雙相不銹鋼彎管冷制作工藝探討

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了雙相不銹鋼彎管在冷制作過(guò)程中所遇到的問(wèn)題及其原因分析，并以此提出一些解決方案和建議。

關(guān)鍵詞：雙相不銹鋼；彎管；冷制作；工藝

1 概述

雙相不銹鋼（HDR）是基體兼有奧氏體和鐵素體兩種組織的一種不銹鋼。該類(lèi)鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，具有良好的抗腐蝕的能力，適用于海水及某些酸性等高腐蝕介質(zhì)，而且其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較大，可用于冷加工。因此，雙相不銹鋼管（HDR）在海洋船舶管路系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越盛行。

但對(duì)于常用的雙相不銹鋼管，往往其管壁較薄、屈服強(qiáng)度大，因此彎制難度高，易報(bào)廢。下面簡(jiǎn)要介紹雙相不銹鋼彎管制作過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題及其原因分析，并提出一些解決方案和建議。

2 雙相不銹鋼管的特性

2.1 化學(xué)成份

材料的化學(xué)成份見(jiàn)表1。

2.2 機(jī)械性能

材料的機(jī)械性能見(jiàn)表2。

2.3 規(guī)格及壁厚

常見(jiàn)雙相不銹鋼管的規(guī)格及壁厚見(jiàn)表3.

從表2可以看出， HDR雙相不銹鋼管的屈服強(qiáng)度為450MPa，是普通鋼的2～3倍。

3 彎管冷制作的工作原理

如圖1所示，先將待彎直管放入彎模中，將起彎點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)彎模中心，前夾夾緊管子的首段，滑板緊貼管子的尾段。起動(dòng)彎管機(jī)，前夾帶著管子一起作圓周運(yùn)動(dòng)，滑板在管子的帶動(dòng)下沿切線方向作直線支運(yùn)動(dòng)，對(duì)管子施加外力。當(dāng)管子受到的外力超過(guò)了其屈服極限時(shí)，將產(chǎn)生塑性變形，這是管子彎曲成形的基本原理。

4 彎頭制作過(guò)程中常出現(xiàn)的問(wèn)題

（1）發(fā)生走位，打滑；

（2）內(nèi)表面拉傷；

（3）表面出現(xiàn)皺折

（4）管壁拉裂等。

5 原因分析

（1）工藝方法不當(dāng)。在彎管過(guò)程中作業(yè)人員對(duì)彎管制作工藝流程的控制往往不夠重視，常采用碳鋼管的彎制方法，而未制定相關(guān)的HDR雙相不銹鋼管彎管作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。

（2）彎管人員的工作責(zé)任心和彎管技能水平參差不齊，對(duì)工藝知識(shí)、操作技能、設(shè)備知識(shí)的認(rèn)識(shí)不夠。

（3） 雙相不銹鋼管屈服強(qiáng)度大，而表面粗糙度小，彎制時(shí)易打滑。

下面簡(jiǎn)要分析彎管過(guò)程中的受力情況，如圖2所示。

在分析彎曲受力時(shí)，可將管子分為彎管段（AB）段和直管段（BC）。A端用前夾夾緊，AB段受彎矩MR的作用而產(chǎn)生彎曲，如圖2（a）所示。而在彎曲時(shí)B點(diǎn)受彎矩MR和彎模的壓力P的作用，在C點(diǎn)受到滑板的支承力P，如圖2（b）所示。

在彎曲過(guò)程中，由于受到彎矩作用，管子的橫截面積也要發(fā)生變化，該彎矩與夾頭和管子、管子和彎模之間的摩擦力F、管子和滑板之間的支承力P有關(guān)。然而實(shí)際上在彎曲過(guò)程中，管子外表面與彎模及滑板并不完全接觸。

使管子產(chǎn)生塑性變形所需的彎矩MR，其大小與管子的屈服強(qiáng)度成正比，因此，雙相不銹鋼管彎曲所需的力矩應(yīng)為普通鋼管的2～3倍。

MR =F*R （1-1）

式中：F—管子首段受的靜摩擦力（N）；

R —彎模半徑（mm）。

由于彎模半徑是一定的，因此，雙相不銹鋼管彎曲時(shí)首段受到的靜摩擦力應(yīng)為普通鋼的2～3倍。

根據(jù)靜摩擦力理論，物體受到的最大靜摩擦力為

F =μ*N （1-2）

式中：μ-摩擦系數(shù)

N-正壓力（N）

摩擦系數(shù)μ與材料、接觸面粗糙程度密切相關(guān)。正壓力N與所受到的夾緊力成正比。

6 解決方案

通過(guò)上述原因分析，可選用以下方案解決。

6.1 增大摩擦系數(shù)

根據(jù)摩擦學(xué)理論，正常粗糙度的兩表面接觸時(shí)，摩擦系數(shù)一般小于1，當(dāng)兩接觸表面變得很粗糙時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)大幅度增加。因此，要增加摩擦系數(shù)，必須增加管子與夾緊管子的夾頭的粗糙度。

對(duì)于管子，增大粗糙度一般采用打砂的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。普通壓力打砂，粗糙度增加不明顯，效果不大。如果采用特殊辦法打砂，雖然能實(shí)現(xiàn)粗糙度的明顯加大，但這樣會(huì)破壞管子的表面質(zhì)量，超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，會(huì)導(dǎo)致管材報(bào)廢。因此，增加管子的表面粗糙度方法不是很好的方案。但可增加彎模的粗糙度，達(dá)到增加摩擦系數(shù)的目的。

6.2 增加正壓力

增加接觸面積，或增加夾頭的夾緊力或增加摩擦力，以改善效果。

此外，增加正壓力的方法就是在夾頭處插入芯棒，但要控制好芯棒插入長(zhǎng)度。為加大管子所受的正壓力，需調(diào)整彎管機(jī)施加給管子的壓力。但前夾壓力過(guò)大會(huì)造成管子變形，壓力過(guò)小又會(huì)出現(xiàn)打滑，為解決此類(lèi)問(wèn)題，可在夾頭處插入芯棒，并調(diào)整好芯棒伸入管子的長(zhǎng)度，芯頭距離彎模切點(diǎn)不能太前也不能太后。

6.3 采用專(zhuān)用工裝

由于HDR管壁薄，易拉裂或起皺褶。為防止此類(lèi)問(wèn)題的出現(xiàn)，采用專(zhuān)用的彎模、芯棒、防皺板、管夾、潤(rùn)滑劑和砂紙等工裝是一種有效的工藝方法。

管路彎制時(shí)可能因?yàn)榇蚧?，特別在彎Ф76以上不銹鋼管時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)管子打滑而使管子變形報(bào)廢的現(xiàn)象。其主要原因是彎管機(jī)的壓模不能隨管子彎曲變形而自動(dòng)前移。打滑還會(huì)刮傷管子，因此應(yīng)防止此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生。

為了防止打滑，可在管子貼近前夾的邊沿焊上防滑條，此法雖然能制止管子打滑，但這樣既非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且對(duì)管子表面有所傷害，此法并不可取。

防止打滑方法有多種，其中制作工裝并加強(qiáng)管內(nèi)潤(rùn)滑是比較可行而操作簡(jiǎn)單的一種方法。首先設(shè)計(jì)一個(gè)輔助工裝，工裝設(shè)計(jì)的思路就是在前夾頭銑出防滑槽，再另造一個(gè)活動(dòng)的夾頭，以?shī)A住彎管設(shè)備夾頭的前端，這就相當(dāng)于加大了前夾夾管子的面積，使前夾夾得更緊。但是僅采用該種方法防止打滑效果還未必明顯，因壓板不能隨管子彎制變形前移也增加了打滑的可能，因此如在管內(nèi)增加潤(rùn)滑，勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步改善結(jié)果?？捎脟姌寣?rùn)滑油打進(jìn)管子內(nèi)，以增加其潤(rùn)滑，且可在管子與壓板間放上砂布，使壓板更易前移。

6.4 工裝的設(shè)計(jì)和使用

針對(duì)各種不同管徑，分別設(shè)制防皺板和管夾工裝，如圖3、圖4。該工裝配合采用雪油、石墨油、機(jī)油混合，精心調(diào)制出潤(rùn)滑劑，確保管子內(nèi)壁與芯頭的良好潤(rùn)滑，并在管夾處使用砂紙包覆，以解決彎管中出現(xiàn)的多種問(wèn)題。

6.5 幾點(diǎn)建議

為了提高彎管產(chǎn)品質(zhì)量，降低報(bào)廢率，除了采用可行的工藝方法外，還應(yīng)注意相關(guān)的前提條件，為此提出以下建議：

6.5.1 增強(qiáng)操作人員技能

操作人員的工作責(zé)任心和彎管技能是管子彎制成功的重要因素之一。但是，在當(dāng)前情況往往彎管人員的技能水平參差不齊，且質(zhì)量意識(shí)不強(qiáng)。因此在彎管制作前，工藝技術(shù)人員應(yīng)對(duì)操作人員進(jìn)行工藝交底，詳細(xì)分析其重要性及要面對(duì)的困難，并從理論上對(duì)其進(jìn)行工藝知識(shí)、操作技能、設(shè)備知識(shí)的培訓(xùn)，以提高其理論與技能水平。同時(shí)要求在操作過(guò)程中多觀察，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)調(diào)整。

6.5.2 保證制作設(shè)備的完好性

為確保彎管質(zhì)量，彎管機(jī)的良好工作狀態(tài)不可忽略。彎制工作前，應(yīng)對(duì)彎管機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件（如彎模、滑塊、芯棒等）進(jìn)行全方位的檢修、調(diào)整，為成功進(jìn)行薄壁管彎制創(chuàng)造條件。

6.5.3 制定管彎作業(yè)指導(dǎo)書(shū)

彎制工作前，應(yīng)編制適合的作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，明確相關(guān)的注意事項(xiàng)、操作程序及前提條件等。

6.5.4 選用優(yōu)質(zhì)管材

由于管材質(zhì)量是彎制成功與否的一個(gè)非常重要的因素，因此，在挑選待彎管時(shí)，應(yīng)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，對(duì)管子由內(nèi)及外進(jìn)行仔細(xì)檢查，確保沒(méi)有裂紋、夾層、結(jié)疤、燒傷等缺陷，并對(duì)管子外徑、橢圓度、直線度等進(jìn)行測(cè)量。

6.5.5 嚴(yán)格執(zhí)行工藝程序

通常按照如下工藝程序：

（1）根據(jù)HDR管規(guī)格，選用適配彎模和芯頭，并調(diào)整得當(dāng)；

（2）根據(jù)HDR管規(guī)格，選擇合適的防皺板并進(jìn)行安裝，在安裝時(shí)其前端要盡量向彎模切點(diǎn)靠近；

（3）在安裝好HDR管防皺板后，首先要調(diào)整彎管機(jī)前后夾距離，調(diào)整得當(dāng)與否直接影響彎制質(zhì)量。因此應(yīng)經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐探索，將可行的位置分別在彎管機(jī)上打好標(biāo)記或記錄設(shè)備的工作壓力值；

（4）檢查不銹鋼管內(nèi)部與芯頭是否干凈無(wú)雜物，如有雜物要清潔干凈；

（5）采用事先準(zhǔn)備好的雪油、石墨油、機(jī)油混合調(diào)制成潤(rùn)滑劑，均勻涂抹在芯頭上，確保不銹鋼管內(nèi)彎曲接觸摩擦部位得到潤(rùn)滑；

（6）彎制時(shí)要注意，由于廠家不同批次生產(chǎn)的管子硬度特性都有所不同，因此起彎時(shí)要慢慢操控設(shè)備彎制，以便隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，在彎到25°左右時(shí)，如未出現(xiàn)任何問(wèn)題則可一氣彎完。

7 彎管成品質(zhì)量評(píng)價(jià)

7.1 外觀質(zhì)量

管壁不應(yīng)有擦傷溝槽和碰撞形成的明顯凹陷，管子彎曲處不得有裂紋結(jié)疤、燒傷、分層等缺陷存在。被消除的部位壁厚的減薄，應(yīng)在壁厚減薄的允許范圍內(nèi)，否則作報(bào)廢處理。

7.2 壁厚的減薄率

鋼管≤25%（冷彎） ≤10%（熱彎）

銅管≤30%（冷彎） ≤15%（熱彎）

壁厚的減薄率：（t-t1）/t×100%

式中：t——彎曲前的管壁實(shí)際平均厚度（mm）；

t1——彎曲后的管壁最薄處的厚度（mm）。

7.3 橢圓度

冷彎：≤10 %

橢圓度：（A-B）/ DW×100%

式中：DW——管子實(shí)際外徑（mm）；

A——彎曲處截面最大外徑（mm）；

B——彎曲處截面最小外徑（mm）。

7.4 管壁褶皺

管子彎曲后允許有均勻折皺存在，但折皺高度一般不得超過(guò)3%管子外徑，最大極限不超過(guò)5%。

7.5 管子收縮率

收縮率：1-（A + B）/（ 2DW）×100%≤5 %

8 工藝方法實(shí)作論證

對(duì)于上述工藝方法和設(shè)想，已在某特種船的彎管制作過(guò)程中進(jìn)行了大量試驗(yàn)，并得到論證。

8.1 驗(yàn)證過(guò)程

在某特種船上，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最后總結(jié)出各個(gè)規(guī)格不銹鋼管彎制的正確芯棒插入長(zhǎng)度、彎模切點(diǎn)距離參數(shù)，詳見(jiàn)表3。

8.2 驗(yàn)證結(jié)果

按前述工藝方法進(jìn)行管子彎制，經(jīng)檢驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)公差范圍之內(nèi)，滿足成品質(zhì)量評(píng)價(jià)的要求。

9 結(jié)論

本文通過(guò)分析影響雙相不銹鋼彎管冷制作過(guò)程的各種要素，提出采用芯棒并控制其插入長(zhǎng)度、采用專(zhuān)用工裝并結(jié)合管內(nèi)潤(rùn)滑等工藝方法，經(jīng)過(guò)實(shí)船驗(yàn)證，表明該種工藝方法是可行的。