大口徑三通管熱模拔制成形新工藝研究

張志遠 趙寶光 王歡

(鄭州輕工業(yè)學院機電工程學院，河南 鄭州 450002)

油氣管網(wǎng)是能源輸送的大動脈，近年來油氣管道建設已進入了發(fā)展的高峰期，隨著管道業(yè)的發(fā)展，三通管件趨于大口徑、厚壁、高性能材質(zhì)的發(fā)展方向［1］。我國西氣東輸工程中的鋼管外徑已達到1 219～1 422 mm，最大壁厚超過了50 mm，其工作壓力、管徑和壁厚顯著提高［2］。

三通管是管道建設中用來改變管道方向、管徑大小，進行管道分支、實現(xiàn)特殊連接等作用的管道配件，其成形工藝歷來都是油氣管道的關鍵技術［3］。它處于輸送石油天然氣管道的交接部位，一旦出現(xiàn)故障就會造成較大經(jīng)濟損失甚至重大事故。

目前三通管制造工藝有焊接、鑄造和熱擠壓成形等。焊接三通管在使用過程中易產(chǎn)生應力集中，難以滿足高壓力的技術要求;鑄造的大口徑三通管需要后續(xù)機加工，工時長，材料浪費嚴重;熱擠壓成形三通管工時長，且能源消耗大。基于此，本文介紹了一種新的熱模拔制成形大口徑三通管技術，利用金屬材料高溫下成形能力提高的原理，用模具高溫拔制成形三通管，克服了三通管傳統(tǒng)加工工藝的缺點，生產(chǎn)效率高，材料利用率高，成形性能好。試驗研究表明該工藝可行，值得大力推廣應用。

1 三通管傳統(tǒng)制造工藝

將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進三通形的鑄型里，凝固后獲得具有三通形狀的毛坯，然后進行后續(xù)的機加工就得到了鑄造三通管。鑄造三通的優(yōu)點是可以得到形狀復雜、壁厚較厚的管件毛坯，但缺點也非常明顯，鑄造三通的質(zhì)量不易保證，而且缺陷不易檢查，在工程投產(chǎn)后常發(fā)生泄漏事故，所以不宜在石油、化工管道上采用。特別對于大口徑厚壁三通管，體型較大，在加工時要切削掉很多的材料，耗材量大，生產(chǎn)成本高。

焊接三通管是在管坯上開馬鞍形焊口后與支管直接焊接而成，具有制造方便、現(xiàn)場靈活性強等優(yōu)點，但是三通管件焊接工藝比一般鋼管焊接復雜，焊接面是在一個馬鞍形的不規(guī)則空間曲面上，焊接質(zhì)量難以保證。焊接三通最大的弱點是高應力區(qū)正好位于支管和母管連接的相貫線處的焊縫位置上，用在石油、天然氣管道等高壓運輸線路上容易留下事故隱患。

將整個管坯加熱到管材再結(jié)晶溫度以上的某一適當溫度后放入模具中，在壓力機的作用下對管坯進行熱擠壓，管坯在徑向力的作用下沿模腔幾何形狀產(chǎn)生塑性變形而形成三通支管，就制造出了熱擠壓三通管。熱擠壓三通由于沒有焊縫，整體強度好，國外早已將擠壓三通用于管道工程上，上世紀70 年代美國已制定了擠壓三通的國家標準。我國在上世紀80 年代后開始研制擠壓三通，現(xiàn)在國內(nèi)已有許多廠家采用此工藝生產(chǎn)大口徑三通管，熱擠壓工藝是現(xiàn)今我國制造大口徑三通管的主要技術。阜新市壓力容器管道公司的劉銅對這種直徑補償?shù)拇罂趶饺ü艹尚喂に囘M行了研究，研制出兩套立式模具和一套臥式模具，實現(xiàn)了用工藝方法增加熱擠壓三通支管高度，縮小三通相貫區(qū)內(nèi)拐角處圓弧半徑的目的，成功地制造出了符合技術要求的三通管［4］。

此外還有一種結(jié)合了拔制工藝的熱擠壓成形三通管的工藝，該熱擠壓工藝可以簡單地分為4 步:制坯，選擇合適的無縫鋼管;壓扁，管坯經(jīng)整體加熱壓制成橢圓形;壓包，將整個管坯加熱到1 100 ℃左右，在壓力機上壓包;拉拔，在管坯鼓包上開預制孔，然后在液壓機上用專用模具熱拔成形三通管。

目前在國內(nèi)對此工藝的報道較少，能查的資料也非常有限，其中能源部機械制造局的熊繼蓉對該工藝進行了研究，介紹了整個工藝過程并對成形的三通管進行了應力檢驗［5］。機械科學研究總院的劉麗敏對大口徑高級鋼等徑三通熱擠壓成形工藝過程中支管拉拔工序進行研究，通過數(shù)值模擬對拉拔道次和成形載荷進行分析，確定出合理的工藝參數(shù)，并通過實驗對數(shù)值模擬結(jié)果進行了驗證［6］。

熱擠壓三通管成形時，管坯金屬保持連續(xù)流暢狀態(tài)，支管的金屬纖維只彎曲而沒被剪斷，整體強度高，由于是管坯材料的一體化成形，相貫線處的高應力區(qū)沒有焊縫，從而消除了焊接三通可能帶來的隱患。但是熱擠壓三通生產(chǎn)過程中需在加熱爐里對管坯整體加熱兩次以上，故生產(chǎn)效率低，能源消耗大，且一套模具只能生產(chǎn)一種口徑的三通管，形成一系列口徑的三通管產(chǎn)品需要的模具多，生產(chǎn)成本高。

表1 現(xiàn)有三通管制造工藝的優(yōu)缺點

綜上所述，焊接、鑄造和熱擠壓成形三通管工藝的優(yōu)缺點如表1 所示，可知現(xiàn)有的三通管制造工藝都存在一定的問題，難以滿足當今社會對大口徑三通管的技術需求。

2 熱拔成形三通管新工藝

熱模拔制成形三通管工藝所用設備少，只需要1臺立式液壓機，1 套拔模，1 個便攜式紅外測溫儀和1套加熱裝置。該工藝不需要熱擠壓工藝的上、下半模，且一種設備可用于不同管徑的管件拔制。

2.1 熱拔成形三通管工藝過程

該新型熱模拔制工藝如圖1 所示，在管坯合適的位置上開計算出來的具體尺寸的預制孔，把其合理地固定在液壓機工作臺上后對預制孔周圍加熱，達到溫度后迅速裝上拔模，開動液壓機拉拔成形三通支管。熱模拔制工藝具體過程如下:

(1)根據(jù)拔制三通管的尺寸計算出拔制力，校核拔制設備——液壓機的拉力。計算預制孔尺寸，在主管上開預制孔，對于碳鋼采用氣割開孔，打磨毛刺使橢圓形的預制孔邊緣光滑，有助于支管的成形。合金鋼則須采用機加工方法開孔，否則容易出現(xiàn)裂紋。開孔后把管坯合理地固定到液壓機的工作臺上，預制孔的中軸線應垂直于液壓機工作臺且拔模裝上后應位于預制孔的中心處。

(2)對預制孔周圍區(qū)域進行加熱，要求加熱均勻，加熱面積適中。本文專門設計了一種自動化的加熱裝置，采用氧-天然氣作為燃料，能對管件預制孔周圍進行準確、均勻、高效的加熱，同時采用便攜式紅外測溫儀對溫度進行密切監(jiān)測。

(3)當溫度達到1 100 ℃左右時，迅速在母管中放入拔模，并連接拉桿與拔模，拉桿與液壓機連接，開動液壓機，即可拔出拔模，形成支管凸緣。

考慮到金屬材料的延伸率極限，一次拉拔成形易造成支管破裂，支管端部減薄率大等缺陷，且隨著拉拔道次的增加，支管處金屬的流動性增強，支管的壁厚減薄率變小，支管強度增大。另外從經(jīng)濟上考慮，隨著拉拔道次的增加，拉拔力變小，使所用設備的噸位降低，減小投資成本，故一般三通管的拔制工藝需要2～3 次的拉拔過程。

2.2 熱拔成形三通管工藝的原理及特點

三通管的熱拔工藝又可以稱為翻邊成形工藝，根據(jù)金屬塑性成形理論［7］，三通管上支管凸緣的成形屬于“內(nèi)孔翻邊”的類型，即伸長類曲面翻邊成形。拔制工藝是拔模在牽引力的作用下從母管的預制孔中拔出，使之產(chǎn)生塑性變形而得到支管凸緣的工藝，該拔制過程是在預制孔周圍區(qū)域被加熱后進行的，相比冷拔，熱拔能減小金屬的變形抗力，加工設備可以使用較小噸位的液壓機;加熱改變管件材料的組織性能，熱變形后鋼鐵的組織晶粒經(jīng)過再結(jié)晶，晶粒細化，提高材料的力學性能;提高管件材料的塑性，針對一些低溫時較脆，難以加工的高合金鋼鋼管尤為重要。

熱模拔制成形大口徑三通管工藝相比傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝不僅具有明顯的優(yōu)勢，而且有自身獨有的特點:

(1)相比鑄造三通，該工藝不需要后續(xù)機加工，且大大節(jié)省了材料。

(2)相比焊接三通，熱拔工藝生產(chǎn)的三通管的主支光滑過渡，其結(jié)構合理、應力均勻。在支管拉拔過程中，金屬材料纖維組織只彎曲而不被剪斷，所以三通的整體強度高。

(3)熱拔工藝只需對管坯進行局部加熱，相比熱擠壓工藝多次對管件送回加熱爐中進行整體加熱，不僅工人勞動強度小，生產(chǎn)效率高而且能耗低，環(huán)保。而且整個工藝過程中只需要拔模(圖2)，只要更換拔模就能拔出各種規(guī)格的三通管，省去了熱擠壓工藝的上、下半模，也不需要建加熱爐，降低了投資成本，適合在中小企業(yè)推廣。

(4)專門設計了一種加熱均勻、快速的自動化加熱裝置，如果再配有管坯自動送料裝置，其工藝過程能實現(xiàn)高度自動化操作。

(5)該工藝簡單實用，應用范圍廣，不僅可以成形單個的三通管，同時也適用于在一個較長管坯不同位置拔出多個支管的情況。另外只需改變拉拔的角度就能拉拔出Y 型三通管。

3 實驗研究

某管件廠對該三通管成形工藝進行了一系列的生產(chǎn)實驗，在φ377～609 mm 的主管上拔出φ300 mm 的支管，在φ650～1 000 mm 的主管上拔出φ500 mm 的支管，實驗均取得了成功。

以在口徑為φ507 mm，壁厚為18 mm 的主管上拔制φ300 mm 的支管為例，經(jīng)過計算，在主管上用氣割的方法開了一個長軸約長226 mm，短軸約長117 mm的橢圓形預制孔，預制孔經(jīng)過去毛刺的處理后固定在液壓機的工作臺上，然后使用加熱裝置對預制孔周圍進行加熱，加熱范圍的直徑約為下步要拉拔成形支管直徑的1.5 倍，管件達到1 100 ℃左右時，用φ200 mm的半球形拔模進行第一次拉拔，接著分別用φ250 mm、φ300 mm 的半球形拔模進行第二和第三次拉拔，經(jīng)過三次拉拔成形出了φ300 mm 的支管(圖3)，這三次熱拔過程總共耗時約30 min。

經(jīng)測量，拉拔出的支管最小高約50 mm，最大高度約114 mm，支管端部的平均厚度約為16 mm，減薄率在20%以內(nèi)，該三通管整體上達到了設計的技術要求。

4 結(jié)語

(1)傳統(tǒng)的三通管制造工藝有焊接、鑄造和熱擠壓成形，均有一定的局限性，不能適合現(xiàn)代大口徑、耐高壓、高效率的需求。

(2)熱模拔制成形三通管成形質(zhì)量高，效率高，所用模具少，適合大口徑耐高壓三通管件的制造。

(3)經(jīng)試驗研究，本文所介紹的新的三通管熱模拔制成形工藝可行性好，適合進一步推廣應用。

［1］Cozewith，Charles.Computer simulation of tee mixes for nonreactive and reative flows［J］.Industrial and Engineering Chemistry Research，1991(30).

［2］彭在美.石油天然氣輸送鋼管是高新技術產(chǎn)品及其發(fā)展方向［J］.管道技術與設備，2003(6).

［3］岳進才.壓力管道技術［M］.北京:中國石油出版社，2006.

［4］劉銅.直徑補償熱擠壓三通的成型［J］.管道技術與設備，2003(4).

［5］熊繼蓉.高溫高壓管道熱拔三通［J］.電力技術，1992(4).

［6］劉麗敏，鐘志平，謝談，等.Φ508mm 等徑三通拉拔工序數(shù)值模擬與實驗研究［J］.塑性工程學報，2009(5).

［7］鄧陟.金屬薄板成形技術［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1993.