金屬波紋管液壓脹形技術(shù)應(yīng)用和研究進(jìn)展

李 響*

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

0 引言

波紋管是指具有波浪形凹槽的軸向可伸縮的柔性管件，金屬波紋管主要由波紋管波谷、波峰、波紋管直邊組成。根據(jù)材質(zhì)不同可分為金屬波紋管（碳鋼、不銹鋼等）和非金屬波紋管（鋼質(zhì)襯塑料），其中金屬波紋管主要作為彈性元件應(yīng)用于化工、石油、航空航天、核電等行業(yè)，在溫差較大的管道上可實(shí)現(xiàn)位移補(bǔ)償、減震和連接等功能；根據(jù)層數(shù)不同可分為單層波紋管和多層波紋管[1]，例如雙層金屬波紋管內(nèi)層采用合金材料，外層選擇不銹鋼材料。多層波紋管的補(bǔ)償效果優(yōu)于單層波紋管。

波紋管截面形狀可分為C 形、U 形、S 形和Ω形等[2]。U 形金屬波紋管的軸向伸縮量大，但承受壓力的能力較弱，一般用于天然氣供氣管道及自來(lái)水管道等；Ω 形金屬波紋管常用于高溫高壓環(huán)境，并和加強(qiáng)環(huán)一起使用，但是軸向伸縮量不足；S 形金屬波紋管的截面波紋大于其他截面形狀的波紋管，使用時(shí)位移補(bǔ)償較好，能夠承受高壓，常用于高壓環(huán)境[3]。S 形金屬波紋管的截面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 S形金屬波紋管截面結(jié)構(gòu)

1 金屬波紋管液壓脹形技術(shù)概述

1.1 金屬波紋管液壓脹形工藝

金屬波紋管一般可采用液壓脹形工藝、沉積成形、機(jī)械加工、焊接、滾壓成形、電輔助成形等工藝進(jìn)行加工[4]。其中，滾壓成形容易造成波紋管表面局部起皺，對(duì)于波紋管高度較大的波紋管可采用焊接工藝成形，但是焊接得到的波紋管無(wú)法承受高壓。沉積成形即3D 打印技術(shù)，但受打印材料成本，以及成形后的波紋管壁厚不均等原因影響，目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。金屬波紋管采用液壓脹形技術(shù)加工質(zhì)量較好，波紋管厚度分布均勻，同時(shí)可以節(jié)省材料，降低制造成本，因此，目前主要采用液壓脹形技術(shù)加工金屬波紋管。

金屬波紋管截面一般由同樣的波紋狀突褶和直邊組成。金屬波紋管的幾何形狀如圖2 所示，其中D1 為金屬波紋管管坯內(nèi)徑，H為波紋管高度，R1 為波紋管波谷圓角半徑，R2 為波紋管波峰圓角半徑。計(jì)算金屬波紋管展開(kāi)長(zhǎng)度L時(shí)，可將波紋弧長(zhǎng)沿中線展開(kāi)求和，金屬波紋管的展開(kāi)長(zhǎng)度L=2×（H-R1-R2）+π×（R1+R2）。

圖2 U形金屬波紋管幾何形狀

金屬波紋管的實(shí)際制造生產(chǎn)工序包括金屬材料準(zhǔn)備、板料劃線、板料下料、卷板機(jī)卷圓、圓坯縱縫點(diǎn)焊、圓坯校圓、無(wú)損檢測(cè)、管坯清洗、管坯加載固定、管坯整形、水壓試驗(yàn)和管坯表面處理等。

金屬液壓脹形工藝就是將擠壓沖頭擠壓金屬管坯兩端，使金屬管坯內(nèi)部形成密閉空間，然后將高壓液體注入金屬管坯內(nèi)，在液體介質(zhì)的壓力和擠壓沖頭周向擠壓作用下，使金屬管坯外表面材料在模具內(nèi)腔中發(fā)生塑性變形貼合液壓脹形模具，然后保持金屬管坯內(nèi)腔內(nèi)的液體介質(zhì)壓力不變，似金屬管坯兩側(cè)沖頭施加軸向壓力，在液壓脹形沖頭軸向壓力和液體介質(zhì)內(nèi)部壓力的作用下，管坯波峰逐漸形成，金屬波紋管在液壓脹形過(guò)程中先后經(jīng)歷了初成形階段（利用液體介質(zhì)提高內(nèi)壓）、終成形階段、保壓階段（為減小波紋管回彈需保壓15 min 左右），最后擠壓沖頭移出獲得所需形狀的波紋管，U 形金屬波紋管的典型結(jié)構(gòu)如圖3 所示。一般采用的液體為水和壓力油，利用液體施加壓力使管坯成形，可以減少應(yīng)力集中程度，保證管坯均勻變形，成形后的管件厚度均勻，成形質(zhì)量?jī)?yōu)異。適合成形加工的材料包括不銹鋼、銅合金、鋁合金等。液壓脹形工藝適用于管坯內(nèi)徑小于4 m 的波紋管加工。

圖3 U形金屬波紋管典型結(jié)構(gòu)

金屬冷成形時(shí)材料塑性變形容易產(chǎn)生起皺、破裂缺陷，有學(xué)者提出，在金屬變形時(shí)施加脈沖電流提高金屬晶粒的流動(dòng)性，降低金屬變形抗力，提高金屬材料的成形性能，避免金屬成形后發(fā)生回彈，該技術(shù)稱為電輔助成形工藝，已在金屬旋壓成形、金屬?zèng)_壓成形、滾彎成形工藝中得到應(yīng)用。因此，可將電輔助成形技術(shù)與金屬波紋管液壓脹形工藝相結(jié)合。當(dāng)金屬波紋管液壓脹形時(shí)，所用的液體介質(zhì)具有導(dǎo)電性，對(duì)液體介質(zhì)加載脈沖電流，可以利用焦耳熱效應(yīng)加熱金屬管坯，改變金屬管坯的材料性能，這就是金屬波紋管電輔助成形工藝過(guò)程。所以，對(duì)于采用變形困難材料的金屬波紋管可以結(jié)合電輔助技術(shù)改善管坯的成形性能，提高波紋管的抗拉強(qiáng)度。

1.2 金屬波紋管液壓成形工藝參數(shù)與缺陷控制

金屬波紋管由于工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)等原因引起的缺陷包括波紋管彎曲、起皺和波紋管表面破裂等缺陷。圖4 所示為金屬波紋管液壓脹形產(chǎn)生的主要缺陷形式。波紋管的起皺缺陷主要是由于管坯內(nèi)液體介質(zhì)內(nèi)壓不足，或是沖頭軸向進(jìn)給過(guò)快導(dǎo)致，在塑性變形前的起皺可以保證有足夠材料補(bǔ)給給下一階段變形，塑性變形后的起皺則會(huì)導(dǎo)致波紋管失效，在金屬波紋管實(shí)際加工過(guò)程中需要避免形成起皺缺陷。

圖4 金屬波紋管液壓脹形主要缺陷形式

為了獲得質(zhì)量?jī)?yōu)異的金屬波紋管，液壓脹形時(shí)需要控制各類參數(shù)，液壓脹形工藝中擠壓沖頭的進(jìn)給速度、管坯尺寸、液壓脹形模具與液體之間的摩擦系數(shù)、液體介質(zhì)壓力會(huì)影響金屬波紋管的最終成形效果。首先是液體介質(zhì)壓力對(duì)波紋管充液成形的影響，如果液體介質(zhì)內(nèi)壓過(guò)小，管坯金屬流動(dòng)性差，金屬材料無(wú)法與模具型腔充分貼合，也就無(wú)法得到形狀合適的金屬波紋管。當(dāng)液體介質(zhì)的內(nèi)壓不足時(shí)，管坯金屬充分流動(dòng)，但在初步變形時(shí)，波紋管波峰處容易起皺，進(jìn)而導(dǎo)致管坯破裂，波紋管破裂的原因包括管坯液體內(nèi)壓過(guò)大、沖頭軸向進(jìn)給速度過(guò)慢，通常管坯縮頸的區(qū)域容易發(fā)生減薄和破裂。根據(jù)文獻(xiàn)[2-4]記載，金屬管坯的回彈量隨著液體介質(zhì)的內(nèi)壓增加而變大，金屬波紋管的最大減薄量也隨之增加，因此增大液體介質(zhì)的壓力，管坯金屬會(huì)產(chǎn)生更大的回彈量，從而起皺變形。充液模具間隙也會(huì)影響金屬波紋管的成形質(zhì)量，如果充液模具間隙較小，金屬波紋管的波峰無(wú)法充分變形，導(dǎo)致合模時(shí)波紋管波峰起皺，如果充液模具間隙過(guò)大，金屬管坯的流動(dòng)性好，波紋管的波峰成形效果越好，金屬塑性變形完全，但也增加了減薄破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2 金屬波紋管液壓脹形研究進(jìn)展

目前，學(xué)者對(duì)Ω 形波紋管和U 形波紋管進(jìn)行了深入的研究，尤其關(guān)注金屬波紋管在加工過(guò)程中的參數(shù)優(yōu)化和工藝缺陷問(wèn)題。李慧芳[4]等對(duì)雙層Ω 形波紋管膨脹節(jié)進(jìn)行研究，分析雙層Ω 形波紋管在液壓脹形過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變分布和管坯壁厚減薄情況，發(fā)現(xiàn)雙層Ω 形波紋管液壓脹形過(guò)程中波紋管膨脹節(jié)的大圓弧處出現(xiàn)最大等效應(yīng)力，波紋管波峰發(fā)生較大塑性變形，在停止施加內(nèi)壓后，最大等效應(yīng)力位于波紋管大圓弧和小圓弧的過(guò)渡處，此外，發(fā)現(xiàn)波紋管管坯的波峰減薄嚴(yán)重，減薄率高達(dá)19%。劉靜等[5]采用ABAQUS 軟件分析了不銹鋼多層波紋管的液壓脹形過(guò)程，研究了波紋管層數(shù)對(duì)金屬波紋管液壓脹形后的壁厚和波紋管波峰紋高度H的影響，發(fā)現(xiàn)隨著多層金屬波紋管的層數(shù)增加，波紋高度H以及波紋管的內(nèi)徑也會(huì)隨之增大，增加金屬波紋管的外層數(shù)量可以減低金屬波紋管波紋外圓角破裂的概率。邢卓等[6]分析了金屬波紋管膨脹節(jié)直壁產(chǎn)生褶皺的原因，將波紋管與法蘭焊接時(shí)，波紋管和法蘭環(huán)焊縫的角焊縫出現(xiàn)焊接缺陷，金屬波紋管膨脹節(jié)通過(guò)角焊縫缺陷漏氣，從而在氣壓試驗(yàn)時(shí)候膨脹節(jié)抽真空形成負(fù)壓形成褶皺缺陷。

生產(chǎn)過(guò)程中主要采用試錯(cuò)法調(diào)整金屬波紋管充液成形參數(shù)，進(jìn)而獲得成形質(zhì)量合格的產(chǎn)品。但試錯(cuò)法成本較高，試錯(cuò)效率低下，因此，可采用有限元方法研究金屬波紋管的工藝參數(shù)對(duì)波紋管成形質(zhì)量的影響規(guī)律。采用有限元分析方法可將離散化的變形過(guò)程簡(jiǎn)化為有限單元的分析過(guò)程，對(duì)成形后的金屬波紋管的成形質(zhì)量進(jìn)行直觀分析。

3 有限元分析方法在金屬波紋管液壓脹形中的應(yīng)用

液化金屬波紋管的充液脹形過(guò)程屬于多重非線性變化過(guò)程，其變形過(guò)程較為復(fù)雜，波紋管在受到載荷作用時(shí)也會(huì)發(fā)生大撓度變形。有限元方法是研究管坯液壓脹形工藝的有效手段，對(duì)金屬波紋管的充液成形過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，從而對(duì)金屬波紋管成形過(guò)程中的缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，并縮短波紋管零部件的開(kāi)發(fā)周期。

對(duì)金屬波紋管進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先要建立有限元模型，包括波紋管加工擠壓沖頭、管坯、中間模具、上下端模具等組成[7]，圖5 為U 形金屬波紋管有限元模型。采用三維軟件進(jìn)行建模，將三維模型導(dǎo)入至有限元分析軟件中，液壓脹形沖頭為剛性材料，并對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，選擇合適的單元類型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再選用合適的材料（包括鋁合金、不銹鋼材料，皆為各向同性材料），然后設(shè)置約束條件，包括充液模具和管坯的接觸設(shè)置以及載荷設(shè)置，設(shè)置約束條件時(shí)要保證管坯不會(huì)發(fā)生該方向的變形，同時(shí)將液體介質(zhì)內(nèi)壓充分均勻施加在管坯內(nèi)表面，模具和金屬管坯采用面面接觸，管坯兩端的沖頭在軸向施加異向的推力，從而提高液體介質(zhì)的內(nèi)壓，保證管坯充分變形。在設(shè)置接觸條件時(shí)，應(yīng)考慮充液模具和液體介質(zhì)之間的摩擦情況[8-9]。金屬波紋管的成形過(guò)程可分為5 個(gè)階段，即液壓沖頭進(jìn)給、波紋管波峰初步變形、波紋管完全成形和液體壓力卸載。

液壓脹形領(lǐng)域的學(xué)者和技術(shù)人員利用有限元方法對(duì)金屬波紋管脹形工藝進(jìn)行了全面的研究。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)鄭文濤等[10]利用仿真軟件建立鈦合金材質(zhì)的金屬波紋管有限元模型，分析了液體介質(zhì)壓力、液壓脹形模具的圓角半徑對(duì)波紋管的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)外徑為21.5 mm 的鈦合金管坯的液壓脹形模具圓角半徑為4～10 t，液壓脹形模具的圓角半徑越小，波紋管的回彈量、減薄和波紋管的成形質(zhì)量越好。彭赫力等[11]發(fā)現(xiàn)金屬波紋管液壓脹形時(shí)的液體介質(zhì)內(nèi)壓為40 MPa，液壓脹形模具的圓角半徑為5 mm 時(shí)，金屬管坯可以與脹形模具內(nèi)腔完全貼合，同時(shí)成形后的波紋管厚度較為均勻，有限元模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果中的最大減薄率的準(zhǔn)確率僅相差1.4%，說(shuō)明有限元方法可以有效判斷金屬波紋管液壓脹形時(shí)可能產(chǎn)生的缺陷情況。

金屬波紋管的液壓脹形模具的外形尺寸和工藝也會(huì)對(duì)金屬波紋管的成形質(zhì)量和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。李慧芳等[12]研究了液壓脹形模具對(duì)金屬波紋管液壓脹形成形質(zhì)量的影響，分析了液壓脹形模具的傾角、模具內(nèi)腔厚度對(duì)波紋管波峰高度和波紋管波形輪廓的影響，發(fā)現(xiàn)隨著波紋管模具傾角的增加，波紋管波峰的回彈量增加。

根據(jù)金屬波紋管液壓脹形的有限元仿真結(jié)果，可以研究金屬波紋管的減薄率、應(yīng)力應(yīng)變分布、厚度分布，可以分析金屬管坯材質(zhì)和尺寸、液體介質(zhì)內(nèi)壓、沖頭軸向進(jìn)給速度、模具圓角半徑、不同內(nèi)壓加載方式的參數(shù)和條件對(duì)金屬波紋管成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

4 結(jié)論

利用液壓脹形工藝加工金屬波紋管，液體介質(zhì)壓力可以均勻施加在管坯上，保證了管坯厚度均勻變化，并利用電輔助加熱技術(shù)獲得成形質(zhì)量良好、力學(xué)性能優(yōu)異的金屬波紋管。金屬波紋管的層數(shù)、液體介質(zhì)內(nèi)壓、充液成形模具圓角、液體介質(zhì)和模具間的摩擦系數(shù)、沖頭進(jìn)給速度等工藝參數(shù)將會(huì)影響金屬波紋管最終的成形質(zhì)量。采用有限元方法可對(duì)采用不同工藝參數(shù)的金屬波紋管液壓脹形過(guò)程進(jìn)行全面分析，預(yù)測(cè)可能形成的起皺、破裂缺陷。