陳紅宇 鄭建能 張 進(jìn)

(1．二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618013；2．國(guó)家能源極端裝備虛擬制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川618013)

彎管是彎頭兩端或一端帶有一定長(zhǎng)度的直管，在管路中的主要功能是改變介質(zhì)流動(dòng)方向，提高管路的柔性、緩解管道振動(dòng)和約束力、補(bǔ)償熱脹冷縮等[1]。第三代壓水堆核電站的發(fā)電功率均在1000 MW以上，其主管道均采用直管和彎頭、管嘴與管道整體鍛造結(jié)構(gòu)的大型厚壁彎管，形狀復(fù)雜，服役時(shí)處于高溫、高壓、高速蒸汽沖刷以及酸性介質(zhì)腐蝕的工況[2]，尺寸大，力學(xué)性能、抗腐蝕性能以及尺寸精度要求高，制造難度很大。

1 鍛造主管道彎管工藝及彎曲半徑的特點(diǎn)

第三代核電主管道尤其是熱段一般采用彎徑比1.5、厚徑比0.08的大型厚壁彎管，大于101.6 mm(4英寸)的管嘴采用一體化鍛造[3]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外制造企業(yè)目前的技術(shù)能力、裝備能力以及技術(shù)要求，第三代核電鍛造主管道彎曲成形主要采用模壓彎管和中頻彎管成形，模壓彎管包括冷模壓彎管工藝和熱模壓彎管工藝，各制造企業(yè)基于各自裝備能力和技術(shù)儲(chǔ)備情況，采用三種工藝方法均能夠制造出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品，其中冷模壓彎管和中頻彎管成形制造的產(chǎn)品已經(jīng)服役并平穩(wěn)發(fā)電。

1.1 冷模壓彎管工藝

模壓彎管過(guò)程是包括幾何非線性、材料非線性和接觸非線性的復(fù)雜過(guò)程，在模壓彎管成形過(guò)程中，通過(guò)成形上模和成形下模施加力矩使管材外腹拉伸、內(nèi)腹壓縮，從而得到需要的彎曲半徑和彎曲角度。冷模壓彎管工藝的優(yōu)勢(shì)在于彎曲成形過(guò)程便于操作和檢測(cè)，彎曲過(guò)程晶粒不會(huì)長(zhǎng)大；冷彎的缺點(diǎn)在于彎曲過(guò)程中要產(chǎn)生較大的變形抗力，回彈量大，成形過(guò)程需要較大噸位的壓機(jī)和強(qiáng)度較高的模具；由于彎曲過(guò)程成形力大，彎管內(nèi)部需要填充足夠強(qiáng)度的成形芯模，否則，彎管處的橢圓度將會(huì)超標(biāo)。

冷模壓彎管過(guò)程中，彎曲半徑和壁厚存在以下規(guī)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(xiàn)為變形抗力，σ為變形后的真應(yīng)力，A為變形后的截面積，A0為原始截面積(常數(shù))，n為材料形變硬化指數(shù)，k為變形常數(shù)，ε為真應(yīng)變，ε由彎徑比R/D決定。

對(duì)于316LN超低碳奧氏體不銹鋼，材料形變硬化指數(shù)n約為0.59，根據(jù)公式(6)，對(duì)εn和eε分別求導(dǎo)，當(dāng)nε1-n=eε時(shí)，ε=0.182，即R=2.5D時(shí)，冷彎成形過(guò)程強(qiáng)度的增加和截面的減少比率相等。表現(xiàn)為當(dāng)R≥2.5D時(shí)，冷彎成形過(guò)程強(qiáng)度的增加量大于等于截面的減少量，變形后的σA增大，變形后不再繼續(xù)變形，表現(xiàn)為變形后壁厚均勻；當(dāng)R<2.5D時(shí)，冷彎成形過(guò)程強(qiáng)度的增加量小于截面的減少量，變形后的σA小于原始的σA，變形后要繼續(xù)變形，表現(xiàn)為先變形的區(qū)域壁厚小，后變形的壁厚大。即，當(dāng)R≥2.5D時(shí)，彎曲成形后彎曲段整體壁厚均勻；當(dāng)R<2.5D時(shí)，彎曲成形后彎曲段最先變形的區(qū)域壁厚最小，逐步增加過(guò)渡到直段壁厚。根據(jù)以上分析，當(dāng)R≥2.5D時(shí)，彎曲成形后彎曲段整體壁厚均勻，變形均勻，表現(xiàn)為彎曲半徑均勻；當(dāng)R<2.5D時(shí)，彎曲成形后彎曲段中間壁厚最小，逐步增加過(guò)渡到直段壁厚，表現(xiàn)為中間彎曲半徑小，逐步向兩端增加，半徑不均勻。

1.2 熱模壓彎管工藝

熱模壓彎管工藝的優(yōu)勢(shì)在于彎曲過(guò)程中管坯基本是完全的塑性變形，彎曲成形后回彈小，通過(guò)后續(xù)的整形，彎曲半徑和彎曲角度控制精度高；缺點(diǎn)是坯料在反復(fù)加熱過(guò)程中晶粒會(huì)長(zhǎng)大，發(fā)生變形的部位和未發(fā)生變形的部位晶粒差別大，直段未變形區(qū)域的晶粒度長(zhǎng)大甚至可能超標(biāo)；采用熱彎時(shí)管坯內(nèi)無(wú)法填充成形芯模，使工件產(chǎn)生較大橢圓度，需要做多次校圓處理。

熱模壓彎管工藝由于需要多次壓彎和校橢，選用的鍛坯彎曲部分直徑要大于彎曲后的直徑，由于彎曲過(guò)程變形量大，需要分為多次壓彎成形，否則成形后的橢圓度無(wú)法滿(mǎn)足要求。在壓彎工序后，需要進(jìn)行橢圓度整形、結(jié)構(gòu)尺寸整形，需要一系列彎制和整形模具[4]，對(duì)模具和操作要求極高，制造周期長(zhǎng)。

1.3 中頻彎管工藝

采用中頻彎管工藝成形時(shí)需使用專(zhuān)用的中頻彎管機(jī)，中頻彎管機(jī)通過(guò)感應(yīng)導(dǎo)電圈加載中頻電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在管件本體引發(fā)感應(yīng)電流，通過(guò)感應(yīng)電流加熱需要彎曲的部位。彎管時(shí)管件前端通過(guò)夾頭固定在轉(zhuǎn)臂上，支撐輪固定管件的軸線位置，保證管件、感應(yīng)導(dǎo)電圈及夾頭同心。感應(yīng)導(dǎo)電圈將管件局部加熱到800～1200℃，后部液壓油缸推動(dòng)工件，通過(guò)前夾頭與支撐輪對(duì)管件運(yùn)動(dòng)的限制形成彎曲力矩，該彎曲力矩使管件繞回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊加熱、一邊彎曲，從而將管件彎曲成所需要的彎曲半徑和彎曲角度。管件加熱部分在彎曲后利用感應(yīng)導(dǎo)電圈上的噴水裝置對(duì)管件進(jìn)行噴水急冷，提高非彎曲部位的強(qiáng)度來(lái)保持管件的截面形狀。

第三代核電主管道一般采用彎徑比1.5的大型厚壁彎管，由于外徑、壁厚較大，需要大功率的專(zhuān)用中頻彎管機(jī)。彎管過(guò)程內(nèi)腹增厚、外腹減薄變形約33%，彎管過(guò)程無(wú)法進(jìn)行芯模支撐，彎曲成形后橢圓度較大。由于彎管過(guò)程變形量較大，變形區(qū)域集中在彎頭部位，成形后增厚、減薄量較大，內(nèi)腹壓縮變形大，容易出現(xiàn)較大的凸凹。此外，當(dāng)一體化管嘴靠近彎曲段時(shí)，由于一體化管和加熱感應(yīng)導(dǎo)電圈、支撐輪發(fā)生干涉，無(wú)法進(jìn)行中頻彎管操作。

2 鍛造主管道彎曲半徑測(cè)量方法及分析

2.1 三種成形方法的彎曲半徑特點(diǎn)

在實(shí)際使用過(guò)程中，彎管內(nèi)孔彎曲半徑對(duì)流量具有實(shí)際意義，外圓的彎曲半徑對(duì)設(shè)備的布置具有意義。由于內(nèi)孔彎曲半徑難以直接測(cè)量，技術(shù)規(guī)范一般要求測(cè)量彎曲段外圓的彎曲半徑。由于彎曲段存在橢圓度且內(nèi)腹、外腹存在壁厚不均的問(wèn)題，即使外圓是均勻的彎曲半徑，內(nèi)孔半徑也不是均勻的，因此ASME標(biāo)準(zhǔn)和RCC-M標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎管的彎曲半徑?jīng)]有強(qiáng)制性要求，工程應(yīng)用時(shí)對(duì)功能的影響也不大。

對(duì)于冷彎成形的彎管，當(dāng)R≥2.5D時(shí)，內(nèi)外圓彎曲半徑較為均勻；當(dāng)R<2.5D時(shí)，內(nèi)外圓彎曲半徑不均勻。對(duì)于熱彎成形和冷彎成形的彎管，雖然可以通過(guò)校正外圓將彎曲半徑校正為規(guī)則形狀，由于壁厚的不均勻，內(nèi)孔彎曲半徑也是不均勻的。對(duì)于中頻彎管成形的管道，由于彎管內(nèi)腹存在凸凹缺陷，彎曲半徑更難以準(zhǔn)確測(cè)量。

2.2 彎曲半徑測(cè)量方法及優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.2.1 外腹、內(nèi)腹圓弧輪廓擬合計(jì)算法

(1)檢測(cè)方法介紹

使用激光跟蹤儀采集彎曲段外腹、內(nèi)腹側(cè)母線輪廓線數(shù)據(jù)，利用兩端直段外圓數(shù)據(jù)擬合中心軸線構(gòu)建平面，此平面則是測(cè)量基準(zhǔn)面；利用彎曲段外腹、內(nèi)腹側(cè)母線輪廓線上的點(diǎn)分別擬合計(jì)算內(nèi)輪廓與外輪廓的圓弧半徑R內(nèi)、R外，之后通過(guò)(R內(nèi)+R外)/2計(jì)算得到彎曲半徑實(shí)際值。擬合計(jì)算點(diǎn)位圖見(jiàn)圖1。

圖1 擬合計(jì)算點(diǎn)位圖Figure 1 Fitting calculation point map

(2)優(yōu)缺點(diǎn)分析

該方法是彎曲半徑的直接測(cè)量方法，便于操作，便于理解。在外腹、內(nèi)腹側(cè)母線為均勻彎曲半徑時(shí)，該方法測(cè)得的外腹、內(nèi)腹半徑同心；對(duì)于外腹、內(nèi)腹側(cè)母線為不均勻彎曲半徑時(shí)，內(nèi)外輪廓線上的點(diǎn)擬合的圓心很可能不重合，在外腹、內(nèi)腹不同心的情況下通過(guò)(R內(nèi)+R外)/2計(jì)算彎曲半徑，該彎曲半徑難以反映實(shí)物的真實(shí)尺寸。此外，對(duì)于內(nèi)腹存在凸凹缺陷的彎管，內(nèi)腹彎曲半徑難以測(cè)量。

圖2 無(wú)圓心圓弧彎曲半徑測(cè)量尺Figure 2 Measuring ruler for bending radius of arc without center of circle

2.2.2 彎曲半徑測(cè)量尺測(cè)量方法

(1)檢測(cè)方法介紹

上海核工程研究設(shè)計(jì)院施永兵、徐臻、陳敏等提出采用彎曲半徑測(cè)量尺測(cè)量彎曲半徑的方法[5]，其基本原理是將彎曲段內(nèi)腹、外腹側(cè)母線均分為若干個(gè)圓弧段，利用圖2無(wú)圓心圓弧彎曲半徑測(cè)量尺測(cè)量每段圓弧的弧高H，結(jié)合左支腿或右支腿到橫梁中心的距離W，根據(jù)公式(7)計(jì)算每個(gè)圓弧段的半徑，每個(gè)圓弧段的半徑測(cè)量后計(jì)算平均值。

(7)

(2)優(yōu)缺點(diǎn)分析

該方法提供了大型彎管彎曲半徑測(cè)量的另一種思路，是一種方便實(shí)用的測(cè)量方法。在外腹、內(nèi)腹側(cè)母線為均勻彎曲半徑時(shí)，測(cè)得的外腹、內(nèi)腹半徑較為準(zhǔn)確；在外腹、內(nèi)腹側(cè)母線為不均勻彎曲半徑時(shí)，仍然存在內(nèi)外腹半徑圓心不重合的問(wèn)題，此外，圓弧劃分的方式不同，測(cè)量的彎曲半徑也會(huì)存在偏差，對(duì)于內(nèi)腹存在凸凹缺陷的彎管，內(nèi)腹彎曲半徑同樣難以測(cè)量。

2.2.3 利用直段確定圓心的擬合計(jì)算法

(1)檢測(cè)方法介紹

二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司陳紅宇、張進(jìn)、余蘇提出利用直段確定圓心的擬合計(jì)算法[6]，其基本原理是采用激光跟蹤儀采集直段外圓和彎曲段內(nèi)外腹側(cè)母線輪廓點(diǎn)，利用兩端直段外圓擬合中心軸線構(gòu)建平面；之后作直段中心線對(duì)應(yīng)的輔助平行線，交匯得到彎曲段圓心，平行線距離作為彎曲半徑名義值R；計(jì)算內(nèi)外腹側(cè)母線輪廓點(diǎn)到圓心的距離，計(jì)算內(nèi)腹、外腹彎曲半徑均值，利用內(nèi)腹、外腹彎曲半徑均值計(jì)算彎管的彎曲半徑。

(2)優(yōu)缺點(diǎn)分析

本方法通過(guò)作平行于直段中心線的輔助平行線確定內(nèi)腹、外腹圓心，交點(diǎn)唯一，內(nèi)外圓弧同心；通過(guò)直段確定彎管的彎曲角度后，由圓心向直管段中心線做垂線，垂線即為圓弧邊界，使計(jì)算使用的數(shù)據(jù)點(diǎn)和圓弧實(shí)際區(qū)域一致；采用本方法測(cè)量的彎曲半徑，不受人員、設(shè)備因素的影響，即使對(duì)于內(nèi)腹存在凸凹缺陷的彎管，也能夠進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果唯一。本方法的缺點(diǎn)是先按照彎曲半徑名義值確定圓心，若實(shí)際彎曲半徑和名義彎曲半徑偏差較大時(shí)，會(huì)將實(shí)際的直段或彎曲段按照?qǐng)A弧計(jì)算，帶來(lái)測(cè)量偏差。

3 結(jié)束語(yǔ)

冷模壓彎管工藝、熱模壓彎管工藝和中頻彎管工藝是目前第三代核電鍛造主管道制造采用的主要工藝方法，三種工藝方法均能夠制造滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)采用三種工藝方法制造的產(chǎn)品彎曲半徑特點(diǎn)和半徑測(cè)量方法進(jìn)行分析，表明利用直段確定圓心的擬合計(jì)算法測(cè)量的彎曲半徑內(nèi)外圓弧同心、檢測(cè)結(jié)果再現(xiàn)性強(qiáng)，是更為合理的測(cè)量方法。