CN107413882A - 一种带轴向加强筋的金属波纹管及成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种带轴向加强筋的金属波纹管，其是波谷位置带有轴向加强筋的波纹金属软管。该波纹金属软管成形方法，首先是将板材辊轧为波浪形，然后卷圆焊接，最后在胀波机上胀形，将波峰位置的轴向波浪胀平，从而导致波峰位置无轴向加强筋，而波谷位置的轴向加强筋保留下来，从而得到波谷位置带有加强筋的波纹金属软管。该波纹金属软管弯曲变形刚度大，当发生轴向伸长变形时，变形主要集中在波峰位置，而波谷位置几乎不变形，有效地提高了波纹金属软管的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种波纹管及加工成形方法。
背景技术
金属波纹软管作为现代工业管路中一种高品质的柔性管道，其良好的柔软性、抗疲劳性及承压高、耐温性好、耐腐蚀、密封性强等特性广泛的被应用于石油、航空、航天、化工、电力、交通运输等行业，随着现代工业发展，传统的波纹金属软管已经满足不了一些较为苛刻工况对其质量和性能的要求。海上稠油热采是波纹金属软管最新开发的应用领域，在深海石油开采过程中，波纹金属软管用于连接移动注气驳船与深海采油平台。由于波纹管端部固定，在外力作用下端部的波形在一定的弯曲角度下反复发生挤压变形，反复弯曲变形超过其本身的疲劳强度极限，因此很可能会产生高应变低循环破坏，降低整根软管的使用寿命。
目前市场上的波纹金属软管在实际应用中，一端固定，一端自由连接，抗弯刚度较小，在发生弯曲变形时，连接端变形量较大，当达到一定的弯曲角度时，波形之间容易发生挤压变形，当发生轴向伸长变形时，变形主要集中于波谷位置，而波谷位置往往角度较小，过渡不圆滑，导致波谷处容易产生断裂，导致破坏，缩短使用寿命。
发明内容
本发明的目的是设计一种能提高波纹金属软管使用寿命的带轴向加强筋的金属波纹管及成形方法。本发明主要是：软管成形过程中先将板材辊轧为波浪形，然后卷圆焊接，最后在胀波机上胀形，将波峰位置的轴向波浪胀平，从而导致波峰位置无轴向加强筋，而波谷位置的轴向加强筋保留下来，从而得到波谷位置带有加强筋的波纹金属软管。
一、本发明的金属波纹管是波谷位置带有轴向加强筋的波纹金属软管。
二、本发明的成形装置主要包括两部分：
1、波纹板材的成形装置主要包括：螺旋调节杆、模架、上轧辊、下轧辊和电机，其中上轧辊作为凸模，下轧辊作为凹模，下轧辊在电机的作用下作为主动轴带动上轧辊运动、下轧辊的齿间距以及齿间深度由所需波浪形板材下凹的尺寸h和宽度W决定，上下轧辊的间距由螺旋调节杆控制，根据对板材波形的要求调节下压量，在专用轧机上对板材辊轧成形。
2、波纹金属软管单波成形模具，主要包括上凹模、下凹模，上定位模、下定位模，上限位块和下限位块，密封圈及推杆。其中，上凹模和下凹模与管坯接触面即里面的形状要与管坯轴向波纹形状相对应，推杆一端与液压涨波机的加载液压缸相连，另一端与上凹模上的水平螺栓孔螺纹连接。该上凹模上部与液压涨波机上横梁对应并相连，下部设开口向下的半圆槽，该半圆槽的半径呈阶梯形且朝向推杆一侧的半径小于另一侧半径，大小半径台阶高度等于波宽W，半圆槽小半径等于软管管坯外径并且厚度等于波间距，半圆槽大半径＞软管管坯外径+波的高度h。与该上凹模对应的为下凹模，该下凹模下部与液压涨波机下横梁对应并相连，上部设开口向上的半圆槽，该半圆槽的半径呈阶梯形且朝向推杆一侧的半径小于另一侧半径，大小半径台阶高度等于波宽W，半圆槽小半径等于软管管坯外径并且厚度等于波间距，半圆槽大半径＞软管管坯外径+波的高度h。在下凹模一端与液压涨波机的加载液压缸相连，另一端与下凹模的水平螺栓孔螺纹连接。在上下凹模的另一侧分别设有上下定位模，该上定位模上部与液压涨波机上横梁对应并相连，下部设开口向下的半圆槽，该半圆槽的半径呈阶梯形且朝向推杆一侧的半径小于另一侧半径，大小半径台阶高度等于波宽W，半圆槽小半径等于软管管坯外径并且厚度等于波的间距，半圆槽大半径＞软管管坯外径+波的高度h。该下定位模下部与液压涨波机下横梁对应并相连，上部设开口向上的半圆槽，该半圆槽的半径呈阶梯形且朝向推杆一侧的半径小于另一侧半径，大小半径台阶高度等于波宽W，半圆槽小半径等于软管管坯外径并且厚度等于波间距，半圆槽大半径＞软管管坯外径+波的高度h。上述各凹模及定位块开口槽的小半径端部截面均为半圆形。在上凹模、和上定位模之间可设有上限位块，其上端单独与活塞杆相连，下部设开口向下的半圆槽，该半圆槽半径等于上凹模的大半径，该限位块的厚度等于单波步长S-W。与上限位块对应的下限位块设在下凹模和下定位块之间，该下限位块的下端单独与活塞杆相连，上部设开口向上的半圆槽，该半圆槽半径等于下凹模的大半径，该限位块的厚度等于单波的步长S-W。另有设在软管管坯内的两个密封圈，其为外径与软管管坯内径相同的圆板，中心设螺孔，并各与一根推杆一端螺纹连接。推杆为空心杆，作为注油管道以及卸油管道。
三、本发明的成形方法
1、板材轴向波形辊轧成形：
首先根据所需波纹金属软管设计管坯的板材尺寸(包括轴向波形的高度、宽度以及波数)并根据该尺寸对上下轧辊进行加工，在专用的轧机上进行辊轧，板材在送料机的作用下送入模具，随着轧辊的滚动将板材辊轧成所需波浪状板材，之后对板材进行卷圆焊接，成为轴向波纹形的管坯。其中，被加工件板材波形尺寸根据所设计的轧辊尺寸所决定，两轧辊间距l1，r为轧辊半径，板材上的轴向波形的波峰波谷均为半圆形相切过渡，单个波形弧长正好是一个圆形+两轧辊间的直边段l2，单个波形的弧长可由公式l3＝πr2+l2求得。金属软管板材宽度尺寸W1＝n(4r+l2)＝πD，被加工件板材宽度尺寸W2＝n(πr2+l2)，n是波形数量，D是金属软管的公称直径。
2、带加强筋波纹管成形：
1)将上、下凹模和上、下定位块固定端分别固定在涨波机上下横梁上，同时将上、下限位块的固定端固定在上下液压缸的活塞杆上，并按下列顺序并列，即上凹模与上限位块相邻，上限位块与上定位模相邻，再由推杆对它们进行挤压，使它们紧靠在一起；同理，下凹模与下限位块相邻，下限位块与下定位模相邻，再由推杆对它们进行挤压，使它们紧靠在一起，并且使上、下凹模，及上、下定位块均相对应，然后将软管管坯紧紧箍住。
2)将两个密封圈置于软管管坯内，其一个密封圈B由推杆D推至其光面与上、下定位模的施力点在同一个面的位置，另一个密封圈A由推杆C推至其光面与上、下凹模的施力点在同一个面的位置。
3)向密封圈A、B之间的空间充填液压油，推杆D为空心管，液压油由推杆D的管口向密封圈A、B之间的空间充填，液压油对软管管坯内壁加压使其鼓胀，为波形定位。
4)之后上、下限位块在活塞杆作用下，分别上下移动从凹模和定位模的间隙中脱离。液压油继续加压，上、下凹模分别在推杆A、B及密封圈A在推杆C 共同作用下推动软管管坯向固定不动的密封圈B移动，直至波形成形，液压油卸载。
5)所述各部件均复位，管坯在送料装置的推动下再进给所需步长，成形下一组波纹，最后获得所需的带加强筋金属波纹软管。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、将各向异性的原始钢板辊轧为波浪形，然后卷圆焊接，最后在胀波机上胀形，将波峰位置的轴向波浪胀平，而波谷位置的轴向加强筋在与其形状相符的模具约束下保留下来，从而得到波谷位置带有加强筋的波纹金属软管。
2、本发明的波纹金属管由于波谷位置带有轴向加强筋，因此弯曲变形刚度较大，当发生轴向伸长变形时，变形主要集中于波峰位置，而波谷位置几乎不变形，提高软管使用寿命。
3、成形方法简单。
附图说明
图1是本发明成形过程板材轧制成形波纹板的主视剖面示意简图；
图2本发明的波浪板材卷圆焊接后的主视剖面示意简图；
图3是本发明的带加强筋的波纹金属软管主视剖面示意简图；
图4是本发明成形过程轧制装置的主视示意简图；
图5是本发明的波形成形过程模具的左视示意简图。
图6是本发明的波形成形过程定位阶段模具的主视剖面示意简图；
图7是本发明的波形成形过程鼓胀阶段模具的主视剖面示意简图；
图8是本发明的波形成形过程胀波阶段模具的主视剖面示意简图；
图中：1-推杆A，2-上凹模，3-上限位块，4-上定位模，5-推杆C，6-密封圈 A，7-密封圈B，8-推杆D，9-管材，10-推杆B，11-下凹模，12-下限位块，13- 下定位模，14-加强筋，15-螺旋调节杆，16-模架，17-上轧辊，18-管坯，19-下轧辊，20-电机。
具体实施方式
在图4所示的本发明成形过程轧制装置的主视示意简图中，设在底座上的两竖直模架16之间置有并列的上轧辊17和下轧辊19，其调整上轧辊与下轧辊间距的螺旋调节杆15设在竖直模架顶部，下轧辊一端与电机20相连。其中上轧辊作为凸模，下轧辊作为凹模，下轧辊的齿间距以及齿间深度由所需波浪形板材下凹的尺寸h和宽度W决定，根据对板材波形的要求调节下压量。
在图6、图7和图8所示的本发明的波形成形过程模具的主视剖面示意简图中，上凹模2和下凹模11与管坯接触面即里面的形状要与图1的管坯轴向波纹形状相对应，推杆1一端与液压涨波机的加载液压缸相连，另一端与上凹模2 上的水平螺栓孔螺纹连接。该上凹模2上部与液压涨波机上横梁对应并相连，下部设开口向下的半圆槽，该半圆槽的半径呈阶梯形且朝向推杆1一侧的半径小于另一侧半径，大小半径台阶高度等于波宽W，半圆槽小半径等于软管管坯外径并且厚度等于波间距，半圆槽大半径＞软管管坯外径+波的高度h。与该上凹模2对应的为下凹模11，该下凹模11下部与液压涨波机下横梁对应并相连，上部设开口向上的半圆槽，该半圆槽的半径呈阶梯形且朝向推杆10一侧的半径小于另一侧半径，大小半径台阶高度等于波宽W，半圆槽小半径等于软管管坯外径并且厚度等于波间距，半圆槽大半径＞软管管坯外径+波的高度h。在下凹模11一端与液压涨波机的加载液压缸相连，另一端与下凹模11的水平螺栓孔螺纹连接。在上下凹模的另一侧分别设有上下定位模，该上定位模4上部与液压涨波机上横梁对应并相连，下部设开口向下的半圆槽，该半圆槽的半径呈阶梯形且朝向推杆1一侧的半径小于另一侧半径，大小半径台阶高度等于波宽W，半圆槽小半径等于软管管坯外径并且厚度等于波的间距，半圆槽大半径＞软管管坯外径+波的高度h。该下定位模13下部与液压涨波机下横梁对应并相连，上部设开口向上的半圆槽，该半圆槽的半径呈阶梯形且朝向推杆10一侧的半径小于另一侧半径，大小半径台阶高度等于波宽W，半圆槽小半径等于软管管坯外径并且厚度等于波间距，半圆槽大半径＞软管管坯外径+波的高度h。上述各凹模及定位块开口槽的小半径端部截面均为半圆形。在上凹模2、和上定位模4之间可设有上限位块3，其上端单独与活塞杆相连，下部设开口向下的半圆槽，该半圆槽半径等于上凹模2的大半径，该限位块的厚度等于单波步长S-W。与上限位块3对应的下限位块12设在下凹模11和下定位块13之间，该下限位块12 的下端单独与活塞杆相连，上部设开口向上的半圆槽，该半圆槽半径等于下凹模11的大半径，该限位块的厚度等于单波的步长S-W。另有设在软管管坯内的两个密封圈6、7，其为外径与软管管坯内径相同的圆板，中心设螺孔，并各与一根推杆5、8一端螺纹连接。推杆8为空心杆，作为注油管道以及卸油管道。
实施例1
首先根据所需波纹金属软管设计管坯的板材尺寸(包括轴向波形的高度、宽度以及波数)并根据该尺寸对上下轧辊进行加工，在专用的轧机上进行辊轧，板材在送料机的作用下送入模具，随着轧辊的滚动将板材辊轧成所需波浪状板材如附图1所示。之后对板材进行卷圆焊接，成为轴向波纹形的管坯如附图2 所示。其中，选取公称直径D＝80mm的波纹软管，板材轴向波形数量n＝12，因此根据轴向波形数量和软管公称直径可确定两轧辊间距l1＝20.93mm，轧辊半径 r＝2.5mm，两轧辊间的直边段l2＝10.93mm，单个波形的弧长l3＝30.55mm。被加工件板材宽度尺寸W2＝n(πr2+l2)＝366.66mm。
将上下凹模2、11和上下定位块4、13固定端分别固定在涨波机上下横梁上，同时将上下限位块3、12的固定端固定在上下液压缸的活塞杆上，并按下列顺序并列，即上凹模2与上限位块3相邻，上限位块3与上定位模4相邻，再由推杆1对它们进行挤压，使它们紧靠在一起；同理，下凹模11与下限位块 12相邻，下限位块12与下定位模13相邻，再由推杆10对它们进行挤压，使它们紧靠在一起，并且使上、下凹模，及上、下定位块均相对应，其左视图如附图5所示，然后将软管管坯紧紧箍住，如附图6所示。将两个密封圈置于软管管坯内，其一个密封圈B7由推杆D8推至其光面与上下定位模4、13的施力点在同一个面的位置，另一个密封圈A6由推杆C5推至其光面与上下凹模2、11 的施力点在同一个面的位置，如附图6所示。向密封圈A6、B7之间的空间充填液压油，推杆D8为空心管，液压油由推杆D8的管口向密封圈A6、B7之间的空间充填，液压油对软管管坯内壁加压使其鼓胀，为波形定位，如附图7所示。之后上下限位块3、22在活塞杆作用下，分别上下移动从凹模和定位模的间隙中脱离。液压油继续加压，上下凹模2、11分别在推杆A1、B10及密封圈A6 在推杆C5共同作用下推动软管管坯向固定不动的密封圈B7移动，直至波形成形，液压油卸载，如附图8所示。所述各部件均复位，管坯在送料装置的推动下再进给所需步长，成形下一组波纹，最后获得所需的金属波纹管是波谷位置带有轴向加强筋的波纹金属软管，如图3所示，其直径D＝80mm，波高h＝10mm，波长S＝11，波宽W＝7mm，波数n＝20的带加强筋新型金属波纹管，经计算其抗弯刚度为3.23MN·m。而直径D＝80mm，波高h＝10mm，波长S＝11，波宽W＝7mm，波数n＝20的不带加强筋的普通金属波纹管，经计算其抗弯刚度为1.77MN·m。因此，带加强筋新型金属波纹管具有较大的抗弯刚度，不易发生弯曲变形，同时避免波形之间的相互挤压导致的破坏现象发生。
实施例2
其操作过程与例1相同，波形参数(波高和波宽)不同的波纹金属软管，如图 2所示，其直径D＝80mm，波高h为8mm，波宽W＝5mm,波数n＝20的带加强筋的金属波纹管，经计算其抗弯刚度为3.92MN·m。而直径D＝80mm，波高h为 8mm，波宽W＝5mm,波数n＝20的不带加强筋的普通金属波纹管，经计算其抗弯刚度为2.11MN·m。因此，带加强筋新型金属波纹管具有较大的抗弯刚度，同时避免波形之间的相互挤压导致的破坏现象发生。
Claims (3)
1.一种带轴向加强筋的金属波纹管，其特征在于：它是波谷位置带有轴向加强筋的波纹金属软管。
2.权利要求1的带轴向加强筋的金属波纹管的成形方法，其特征在于：
(1)板材轴向波形辊轧成形：
首先根据所需波纹金属软管设计管坯的板材尺寸，并根据该尺寸对上下轧辊进行加工，在专用的轧机上进行辊轧，板材在送料机的作用下送入模具，随着轧辊的滚动将板材辊轧成所需波浪状板材，之后对板材进行卷圆焊接，成为轴向波纹形的管坯。
(2)带加强筋波纹管成形：
1)将上、下凹模和上、下定位块固定端分别固定在涨波机上下横梁上，同时将上、下限位块的固定端固定在上下液压缸的活塞杆上，并按下列顺序并列，即上凹模与上限位块相邻，上限位块与上定位模相邻，再由推杆对它们进行挤压，使它们紧靠在一起；同理，下凹模与下限位块相邻，下限位块与下定位模相邻，再由推杆对它们进行挤压，使它们紧靠在一起，并且使上、下凹模，及上、下定位块均相对应，然后将软管管坯紧紧箍住；
2)将两个密封圈置于软管管坯内，其一个密封圈B由推杆D推至其光面与上、下定位模的施力点在同一个面的位置，另一个密封圈A由推杆C推至其光面与上、下凹模的施力点在同一个面的位置；
3)向密封圈A、B之间的空间充填液压油，推杆D为空心管，液压油由推杆D的管口向密封圈A、B之间的空间充填，液压油对软管管坯内壁加压使其鼓胀，为波形定位；
4)之后上、下限位块在活塞杆作用下，分别上下移动从凹模和定位模的间隙中脱离，液压油继续加压，上、下凹模分别在推杆A、B及密封圈A在推杆C共同作用下推动软管管坯向固定不动的密封圈B移动，直至波形成形，液压油卸载；
5)所述各部件均复位，管坯在送料装置的推动下再进给所需步长，成形下一组波纹，最后获得所需的带加强筋金属波纹软管。
3.根据权利要求2所述的带轴向加强筋的金属波纹管的成形方法，其特征在于：被加工件板材波形尺寸根据所设计的轧辊尺寸所决定，两轧辊间距l1，r为轧辊半径，板材上的轴向波形的波峰波谷均为半圆形相切过渡，单个波形弧长正好是一个圆形+两轧辊间的直边段l2，单个波形的弧长可由公式l3＝πr2+l2求得，金属软管板材宽度尺寸W1＝n(4r+l2)＝πD，被加工件板材宽度尺寸W2＝n(πr2+l2)，n是波形数量，D是金属软管的公称直径。
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