CN107597916B - 小弯曲半径壁厚低减薄弯管加工方法及中频弯管机 - Google Patents

Abstract

一种小弯曲半径壁厚低减薄弯管加工方法及中频弯管机，所述方法母材管的壁厚按照设计要求壁厚的1‑1.1倍选取；管件煨弯工序在设有反力矩装置的中频弯管机上实施，管件在弯管机主油缸总推力F₃和反力矩装置的反力油缸施加的反向力F₂的共同作用下进行，反向力F₂经钢索和反力矩弧板对被加工管件施加反向力矩，反向力矩在管件变形截面产生附加压应力，使管件在整个弯曲变形过程中变形区由附加压应力来抵消部分或全部拉应力，实现弯管管件的外弧壁厚低减薄。本发明可使弯管外弧侧应力大大减少直至接近零，从而大大降低母材的耗费量。同时可通过压缩变形细化晶粒，提高了变形区域的机械性能，消除组织缺陷扩大的趋势。

Description

小弯曲半径壁厚低减薄弯管加工方法及中频弯管机

技术领域

本发明涉及一种弯管加工技术，特别是可代替常规标准长半径(GB/T12459、ASMEB16.9)弯头使用的小弯曲半径壁厚低减薄的弯管加工方法及中频弯管机。

背景技术

目前，管路系统改变方向多采用弯头焊接直管的方法来实现，弯头焊接直管会产生较多的焊缝，对于一些重要的管路系统，如核电站的核反应堆和蒸发器系统管路，电站锅炉内部管路和四大管道等紧凑且重要的管路系统，减少焊缝意味着提高管路的安全性和可靠性，并且可以消除焊缝部位对介质流动性造成的影响，因此重要的管路系统采用弯管替代弯头焊接直管已经成为一种发展趋势。受空间环境的限制，管路系统的弯曲半径要尽量小一些(以1.5D最为常用)，但是，采用现有弯管煨弯工艺加工弯管时，随管子弯曲半径的减小，管壁背弧减薄量增加，当弯管弯曲半径R为2.5D时，背弧减薄量接近20％，显然为了保证管壁到达设计要求必需选用壁厚尺寸较大的母材进行弯管加工。现行弯管标准限制弯曲半径大于2.5D，以保证整个管路系统的经济性。换言之，现有技术无法解决弯曲半径小于2.5D弯管兼顾经济性的要求。鉴于此，设计一种可以用于小弯曲半径弯管加工且管壁背弧低减薄量乃至零减薄量的方法，无疑是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种小弯曲半径壁厚低减薄的弯管加工方法，所述方法可明显减小加工弯管的母材管规格，从而大幅度降低生产成本，拓宽管路系统使用弯管的范围。

本发明还提供了用于实施所述方法的中频弯管机。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种小弯曲半径壁厚低减薄的弯管加工方法，包括弯管备料工序和弯管煨弯工序，所述弯管备料工序中母材管的直径按照设计要求的直径选取，母材管的壁厚按照设计要求壁厚的1-1.1倍选取；

所述弯管煨弯工序在设有反力矩装置的中频弯管机上实施，煨弯过程，母材管在弯管机主油缸总推力F₃和反力矩装置的反力油缸施加的反向力F₂的共同作用下进行，反向力F₂经钢索和反力矩弧板对被加工母材管施加反向力矩，反向力矩在母材管变形截面产生附加压应力，使变形截面在整个变形过程中由附加压应力来抵消部分或全部拉应力，实现弯管段的外弧壁厚低减薄。

上述小弯曲半径壁厚低减薄的弯管加工方法，煨弯工序中总推力F₃为0.8-0.9(F₁+F₂)时，所加工弯管段的壁厚减薄率小于10％，式中F₁为同规格弯管在常规煨弯加工过程中弯管机主液压缸所施加推力的实测值，反向力F₂按照下述方法估算：

根据式M₁＝F₁×R计算出弯管转矩M₁，式中R为弯管的弯曲半径，

根据式M₁＝σ_平均×W_z求出σ_平均，W_z为母材管的塑性抗弯模量W_z＝(D³-d³)/6，

σ_平均为平均应力；

则F₂＝σ_平均×A×R/R₁，A为母材管的截面面积，R₁为反力矩弧板的半径。

一种小弯曲半径壁厚低减薄的弯管加工方法所使用的中频弯管机，包括基座、中频感应加热线圈、主液压缸、连接块、转臂座、转臂，主液压缸、转臂座分别固定在基座两侧，主液压缸经连接块固接母材管后端，转臂装配在转臂座上，转臂可相对转臂座转动，母材管前端由转臂夹持，其特征在于：还设有反力矩装置，反力矩装置包括反力矩弧板和反力油缸，反力矩弧板固接转臂，反力矩弧板设有圆弧形的钢索槽，反力矩油缸固定在转臂座上，反力矩油缸的活塞杆铰接滑轮，钢索环绕在滑轮和钢索槽内，钢索一端固接反力矩弧板的前端，钢索另一端与转臂座固定。

上述中频弯管机，反力矩弧板与转臂同轴转动，反力矩弧板的几何中心与转动中心重合，反力矩弧板为两块，两块反力矩弧板上下平行配置，反力矩油缸设置两台，每台反力矩油缸分别对应一块反力矩弧板施力。

上述中频弯管机，转臂座前端固定安装板，安装板上设有导槽，铰座与导槽滑动配合，转臂与铰座铰接。

上述中频弯管机，还包括钢管夹持装置，钢管夹持装置包括齿面卡爪和自紧套，自紧套由两块半圆分体套对合紧固而成，自紧套为中空结构，在自紧套中部设有圆锥形的卡紧孔，所述齿面卡爪位于卡紧孔内，齿面卡爪由数块分体卡爪对合而成，齿面卡爪的外廓为圆台形、内孔为圆柱形，齿面卡爪外廓与卡紧孔内壁匹配贴合，齿面卡爪的内孔分布锯齿形的卡紧齿，卡紧齿的倾斜面向卡紧孔的小端方向倾斜。

上述中频弯管机，卡紧孔的轴向尺寸大于齿面卡爪的轴向尺寸，卡紧孔两侧分别设有对齿面卡爪轴向限位的限位台。

本发明方法在对管材中频局部加热的状态下，采用附加反力的方法，在变形区施加压应力，以压应力来抵消拉应力，使弯管外弧侧应力大大减少直至接近零，实现外弧侧壁厚低减薄乃至零减薄，大大降低母材的耗费量。同时由于整个弯管过程中，变形截面上以压应力为主，拉应力很小或为零，通过压缩变形细化晶粒，提高了变形区域的机械性能，消除组织缺陷扩大的趋势。试验表明，以本发明方法加工弯曲半径等于1.5D的弯管，外弧壁厚可实现零减薄。本发明在有利于管道安全性、可靠性和介质流动性的同时兼顾了经济性，社会效益和经济效益明显

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明中频弯管机的结构示意图；

图2是转臂座及反力矩装置的结构示意图；

图3是图2的A向视图；

图4钢管夹持装置的结构示意图；

图5是图4的左视图；

图6齿面卡爪的结构示意图；

图7是图6的左视图；

图8是图4中B处的局部放大视图；

图9-12是弯管弯曲变形应力分布示意图。

图中各标号清单为：1、基座，2、主液压缸，3、连接块，4、母材管，5、滑轮，6、反力油缸，7、转臂座，8、安装板，9、铰座，10、反力矩弧板，11、转臂，12、钢索，13、中频感应加热线圈，14、夹持装置，14-1、自紧套，14-2、齿面卡爪，14-3、卡紧齿，14-4、限位台，15、夹持辊轮。

具体实施方式

本发明方法的理论分析如下：采用普通中频弯管技术时，钢管在转矩M₁作用下受力如图9所示，中性层上部拉应力递增，中性层下部压应力递增，弯管段背弧部位在拉应力作用下壁厚减薄。弯管发生变形所需的平均应力σ_平均如图10所示。如果对弯管段施加合适的反向力F₂，使变形截面受力如图11所示，即由施加的反向力F₂所产生的压应力抵消拉应力，使弯管外弧侧应力减少至接近零，这样即便对于小弯曲半径的母材管弯管加工，亦可实现弯管外弧壁厚低减薄量乃至零减薄的目的。

本发明方法的主要改进之处体现在弯管备料工序和管件煨弯工序。其中弯管备料工序中母材管的实测直径按照管路系统设计要求选取，母材管的实测壁厚按照管路系统设计要求壁厚的1-1.1倍选取。弯管的煨弯工序在设有反力矩装置的中频弯管机上实施。煨弯过程在弯管机主油缸总推力F₃和反力矩装置的反力油缸施加的反向力F₂的共同作用下进行，反向力F₂经钢索和反力矩弧板对被加工母材管施加反向力矩，如图12所示，使弯管在整个弯曲过程中变形区附加压应力来抵消部分或全部拉应力，实现弯管的外弧壁厚低减薄乃至零减薄。

试验表明，采用本发明方法在煨弯工序中总推力F₃为0.8-0.9(F₁+F₂)时，所加工弯管段壁厚减薄率小于10％，根据母材管的规格和材料不同，F₃的具体取值需由试验确定。式中F₁为同规格弯管在常规煨弯加工过程中弯管机主液压缸所施加的推力的实测值，反向力F₂按照下述方法估算：

根据式M₁＝F₁×R计算出弯管转矩M₁，式中R为弯管的弯曲半径，

根据式M₁＝σ_平均×W_z求出σ_平均，W_z为母材管的塑性抗弯模量W_z＝(D³-d³)/6，

σ_平均为平均应力；

则F₂＝σ_平均×A×R/R₁，A为母材管的截面积，R₁为反力矩弧板的半径。

参看图1-3，实施本发明所述的中频弯管机包括基座1、中频感应加热线圈13、主液压缸2、连接块3、转臂座7和转臂11。基座用于支撑各部件，主液压缸、转臂座分别固定在基座两侧，主液压缸经连接块固接母材管4的后端，连接块与基座滑动配合，当主液压缸活塞杆伸出动作时，推动连接块及母材管右移。转臂座前端固定安装板8，安装板上设有导槽，铰座9与导槽滑动配合可以用来调整所加工弯管的半径，铰座在安装板上的位置确定后由螺栓固定。转臂与铰座铰接，使转臂可相对转臂座转动，转臂设有用于穿过母材管的卡口，母材管的前端位于转臂的卡口内。转臂座设有两对夹持辊轮15，夹持辊轮的中部内凹。中频感应加热线圈设置在转臂座前部，中频感应加热线圈的轴线与母材管直段的轴线共线，中频感应加热线圈的轴线与转臂的转动中心之间的距离为弯管的弯曲半径R。由中频感应加热线圈将母材管局部(变形区)加热到奥氏体转变温度以上。所述中频弯管机还设有反力矩装置，反力矩装置包括反力矩弧板10和反力油缸6，反力矩弧板固接转臂，反力矩弧板设有圆弧形的钢索槽，反力矩油缸固定在转臂座处，反力矩油缸的活塞杆铰接滑轮5，钢索12环绕钢索槽和滑轮，钢索一端固接反力矩弧板的前端，钢索另一端与转臂座固定。反力矩弧板的几何中心与转动中心重合，反力矩弧板设置两块，两块反力矩弧板上下平行配置，反力矩油缸设置两台，每台反力矩油缸分别对应一块反力矩弧板施力。两台反力矩油缸所提供的反向力合力为F₂。

参看图4-8，所述中频弯管机在增加反力油缸后主液压缸的总推力需相应增加，因此在管件煨弯过程中固定在母材管前部的钢管夹持装置需要有强大的夹持力以避免母材管发生相对滑动。所述钢管夹持装置14包括齿面卡爪14-2和自紧套14-1，自紧套由两块半圆分体套对合紧固而成，自紧套为中空结构，在自紧套中部设有圆锥形的卡紧孔。齿面卡爪位于卡紧孔内，齿面卡爪由数块分体卡爪对合而成，分体卡爪的数目以3-6块为宜，图示实施例中分体卡爪为四块。齿面卡爪的外廓为圆台形、内孔为圆柱形。齿面卡爪的外廓与卡紧孔的内壁匹配贴合，齿面卡爪的内孔直径与所卡紧的管件的外径匹配。在齿面卡爪的内孔分布锯齿形的卡紧齿14-3，卡紧齿的倾斜面向卡紧孔的小端方向倾斜。为防止卡紧齿伤及大口径壁厚钢管的外表面，各卡紧齿的顶部设有圆弧倒角。卡紧孔的轴向尺寸大于齿面卡爪的轴向尺寸，卡紧孔两侧分别设有对齿面卡爪轴向限位的限位台14-4。夹持装置随管件运行，直至夹持装置与转臂贴合压紧，随后在主液压缸推力作用下转臂旋转，实现弯管的煨弯。

以下提供一个采用本发明方法煨弯钢管的具体实施例：

管路系统中设计要求管件的直径和壁厚为Φ508×40，加工1.5D弯曲半径的弯管，R为762毫米；母材管选取Φ508×40的钢管，长度1590毫米。实测按照常规方法煨弯同规格钢管所施加的力F₁为27.4×10⁴N；钢管弯曲时所受到的转矩M₁＝F₁×R，M₁＝σ_平均×W_z，W_z为母材管的塑性抗弯模量W_z＝(D³-d³)/6，σ_平均为平均应力，计算得出W_z＝(D³-d³)/6＝(508³-428³)/6＝8782293mm³，σ_平均＝M₁/W_z＝27.4×10⁴×0.762/0.008782293＝23.8MPa；母材管的横截面面积A＝0.7854(D²-d²)＝58811mm²，F₂＝σ_平均×A×R/R₁，反力矩弧板的半径R₁＝R，故F₂＝σ_平均×A＝140×10⁴N。

增加反力矩后总推力F₃＝0.85(F₁+F₂)＝0.85×(140+27.4)×10⁴N＝142×10⁴N。

煨弯后实测弯管弯曲部位外弧壁厚零减薄，内弧壁厚增加约60％。

Claims (1)

1.一种小弯曲半径壁厚低减薄的弯管加工方法，包括弯管备料工序和弯管煨弯工序，弯管煨弯工序在设有反力矩装置的中频弯管机上实施，所述中频弯管机包括基座(1)、中频感应加热线圈(13)、主液压缸(2)、连接块(3)、转臂座(7)、转臂(11)，主液压缸、转臂座分别固定在基座两侧，主液压缸经连接块(3)固接母材管后端，转臂装配在转臂座上，转臂可相对转臂座转动，母材管前端由转臂夹持；所述反力矩装置包括反力矩弧板(10)和反力油缸，反力矩弧板固接转臂，反力矩弧板设有圆弧形的钢索槽，反力矩油缸固定在转臂座上，反力矩油缸的活塞杆铰接滑轮(5)，钢索(12)环绕在滑轮和钢索槽内，钢索一端固接反力矩弧板的前端，钢索另一端与转臂座固定，其特征在于：所述弯管备料工序中母材管的直径按照设计要求的直径选取，母材管的壁厚按照设计要求壁厚的1-1.1倍选取；

煨弯过程，母材管在弯管机主油缸总推力F₃和反力矩装置的反力油缸施加的反向力F₂的共同作用下进行，反向力F₂经钢索和反力矩弧板对被加工母材管施加反向力矩，反向力矩在母材管变形截面产生附加压应力，使变形截面在整个变形过程中由附加压应力来抵消部分或全部拉应力，实现弯管段的外弧壁厚低减薄；

煨弯工序中总推力F₃设置为0.8-0.9(F₁+F₂)，所加工弯管段的壁厚减薄率小于10％，式中F₁为同规格弯管在常规煨弯加工过程中弯管机主液压缸所施加推力的实测值，反向力F₂按照下述方法估算：

根据式M₁＝F₁×R计算出弯管转矩M₁，式中R为弯管的弯曲半径，

根据式M₁＝σ_平均×W_z求出σ_平均，W_z为母材管的塑性抗弯模量W_z＝(D³-d³)/6，σ_平均为平均应力；

则F₂＝σ_平均×A×R/R₁，A为母材管的截面面积，R₁为反力矩弧板的半径。