雙相不銹鋼彎管冷制作工藝探討

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

關鍵詞：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。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，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，而且其屈服強度和抗拉強度較大，可用于冷加工。因此，雙相不銹鋼管（HDR）在海洋船舶管路系統的應用也越來越盛行。

但對于常用的雙相不銹鋼管，往往其管壁較薄、屈服強度大，因此彎制難度高，易報廢。下面簡要介紹雙相不銹鋼彎管制作過程中常見的問題及其原因分析，并提出一些解決方案和建議。

2 雙相不銹鋼管的特性

2.1 化學成份

材料的化學成份見表1。

2.2 機械性能

材料的機械性能見表2。

2.3 規格及壁厚

常見雙相不銹鋼管的規格及壁厚見表3.

從表2可以看出， HDR雙相不銹鋼管的屈服強度為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，將起彎點對準彎模中心，前夾夾緊管子的首段，滑板緊貼管子的尾段。起動彎管機，前夾帶著管子一起作圓周運動，滑板在管子的帶動下沿切線方向作直線支運動，對管子施加外力。當管子受到的外力超過了其屈服極限時，將產生塑性變形，這是管子彎曲成形的基本原理。

4 彎頭制作過程中常出現的問題

（1）發生走位，打滑；

（2）內表面拉傷；

（3）表面出現皺折

（4）管壁拉裂等。

5 原因分析

（1）工藝方法不當。在彎管過程中作業人員對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，而未制定相關的HDR雙相不銹鋼管彎管作業指導書。

（2）彎管人員的工作責任心和彎管技能水平參差不齊，對工藝知識、操作技能、設備知識的認識不夠。

（3） 雙相不銹鋼管屈服強度大，而表面粗糙度小，彎制時易打滑。

下面簡要分析彎管過程中的受力情況，如圖2所示。

在分析彎曲受力時，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的作用而產生彎曲，如圖2（a）所示。而在彎曲時B點受彎矩MR和彎模的壓力P的作用，在C點受到滑板的支承力P，如圖2（b）所示。

在彎曲過程中，由于受到彎矩作用，管子的橫截面積也要發生變化，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。然而實際上在彎曲過程中，管子外表面與彎模及滑板并不完全接觸。

使管子產生塑性變形所需的彎矩MR，其大小與管子的屈服強度成正比，因此，雙相不銹鋼管彎曲所需的力矩應為普通鋼管的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首段受到的靜摩擦力應為普通鋼的2～3倍。

根據靜摩擦力理論，物體受到的最大靜摩擦力為

F =μ*N （1-2）

式中：μ-摩擦系數

N-正壓力（N）

摩擦系數μ與材料、接觸面粗糙程度密切相關。正壓力N與所受到的夾緊力成正比。

6 解決方案

通過上述原因分析，可選用以下方案解決。

6.1 增大摩擦系數

根據摩擦學理論，正常粗糙度的兩表面接觸時，摩擦系數一般小于1，當兩接觸表面變得很粗糙時，摩擦系數會大幅度增加。因此，要增加摩擦系數，必須增加管子與夾緊管子的夾頭的粗糙度。

對于管子，增大粗糙度一般采用打砂的辦法來實現。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，雖然能實現粗糙度的明顯加大，但這樣會破壞管子的表面質量，超出標準范圍，會導致管材報廢。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，達到增加摩擦系數的目的。

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度。為加大管子所受的正壓力，需調整彎管機施加給管子的壓力。但前夾壓力過大會造成管子變形，壓力過小又會出現打滑，為解決此類問題，可在夾頭處插入芯棒，并調整好芯棒伸入管子的長度，芯頭距離彎模切點不能太前也不能太后。

6.3 采用專用工裝

由于HDR管壁薄，易拉裂或起皺褶。為防止此類問題的出現，采用專用的彎模、芯棒、防皺板、管夾、潤滑劑和砂紙等工裝是一種有效的工藝方法。

管路彎制時可能因為打滑而失敗，特別在彎Ф76以上不銹鋼管時，可能會出現管子打滑而使管子變形報廢的現象。其主要原因是彎管機的壓模不能隨管子彎曲變形而自動前移。打滑還會刮傷管子，因此應防止此類問題的發生。

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，但這樣既非常費時費力，且對管子表面有所傷害，此法并不可取。

防止打滑方法有多種，其中制作工裝并加強管內潤滑是比較可行而操作簡單的一種方法。首先設計一個輔助工裝，工裝設計的思路就是在前夾頭銑出防滑槽，再另造一個活動的夾頭，以夾住彎管設備夾頭的前端，這就相當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，因此如在管內增加潤滑，勢必會進一步改善結果。可用噴槍將潤滑油打進管子內，以增加其潤滑，且可在管子與壓板間放上砂布，使壓板更易前移。

6.4 工裝的設計和使用

針對各種不同管徑，分別設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、機油混合，精心調制出潤滑劑，確保管子內壁與芯頭的良好潤滑，并在管夾處使用砂紙包覆，以解決彎管中出現的多種問題。

6.5 幾點建議

為了提高彎管產品質量，降低報廢率，除了采用可行的工藝方法外，還應注意相關的前提條件，為此提出以下建議：

6.5.1 增強操作人員技能

操作人員的工作責任心和彎管技能是管子彎制成功的重要因素之一。但是，在當前情況往往彎管人員的技能水平參差不齊，且質量意識不強。因此在彎管制作前，工藝技術人員應對操作人員進行工藝交底，詳細分析其重要性及要面對的困難，并從理論上對其進行工藝知識、操作技能、設備知識的培訓，以提高其理論與技能水平。同時要求在操作過程中多觀察，發現問題應及時調整。

6.5.2 保證制作設備的完好性

為確保彎管質量，彎管機的良好工作狀態不可忽略。彎制工作前，應對彎管機的運動部件（如彎模、滑塊、芯棒等）進行全方位的檢修、調整，為成功進行薄壁管彎制創造條件。

6.5.3 制定管彎作業指導書

彎制工作前，應編制適合的作業指導書，明確相關的注意事項、操作程序及前提條件等。

6.5.4 選用優質管材

由于管材質量是彎制成功與否的一個非常重要的因素，因此，在挑選待彎管時，應嚴把質量關，對管子由內及外進行仔細檢查，確保沒有裂紋、夾層、結疤、燒傷等缺陷，并對管子外徑、橢圓度、直線度等進行測量。

6.5.5 嚴格執行工藝程序

通常按照如下工藝程序：

（1）根據HDR管規格，選用適配彎模和芯頭，并調整得當；

（2）根據HDR管規格，選擇合適的防皺板并進行安裝，在安裝時其前端要盡量向彎模切點靠近；

（3）在安裝好HDR管防皺板后，首先要調整彎管機前后夾距離，調整得當與否直接影響彎制質量。因此應經過反復實踐探索，將可行的位置分別在彎管機上打好標記或記錄設備的工作壓力值；

（4）檢查不銹鋼管內部與芯頭是否干凈無雜物，如有雜物要清潔干凈；

（5）采用事先準備好的雪油、石墨油、機油混合調制成潤滑劑，均勻涂抹在芯頭上，確保不銹鋼管內彎曲接觸摩擦部位得到潤滑；

（6）彎制時要注意，由于廠家不同批次生產的管子硬度特性都有所不同，因此起彎時要慢慢操控設備彎制，以便隨時進行調整，在彎到25°左右時，如未出現任何問題則可一氣彎完。

7 彎管成品質量評價

7.1 外觀質量

管壁不應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疤、燒傷、分層等缺陷存在。被消除的部位壁厚的減薄，應在壁厚減薄的允許范圍內，否則作報廢處理。

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3%管子外徑，最大極限不超過5%。

7.5 管子收縮率

收縮率：1-（A + B）/（ 2DW）×100%≤5 %

8 工藝方法實作論證

對于上述工藝方法和設想，已在某特種船的彎管制作過程中進行了大量試驗，并得到論證。

8.1 驗證過程

在某特種船上，經過反復試驗，最后總結出各個規格不銹鋼管彎制的正確芯棒插入長度、彎模切點距離參數，詳見表3。

8.2 驗證結果

按前述工藝方法進行管子彎制，經檢驗各項參數均在標準公差范圍之內，滿足成品質量評價的要求。

9 結論

本文通過分析影響雙相不銹鋼彎管冷制作過程的各種要素，提出采用芯棒并控制其插入長度、采用專用工裝并結合管內潤滑等工藝方法，經過實船驗證，表明該種工藝方法是可行的。