)溫度進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)。

(3)當(dāng)溫度達(dá)到1 100 ℃左右時(shí)，迅速在母管中放入拔模，并連接拉桿與拔模，拉桿與液壓機(jī)連接，開(kāi)動(dòng)液壓機(jī)，即可拔出拔模，形成支管凸緣。

考慮到金屬材料的延伸率極限，一次拉拔成形易造成支管破裂，支管端部減薄率大等缺陷，且隨著拉拔道次的增加，支管處金屬的流動(dòng)性增強(qiáng)，支管的壁厚減薄率變小，支管強(qiáng)度增大。另外從經(jīng)濟(jì)上考慮，隨著拉拔道次的增加，拉拔力變小，使所用設(shè)備的噸位降低，減小投資成本，故一般三通管的拔制工藝需要2～3 次的拉拔過(guò)程。

2.2 熱拔成形三通管工藝的原理及特點(diǎn)

三通管的熱拔工藝又可以稱為翻邊成形工藝，根據(jù)金屬塑性成形理論［7］，三通管上支管凸緣的成形屬于“內(nèi)孔翻邊”的類型，即伸長(zhǎng)類曲面翻邊成形。拔制工藝是拔模在牽引力的作用下從母管的預(yù)制孔中拔出，使之產(chǎn)生塑性變形而得到支管凸緣的工藝，該拔制過(guò)程是在預(yù)制孔周圍區(qū)域被加熱后進(jìn)行的，相比冷拔，熱拔能減小金屬的變形抗力，加工設(shè)備可以使用較小噸位的液壓機(jī);加熱改變管件材料的組織性能，熱變形后鋼鐵的組織晶粒經(jīng)過(guò)再結(jié)晶，晶粒細(xì)化，提高材料的力學(xué)性能;提高管件材料的塑性，針對(duì)一些低溫時(shí)較脆，難以加工的高合金鋼鋼管尤為重要。

熱模拔制成形大口徑三通管工藝相比傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝不僅具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且有自身獨(dú)有的特點(diǎn):

(1)相比鑄造三通，該工藝不需要后續(xù)機(jī)加工，且大大節(jié)省了材料。

(2)相比焊接三通，熱拔工藝生產(chǎn)的三通管的主支光滑過(guò)渡，其結(jié)構(gòu)合理、應(yīng)力均勻。在支管拉拔過(guò)程中，金屬材料纖維組織只彎曲而不被剪斷，所以三通的整體強(qiáng)度高。

(3)熱拔工藝只需對(duì)管坯進(jìn)行局部加熱，相比熱擠壓工藝多次對(duì)管件送回加熱爐中進(jìn)行整體加熱，不僅工人勞動(dòng)強(qiáng)度小，生產(chǎn)效率高而且能耗低，環(huán)保。而且整個(gè)工藝過(guò)程中只需要拔模(圖2)，只要更換拔模就能拔出各種規(guī)格的三通管，省去了熱擠壓工藝的上、下半模，也不需要建加熱爐，降低了投資成本，適合在中小企業(yè)推廣。

(4)專門設(shè)計(jì)了一種加熱均勻、快速的自動(dòng)化加熱裝置，如果再配有管坯自動(dòng)送料裝置，其工藝過(guò)程能實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化操作。

(5)該工藝簡(jiǎn)單實(shí)用，應(yīng)用范圍廣，不僅可以成形單個(gè)的三通管，同時(shí)也適用于在一個(gè)較長(zhǎng)管坯不同位置拔出多個(gè)支管的情況。另外只需改變拉拔的角度就能拉拔出Y 型三通管。

3 實(shí)驗(yàn)研究

某管件廠對(duì)該三通管成形工藝進(jìn)行了一系列的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，在φ377～609 mm 的主管上拔出φ300 mm 的支管，在φ650～1 000 mm 的主管上拔出φ500 mm 的支管，實(shí)驗(yàn)均取得了成功。

以在口徑為φ507 mm，壁厚為18 mm 的主管上拔制φ300 mm 的支管為例，經(jīng)過(guò)計(jì)算，在主管上用氣割的方法開(kāi)了一個(gè)長(zhǎng)軸約長(zhǎng)226 mm，短軸約長(zhǎng)117 mm的橢圓形預(yù)制孔，預(yù)制孔經(jīng)過(guò)去毛刺的處理后固定在液壓機(jī)的工作臺(tái)上，然后使用加熱裝置對(duì)預(yù)制孔周圍進(jìn)行加熱，加熱范圍的直徑約為下步要拉拔成形支管直徑的1.5 倍，管件達(dá)到1 100 ℃左右時(shí)，用φ200 mm的半球形拔模進(jìn)行第一次拉拔，接著分別用φ250 mm、φ300 mm 的半球形拔模進(jìn)行第二和第三次拉拔，經(jīng)過(guò)三次拉拔成形出了φ300 mm 的支管(圖3)，這三次熱拔過(guò)程總共耗時(shí)約30 min。

經(jīng)測(cè)量，拉拔出的支管最小高約50 mm，最大高度約114 mm，支管端部的平均厚度約為16 mm，減薄率在20%以內(nèi)，該三通管整體上達(dá)到了設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)傳統(tǒng)的三通管制造工藝有焊接、鑄造和熱擠壓成形，均有一定的局限性，不能適合現(xiàn)代大口徑、耐高壓、高效率的需求。

(2)熱模拔制成形三通管成形質(zhì)量高，效率高，所用模具少，適合大口徑耐高壓三通管件的制造。

(3)經(jīng)試驗(yàn)研究，本文所介紹的新的三通管熱模拔制成形工藝可行性好，適合進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

［1］Cozewith，Charles.Computer simulation of tee mixes for nonreactive and reative flows［J］.Industrial and Engineering Chemistry Research，1991(30).

［2］彭在美.石油天然氣輸送鋼管是高新技術(shù)產(chǎn)品及其發(fā)展方向［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2003(6).

［3］岳進(jìn)才.壓力管道技術(shù)［M］.北京:中國(guó)石油出版社，2006.

［4］劉銅.直徑補(bǔ)償熱擠壓三通的成型［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2003(4).

［5］熊繼蓉.高溫高壓管道熱拔三通［J］.電力技術(shù)，1992(4).

［6］劉麗敏，鐘志平，謝談，等.Φ508mm 等徑三通拉拔工序數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2009(5).

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