不銹鋼彎管的皺波問題及其預(yù)防措施（下）

何德孚，蘇永強(qiáng)，容松如，羅 劍

（1.上海久立工貿(mào)發(fā)展有限公司，上海200135；2.浙江德傳管業(yè)有限公司，浙江 湖州313103）

不銹鋼彎管的皺波問題及其預(yù)防措施（下）

何德孚1，蘇永強(qiáng)2，容松如1，羅 劍2

（1.上海久立工貿(mào)發(fā)展有限公司，上海200135；2.浙江德傳管業(yè)有限公司，浙江 湖州313103）

為了預(yù)防不銹鋼管冷彎時(shí)出現(xiàn)皺波的問題，首先從管件制造標(biāo)準(zhǔn)化角度考察和評(píng)估了冷彎方法的優(yōu)點(diǎn)及其合理應(yīng)用范圍，然后通過兩個(gè)典型案例分析了冷彎時(shí)發(fā)生皺波的“薄”壁條件和影響因素。分析指出，皺波的實(shí)質(zhì)是拱腹壓縮塑性變形區(qū)的“壓桿”失穩(wěn)屈折現(xiàn)象。依據(jù)鋼管to/do和Ro/do決定的彎管“薄”壁度，合理設(shè)置芯棒型式模具加工精度和安裝“間隙”，從力學(xué)上增強(qiáng)“壓桿”抗壓穩(wěn)定度，是預(yù)防皺波的必要保障。不銹鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)允許的to和do公差帶往往大于“薄”壁彎管所必須的模具間隙，有時(shí)會(huì)在小批量多品種規(guī)格不銹鋼彎管時(shí)產(chǎn)生皺波，但只要把握“薄”壁度，重視芯棒結(jié)構(gòu)、模具間隙及彎管參數(shù)的合理調(diào)整，不銹鋼冷彎管時(shí)的皺波問題是可以解決的。

不銹鋼管；冷彎；拱腹皺波；繞彎式彎管機(jī)；“薄”壁度；芯棒型式；模具間隙；壓桿失穩(wěn)屈折

Abstract:In order to prevent wrinkling problem during stainless steel pipe cold bending,first of all,from the perspective of pipe fittings manufacturing standardization,it inspected and evaluated the advantages of cold bending method and its reasonable application scope,then analyzed the"thin”wall condition and influence factors when stainless steel cold bending through two typical cases.The analysis indicated that the essence of the wrinkling is pressure rod unstability and buckling phenomenon in intrados compressive plastic deformation area.According to the steel pipe “thin” wall degree decided by to/doand Ro/do,set up reasonably mandrel type,and the clearance determined by other mold processing and installation presicion,to strengthen the stability against crushing of compression bar from mechanics,this is a necessary safeguard against wrinkling.The tolerance zone of to and do specified in stainless steel pipe manufacturing standard is often than the die clearance of"thin”wall thickness bends,sometimes the wrinkling appear in small batch multivarietal specifications stainless steel elbow pipe.However,as long as grasp the"thin"wall thickness degree,pay attention to the core rod structure,reasonably adjust die clearance and bending pipe parameters,the wrinkling problem of stainless steel cold bend can be solved.

Key words:stainless steel pipe；cold-bending；wrinkle wave of intrados；draw bender；“thin”wall degree；mandrel type；die gap；pressure rod unstability and buckling

（上接2017年第7期第40頁(yè)）

3 案例分析和解剖

2016年，用戶在對(duì)德傳管業(yè)生產(chǎn)的不銹鋼管進(jìn)行彎管時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分彎管出現(xiàn)了起皺現(xiàn)象。對(duì)該次彎管的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表9。

3.1 案例一

首先以Φ88.9 mm×3.05 mm（表 9中序號(hào) 1）不銹鋼管的彎管為例。依據(jù)諾模圖（見圖10）和表9數(shù)據(jù)可知，對(duì)該規(guī)格鋼管彎管時(shí)宜采用單球柔性芯棒來彎制，但工廠實(shí)際彎管時(shí)采用了剛性芯棒，從根本上說會(huì)有較大起皺風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)椋?/p>

表9 不銹鋼彎管的樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

（1）該用戶所用彎管機(jī)為圖9（a）結(jié)構(gòu)，但未設(shè)置防皺塊。采用該彎管機(jī)型彎制Φ21.3 mm×2.11 mm、 Φ 33.4 mm×2.77 mm、 Φ 42 mm×2.77 mm、Φ 48.3 mm×2.77 mm、 Φ 60.3 mm×2.77 mm 和Φ73 mm×3.05 mm規(guī)格不銹鋼管時(shí)均未發(fā)生起皺現(xiàn)象。這些彎管的相對(duì)壁厚（to/do）較Φ88.9 mm×3.05 mm彎管的要大，這是重要前提。由表9的數(shù)據(jù)分析可見，這6種鋼管的b≥10.5%，可采用剛性芯棒。而Φ141.3 mm×3.4 mm彎管采用球形柔性芯棒時(shí)也未出現(xiàn)皺波，更說明了改善芯棒設(shè)置的重要性。

（2）訂貨要求為Φ88.9 mm×3.05 mm，在國(guó)標(biāo)中被圓整為Φ89 mm×3.0 mm（見表4），制造廠若忽略定單要求，很容易造成按Φ89 mm×3.0 mm來生產(chǎn)，導(dǎo)致供貨鋼管的外徑、內(nèi)徑均偏大，而壁厚卻偏低。彎管時(shí)，若使用與Φ88.9 mm×3.05 mm鋼管同樣的芯棒，就會(huì)導(dǎo)致鋼管內(nèi)壁與芯棒之間的間隙增大。這些都使得本該采用柔性芯棒彎制Φ88.9 mm×3.05 mm的鋼管在采用剛性芯棒彎管時(shí)的起皺現(xiàn)象在Φ89 mm×3.0 mm條件下變得更為突出。可見，國(guó)標(biāo)中對(duì)此類數(shù)據(jù)的圓整并不恰當(dāng)。

（3）實(shí)際彎管時(shí)所用芯棒的外徑為80 mm，這時(shí)鋼管內(nèi)壁與芯棒之間的間隙為（di－dm）/2=1.45，該數(shù)值遠(yuǎn)大于表7中推薦的數(shù)值。對(duì)比另一家工廠中采用外徑82 mm芯棒彎管時(shí)未出現(xiàn)起皺的情況，芯棒外徑太小及芯棒位置又未調(diào)整前置量可能是該案例出現(xiàn)起皺的關(guān)鍵因素。加上未采用防皺塊，對(duì)于b=8.5%的鋼管（Φ 88.9 mm×3.05 mm）起皺波就在所難免了。

（4）如果鋼管的壁厚達(dá)到該規(guī)格的上限（3.05 mm×1.225=3.72 mm），采用外徑80 mm芯棒彎管時(shí)，鋼管內(nèi)壁與芯棒之間的間隙為（di－dm）/2=0.7≈0.2to，此時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)皺波。說明采用外徑80 mm的芯棒適合于壁厚為上限的供貨狀態(tài)。

3.2 案例二

再以Φ 60 mm×3.5 mm（表 9中序號(hào) 2）不銹鋼管的彎管為例。依據(jù)諾模圖（見圖10）和表9數(shù)據(jù)可知，對(duì)該規(guī)格鋼管彎管時(shí)宜采用剛性芯棒來彎制。但該規(guī)格鋼管為非標(biāo)準(zhǔn)鋼管，在歐美標(biāo)準(zhǔn)中（見表4）的標(biāo)準(zhǔn)外徑為60.33 mm，壁厚只有2.77 mm（2.8 mm）和 3.91 mm（4.0 mm）。 60 mm為國(guó)標(biāo)對(duì)60.33 mm的圓整值。對(duì)該規(guī)格鋼管彎管時(shí)，只有個(gè)別彎管產(chǎn)生了皺波，發(fā)生率約為10%。經(jīng)過仔細(xì)分析，其原因主要是：

（1）彎管時(shí)只能采用Φ 60 mm×2.8 mm標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的芯棒，此時(shí)間隙明顯大于表7中的推薦數(shù)值。

（2）外徑60 mm＜60.33 mm，使得彎模間隙増大，這也會(huì)增加皺波傾向。

（3）彎管時(shí)如果鋼管壁厚偏近下公差帶，且壁厚均勻，就會(huì)使部分鋼管發(fā)生皺波。這時(shí)，只要按Φ60 mm×3.5 mm配置芯棒，偶發(fā)性的皺波就能得到控制。不銹鋼管標(biāo)準(zhǔn)中DN200以下鋼管的尺寸公差匯總見表10。

表10 不銹鋼管標(biāo)準(zhǔn)中DN200以下鋼管的尺寸公差匯總

（4）同時(shí)供給該用戶的Φ 27 mm×2.5 mm、Φ 89 mm×3 mm、Φ 219 mm×4.5 mm三種非標(biāo)規(guī)格的316L彎管均未發(fā)生皺波，說明只要合理設(shè)置芯棒，不銹鋼管彎管時(shí)的起皺問題就能排除。

表9中兩個(gè)案例的對(duì)比分析結(jié)果表明，圖10（a）的諾模圖給出的“薄”壁度分界線基本適用于不銹鋼彎管彎制芯棒的選擇。

4 討 論

4.1 彎管起皺的實(shí)質(zhì)

彎管起皺的實(shí)質(zhì)是拱腹受壓后產(chǎn)生了塑性變形失穩(wěn)。

4.1.1 正常彎管

正常彎管應(yīng)是拱背均勻拉伸和拱腹均勻壓縮塑性變形的結(jié)果。理論和試驗(yàn)研究證明：拱背的均勻拉伸塑性變形和拱腹的均勻壓縮塑性變形的巧妙結(jié)合是保障彎管質(zhì)量的前提。均勻拉伸塑性變形的極限是鋼管的塑性容限決定的，超過這一極限， 拱背就會(huì)斷裂。 對(duì)于 to/do＜（4～5）%的薄壁管，拱腹壓縮區(qū)就會(huì)在這一極限以前因剛性不足而產(chǎn)生波浪形變形，其本質(zhì)與材料力學(xué)中的壓桿失穩(wěn)彎曲是一樣的。因此，皺波是“薄”壁彎管時(shí)常見的一種異常現(xiàn)象。

4.1.2 壓桿失穩(wěn)

細(xì)長(zhǎng)桿（即L/t比值很大）受壓時(shí)易發(fā)生折彎而失去受壓功能，稱之為失穩(wěn)。這就是說，橫斷面很小或很薄的桿件，或自由長(zhǎng)度較大的桿件一旦受壓就會(huì)失去繼續(xù)承受壓力的能力，增大壁厚或減小長(zhǎng)度可避免失穩(wěn)的發(fā)生。因此，L/t實(shí)際是壓桿受壓穩(wěn)定性或剛性（stiffness）最早采用的評(píng)判指標(biāo)。

工程中常見的壓桿失穩(wěn)實(shí)例很多。例如：①鋼管水壓試驗(yàn)時(shí)，必須按細(xì)長(zhǎng)比設(shè)置逐段壓持才能在兩端夾緊條件下加壓，否則兩端一加壓鋼管就會(huì)拱起（彎曲），壓力較小時(shí)為彈性（變形）失穩(wěn)，壓力較大時(shí)則為塑性（變形）失穩(wěn)；②工字或箱形樑腹板受壓應(yīng)力區(qū)必須設(shè)置肋板和加強(qiáng)筋板以防止樑受壓彎曲時(shí)發(fā)生波浪形變形；③薄板焊接時(shí)焊接壓應(yīng)力區(qū)很容易產(chǎn)生波浪形變形。因此，須控制焊接順序及焊接參數(shù)才能減小壓縮應(yīng)力防止失穩(wěn)。可見，利用塑性變形彎管時(shí)拱腹產(chǎn)生的皺波，實(shí)質(zhì)上是壓桿失穩(wěn)的一種形式。

4.1.3 管道用薄壁不銹鋼管

管道選用不銹鋼管時(shí)，一般選用to/do＜5%的薄壁管，因?yàn)椋孩賰?yōu)良的耐蝕性決定了不銹鋼管的設(shè)計(jì)壁厚無需再添加腐蝕余量；②昂貴的價(jià)格使設(shè)計(jì)者總是盡可能選用薄壁管，5S、10S系列管道用不銹鋼管 to/do為 （2～4）%（見表 4）；③船舶等結(jié)構(gòu)物空間有限，管道彎頭半徑（Ro）要盡可能地最小，這就導(dǎo)致生產(chǎn)“薄”壁彎管時(shí)會(huì)有皺波產(chǎn)生。

4.2 彎管起皺的力學(xué)分析

借助現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)中有關(guān)壓桿發(fā)生壓縮塑性變形及其支承條件對(duì)壓桿穩(wěn)定性影響的評(píng)估[25]方法，進(jìn)一步分析不銹鋼彎管時(shí)拱腹起皺的原因及條件。

（1）只有細(xì)長(zhǎng)比（L/t）＜3～5 的壓桿才能產(chǎn)生壓縮塑性變形[25-26]，否則壓桿將首先因失穩(wěn)折彎而不可能產(chǎn)生壓縮塑性變形。

（2）壓桿穩(wěn)定性不僅取決于桿件本身的細(xì)長(zhǎng)比，而且更大程度上取決于兩端的約束條件或運(yùn)動(dòng)自由度，因此失穩(wěn)的臨界壓力（Fc）可以表達(dá)為

式中：E—受壓桿件材料的彈性模量；Iαβ—受壓桿件橫截面慣性矩；L—受壓桿件的實(shí)際長(zhǎng)度；

μ—受壓桿件的長(zhǎng)度系數(shù)；

ζ—受壓桿件的穩(wěn)定性系數(shù)， ζ=π/μ2。不同端頭支承方式的壓桿長(zhǎng)度系數(shù)μ和穩(wěn)定系數(shù)ζ見表11[25]。由表11可見，支承端自由度越小， μ值就愈小，ζ值就愈大。彎管時(shí)模具設(shè)置及間隙狀況實(shí)際已決定了拱腹受壓區(qū)的支承自由度：to/do或Ro/do足夠大時(shí)，拱腹足夠厚，其剛度可以承受無芯棒的冷彎；to/do或Ro/do較小時(shí)，拱腹本身剛度降低，必須在起彎點(diǎn)通過剛性芯棒限制其橫向運(yùn)動(dòng)自由度或用單球柔性芯棒限定起彎段實(shí)際自由長(zhǎng)度；對(duì)to/do或Ro/do很小的“薄”壁管，彎管過程需限定每一微彎段兩端自由度及對(duì)應(yīng)的微彎段實(shí)際自由長(zhǎng)度。因此，超“薄”壁管彎管時(shí)必須采用多球芯棒才能防止拱腹皺波的產(chǎn)生。

表11 不同端頭支承方式的壓桿長(zhǎng)度系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)

4.3 模具精度和間隙對(duì)彎管皺波的影響

4.3.1 模具對(duì)彎管皺波的影響

無模具冷彎鋼管斷裂或皺波極限條件如圖15所示。理論和實(shí)測(cè)研究結(jié)果表明，若不采用模具改善彎曲鋼管塑性變形條件，to/do=4%或2%的不銹鋼管在Ro/do=25或50（即圖15中名義彎曲應(yīng)變量do/2Ro=2%或1%）時(shí)就可能發(fā)生折斷或皺波。但如果借助彎模、壓塊和柔性芯棒等模具的合理配置，to/do=2%在Ro/do=1.5%的不銹鋼管彎管時(shí)仍然可以避免皺波。可見模具精度和間隙對(duì)保障不銹鋼管的彎管質(zhì)量及預(yù)防皺波的產(chǎn)生均有重要作用。

圖15 無模具冷彎鋼管的斷裂或皺波極限條件

4.3.2 間隙的確定

除文獻(xiàn)[24]以外，其他文獻(xiàn)中只說明了正確控制間隙的重要性，卻沒有說明實(shí)際控制間隙的普通意義。文獻(xiàn)[5]給出了對(duì)Φ20 mm×1 mm規(guī)格304鋼管作Ro/do=3無芯棒冷彎時(shí)彎模與鋼管外徑間隙＞0.2 mm的臨界條件，但不同to/do及Ro/do時(shí)這一臨界條件就未必適用。文獻(xiàn)[2]只說明了Φ40 mm×1 mm規(guī)格鋁合金管冷彎時(shí)芯棒外徑與管內(nèi)徑間隙更大。文獻(xiàn) [15]采用能量法研究了Φ38 mm×1 mm規(guī)格鋁合金管冷彎時(shí)的皺波問題，給出的試驗(yàn)和模擬間隙結(jié)果是：芯棒與管內(nèi)徑、防皺塊與管外徑，彎模與管外徑之間的間隙在0.8 mm時(shí)均產(chǎn)生皺波，而間隙為0.2 mm時(shí)均未產(chǎn)生皺波，但壓力塊與管外徑之間的間隙為0.2 mm或0.8 mm時(shí)都未產(chǎn)生皺波。

這些文獻(xiàn)中對(duì)間隙更大或更小時(shí)的情況并未具體說明。縱觀表7，文獻(xiàn)[24]給出的間隙控制數(shù)值是目前最有參考價(jià)值的。

4.4 鋼管尺寸公差對(duì)皺波的影響

文獻(xiàn)[24]給出了所指間隙比較全面而具體的控制數(shù)值，并分別指明：有些間隙應(yīng)取決于to或do；有些間隙是某個(gè)明確的數(shù)值范圍；還有些間隙要通過試驗(yàn)確定（詳見表7）。這些說明雖有一定的參考價(jià)值，但在具體執(zhí)行時(shí)存在困難，因?yàn)楝F(xiàn)行鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)允許的尺寸公差帶范圍目前還未達(dá)到“間隙”的控制要求。

對(duì)比表10和表7中的間隙控制要求可知：許多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壁厚公差均在+（0.15～0.225）to和－0.125to之間，最大公差帶寬可達(dá)0.35to。加上還有外徑公差，如果僅按名義規(guī)格確定上述間隙，那么很有可能一部分符合該規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)尺寸公差的管材，實(shí)際間隙卻難以控制在表7所要求的范圍內(nèi)，因而在彎管時(shí)出現(xiàn)了起皺等問題。

這里需要注意的是：

（1）不同制造工廠由于鋼管生產(chǎn)工藝細(xì)節(jié)不同，同一規(guī)格鋼管的公差帶可能不同。同一工廠生產(chǎn)的同一規(guī)格同一鋼種的鋼管也可能因原材料的鋼種爐號(hào)不同、化學(xué)成分差異，而造成公差帶偏上或偏下，這些均屬于正常現(xiàn)象。

（2）供貨的計(jì)價(jià)方式可能導(dǎo)致公差帶的偏移。早期國(guó)標(biāo)均是按實(shí)際質(zhì)量計(jì)價(jià)，這種計(jì)價(jià)方式很容易導(dǎo)致制造廠按上公差帶供貨，以求得最高的銷售收益。現(xiàn)國(guó)標(biāo)已允許按長(zhǎng)度或質(zhì)量計(jì)價(jià)，若按長(zhǎng)度計(jì)價(jià)或許會(huì)導(dǎo)致鋼管制造廠按下公差供貨，以求得最大經(jīng)濟(jì)效益。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中始終要求按長(zhǎng)度計(jì)價(jià)，其原因文獻(xiàn)[21]中已有分析。對(duì)船用不銹鋼管而言，增加其自重等于減少船舶的有效噸位，因此17.4×104m3的 LNG等船用不銹鋼管都是按長(zhǎng)度訂貨的。但如果計(jì)價(jià)時(shí)仍按標(biāo)重?fù)Q算成單位長(zhǎng)度價(jià)，制造廠可能還未能意識(shí)到以下公差帶供貨的好處，于是許多工廠就會(huì)仍然按老傳統(tǒng)生產(chǎn)供貨。

（3）鋼管力學(xué)性能的差異也不可忽視。不同工廠生產(chǎn)的同規(guī)格同鋼種鋼管的力學(xué)性能，甚至同一工廠生產(chǎn)的不同批次同規(guī)格同鋼種鋼管的力學(xué)性能都可能因原材料爐號(hào)及鋼管制造過程最終熱處理的實(shí)際溫度或保溫時(shí)間、冷卻速度的差異，而導(dǎo)致其力學(xué)性能的不同。文獻(xiàn)[7]曾測(cè)定了3種相近規(guī)格304鋼管的實(shí)際屈服強(qiáng)度、彈性模量的差異，這均屬于正常現(xiàn)象。實(shí)際上所有不銹鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能指標(biāo)都不高，例如伸長(zhǎng)率（A）一般僅為40%，許多奧氏體不銹鋼管質(zhì)保書上伸長(zhǎng)率的上限為55%～60%，對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度、硬度亦有相應(yīng)波動(dòng)。曾有文獻(xiàn)指明，為預(yù)防彎管起皺等缺陷的產(chǎn)生，對(duì)硬度也提出了相應(yīng)要求。文獻(xiàn)[24]指出，薄壁彎管不僅嚴(yán)格控制模具間隙，鋼管也應(yīng)采用同樣批次、最好是同一爐號(hào)的同規(guī)格鋼管。說明彎管實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生皺波屬于正常情況，原因除了鋼管的尺寸公差外，還可能涉及力學(xué)性能的差異。因此，對(duì)“薄”壁管彎管時(shí)，為確保彎管質(zhì)量，約定硬度也許是一條合理的途徑。碳鋼和合金鋼硬度與強(qiáng)度的等效折算見表12。

表12 碳鋼和合金鋼硬度與強(qiáng)度的等效折算①

4.5 預(yù)防彎管起皺的措施

由以上分析可見，不銹鋼彎管生產(chǎn)中出現(xiàn)皺波問題的原因復(fù)雜，既有對(duì)彎管機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不足、模具精度和間隙控制不當(dāng)及模具缺乏維護(hù)和保養(yǎng)等造成的因素，也有鋼管制造過程中產(chǎn)生的性能和尺寸公差等形成的因素。為了有效預(yù)防彎管起皺，應(yīng)從以下幾方面著手。

4.5.1 嚴(yán)格控制鋼管尺寸公差

為了有效預(yù)防彎管起皺，首先從交貨鋼管的尺寸公差著手控制，合理選擇尺寸公差范圍。

17.4×104m3LNG運(yùn)輸船制造廠曾提出一份明確的《低溫不銹鋼管訂貨說明書》[27]。該說明書是20世紀(jì)90年代引進(jìn)該船舶制造技術(shù)時(shí)附帶的文件，該說明書所列的參考標(biāo)準(zhǔn)有ASTM A312和ASTM A530，后來的ASTM A999/A999M標(biāo)準(zhǔn)是1996年從ASTM A530中分離出來的。因此，1996年以后，ASTM A312和ASTM A999標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該作為低溫不銹鋼管道用管的執(zhí)行依據(jù)。

《低溫不銹鋼管訂貨說明書》規(guī)定DN300以下不銹鋼管的尺寸公差見表13[21]。對(duì)比表10可見，該說明書對(duì)壁厚、內(nèi)徑圓度等的公差要求明顯要高于ASTM A312和ASTM A999標(biāo)準(zhǔn)，這些要求對(duì)預(yù)防彎管起皺是十分有利的。

雖然《低溫不銹鋼管訂貨說明書》對(duì)不銹鋼管的尺寸公差提出了較高的要求，但要達(dá)到這樣的公差要求卻不容易。首先，在無縫管取代焊管時(shí)，要壁厚達(dá)到 （0，－12.5%to）下公差帶就很困難，文獻(xiàn)[27]指明所訂購(gòu)鋼管優(yōu)先采用焊管，只是可用無縫管取代，說明焊管更容易達(dá)到該項(xiàng)要求。其次，說明書中內(nèi)徑圓度公差I(lǐng)Dmax－IDmin≤1%（do－2t）的要求， 相比 ASTM A312 標(biāo)準(zhǔn)中外徑圓度公差 OPmax－ODmin≤1.5%do的要求， 對(duì)于 to/do≤3%的薄壁管來說，由外徑測(cè)量的圓度要求略有提高，但對(duì)于厚壁管則更為苛刻。

表13 《低溫不銹鋼管訂貨說明書》規(guī)定DN300以下不銹鋼管的尺寸公差 mm

《低溫不銹鋼管訂貨說明書》提出的內(nèi)徑圓度控制也很難：①如果無法準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)徑圓度，就談不上內(nèi)徑圓度的控制；②雖然控制內(nèi)徑圓度對(duì)彎管時(shí)芯棒的推入有益，但只要合理控制壁厚、外徑及周長(zhǎng)公差，薄壁管的圓度公差就很容易“糾”正，對(duì)彎管時(shí)的芯棒推入沒有影響；③厚壁管冷彎時(shí)無需芯棒，外徑與彎模、壓塊的間隙對(duì)彎管質(zhì)量更為重要，只控制內(nèi)徑圓度而不規(guī)定同心度或壁厚的不均勻性對(duì)提高彎管質(zhì)量無益；④從表13對(duì)錯(cuò)邊的要求可見，這是明確針對(duì)焊管的附加要求。

若采用無縫管彎管時(shí)，必須要注意無縫管壁厚公差偏大的問題。上述Φ88.9 mm×3.05 mm規(guī)格鋼管采用80芯棒外徑的狀況充分說明這一點(diǎn)。

4.5.2 合理選擇配置參數(shù)

依據(jù)to/do、Ro/do數(shù)值大小，合理選擇冷彎模具、優(yōu)化間隙配置、調(diào)整必要參數(shù)，可提高彎管質(zhì)量。

（1）對(duì)b=Roto/do2≤10.5的薄壁管最好采用單球或多球柔性芯棒。

（2）合理配置芯棒、壓塊、彎模等的間隙。對(duì)于b=8.5%的不銹鋼薄壁管，還必須檢測(cè)彎模底部及驅(qū)動(dòng)軸的磨損量，也可在彎管時(shí)采用剛性芯棒以預(yù)防皺波的產(chǎn)生。

（3）根據(jù)鋼管的實(shí)際公差合理調(diào)整彎管速度、壓塊壓力等參數(shù)。有時(shí)降低彎管速度可有效消除皺波，但前提是操作者必須有足夠的經(jīng)驗(yàn)和判斷能力，并對(duì)所操作的彎管機(jī)結(jié)構(gòu)和性能比較了解。表8和圖14的數(shù)據(jù)說明，皺波的出現(xiàn)也可能跟壓力和助推條件的設(shè)定相關(guān)。文獻(xiàn)[24]指明只要彎管機(jī)參數(shù)調(diào)節(jié)合理，彎制薄壁管時(shí)所需壓力塊的壓力很小，但實(shí)際操作時(shí)由于種種原因并非如此。

（4）改進(jìn)彎管機(jī)結(jié)構(gòu)。例如采用鋼管尾部直接助推取代原壓力塊助推（見圖9（b）），或者給芯棒設(shè)置前后震蕩式推入裝置等。文獻(xiàn)[24]指出這種震蕩式推入裝置有助于精度較高的多球形芯棒推入鋼管，并指明震蕩頻率為1～500周/min、振幅為3.2～25 mm可調(diào)。這種震蕩式推入裝置是薄壁彎管機(jī)值得增設(shè)的輔助機(jī)構(gòu)。

上海一家船廠在制造8.4×104m3LNG運(yùn)輸船時(shí)，按ASTM A312標(biāo)準(zhǔn)訂購(gòu)所需的不銹鋼管，彎管時(shí)按上述方法采取了相應(yīng)措施，有效預(yù)防了彎管時(shí)皺波的產(chǎn)生。說明只要合理選擇冷彎模具、優(yōu)化間隙配置、調(diào)整必要參數(shù)，彎管起皺問題可得以解決。

4.6 芯棒長(zhǎng)度和剛度的選擇

剛性芯棒前端部的外徑由鋼管內(nèi)徑?jīng)Q定。文獻(xiàn)[24]指出，薄壁彎管時(shí)所用芯棒應(yīng)足夠厚實(shí)，這是指芯棒的剛度或抗變形能力要足夠好。這就要求：①芯棒長(zhǎng)度不能很長(zhǎng)，所以選用長(zhǎng)芯棒以滿足在長(zhǎng)管端部作彎管的方案并不可取，而將長(zhǎng)管放在夾緊側(cè)（要求大回轉(zhuǎn)半徑的方案）是比較合理的；②即使對(duì)短芯棒，除了端部外徑最大處要精加工以外，其余部分的外徑只能略為縮小一些。 許多文獻(xiàn)的圖中（如圖 9（b）[8，14]）將芯棒后半節(jié)的直徑畫的很細(xì)，這點(diǎn)并不可取。

4.7 船用彎管生產(chǎn)的特點(diǎn)

許多文獻(xiàn)都指明防皺塊是防止薄壁彎管皺波的有效手段[1-20，22-23]，但船用彎管生產(chǎn)中卻大都不設(shè)置防皺塊。再結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，分析彎管時(shí)不設(shè)置防皺塊的原因有：①防皺塊必須要達(dá)到足夠安裝精度，否則作用不大，反而會(huì)增加不銹鋼管外表面劃傷風(fēng)險(xiǎn)；②隨著彎管直徑增大，壓塊壓力增加，防皺塊磨損會(huì)加劇，而磨損后必須及時(shí)調(diào)整防皺塊的安裝位置，否則起不到應(yīng)有作用；③小批量多規(guī)格彎管機(jī)往往是低碳鋼管、不銹鋼管混用，前者一般to/do較大，故不需要防皺塊；④圖8的防皺塊要求用輕油潤(rùn)滑，否則可能適得其反；圖9的安裝方式可能會(huì)帶來防皺塊振動(dòng)影響防皺效果。

以上分析說明，防皺塊的合理應(yīng)用或許僅（更）適合單一品種規(guī)格的集約化大批量薄壁彎管的生產(chǎn)。

4.8 低溫用不銹鋼冷彎彎頭須作固溶退火處理

文獻(xiàn)[27]規(guī)定，所采購(gòu)低溫用不銹鋼管要滿足－196℃低溫沖擊試驗(yàn)（41 J）。因此，不銹鋼管必須在固溶退火后供貨。冷彎后的彎頭拱背有不同程度冷加工拉伸塑性變形，拱腹則有不同程度壓縮塑性變形，這就意味著鋼管材料已有不同程度脆化（見圖16）。因此，在低溫環(huán)境工作的這類彎頭在使用前應(yīng)作固溶退火處理。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM SA403和ASTM SA815中也規(guī)定：可采用冷彎法制作彎頭，但必須在固溶退火處理后供貨。

圖16 304不銹鋼不同冷加工程度下σ－ε曲線

4.9 薄壁不銹鋼彎管的壓力和助推速度

表8的數(shù)據(jù)表明：采用四球型柔性芯棒作薄壁奧氏體不銹鋼彎管時(shí)，不宜采用較大壓塊及較大壓力和助推速度。否則，雖可降低拱背的壁厚減薄量，但必然會(huì)增加拱腹的壁厚增厚量，并產(chǎn)生嚴(yán)重皺波。原因是：過大的壓塊壓力使彎管起始點(diǎn)的拱腹承受了很高的壓縮應(yīng)力，外加助推帶來的壓力，使增厚的拱腹仍然不具備足夠高的抗壓穩(wěn)定度，因此產(chǎn)生了皺波。

需要注意的是：①在圖9（a）所示的助推機(jī)型中，助推只是為了盡可能減小壓塊與鋼管外表面之間的滑動(dòng)，從而使vp≌vo。通常情況下，助推也不是一個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)參數(shù)，但圖9（b）所示的鋼管尾部助推機(jī)型中，助推是完全獨(dú)立于壓塊壓力的調(diào)節(jié)參數(shù)；②壓塊表面粗糙度和潤(rùn)滑條件決定的界面摩擦系數(shù)對(duì)壓力調(diào)節(jié)有決定性影響，表面越光整、潤(rùn)滑越充分，所需壓力就越大，但粗糙的壓塊又會(huì)劃傷鋼管表面。因此，準(zhǔn)確掌握潤(rùn)滑程度對(duì)壓力調(diào)節(jié)十分重要。

4.10 Φ88.9 mm×3.05 mm不銹鋼焊管難達(dá)船用供貨要求

文獻(xiàn) [27]指明，所訂購(gòu)鋼管按ASTM A312/A312M標(biāo)準(zhǔn)可優(yōu)先選用焊管，但國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)的焊管至今難以達(dá)相應(yīng)的供貨要求。主要原因可能是：

（1）壁厚 3.0～3.5 mm、DN100以下的不銹鋼焊管難以采用單弧GTAW方法實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，并保證穩(wěn)定的焊縫成形質(zhì)量。

（2）采用PAW或多陰極GTAW焊接方法，雖有可能獲得穩(wěn)定的焊縫成形質(zhì)量，但同時(shí)須滿足一定的附加條件：①嚴(yán)格的鋼帶寬度公差和切口垂直度；②成型機(jī)組最佳的工作狀態(tài)；③嚴(yán)格控制焊接電弧參數(shù)及焊接條件等。

不銹鋼焊管焊接時(shí)，嚴(yán)格控制鋼帶的寬度公差和切口垂直度，是為了保證焊縫接口間隙的均勻度，降低焊接時(shí)的左右漂移，這時(shí)增加鋼帶銑邊裝置是很有必要的。為了使成型機(jī)組保持在最佳工作狀態(tài)，對(duì)成型機(jī)進(jìn)行及時(shí)維護(hù)和保養(yǎng)，并配備經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)型工作人員也是必須的。嚴(yán)格控制焊接參數(shù)及焊接條件，保持穩(wěn)定的焊接速度，也有助于獲得穩(wěn)定的焊縫成形質(zhì)量。叁陰極GTAW焊接雖然可以實(shí)現(xiàn)較高的焊接速度，但穩(wěn)定性很差。而雙陰極或PAW+GTAW雙弧焊接是比較有效而穩(wěn)定的焊接方式，尤其是PAW+GTAW焊接既可以保證背面和正面的成形質(zhì)量，又能達(dá)到一定的焊接速度，這種焊接方式是值得推薦的。PAW+GTAW焊接最大優(yōu)點(diǎn)是可以減少同一鋼種因爐號(hào)差異和表面狀態(tài)波動(dòng)對(duì)焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性影響，正面焊縫的咬邊傾向也很低[28-32]。

5 結(jié)論和建議

（1）冷彎是制作管道彎頭的通用簡(jiǎn)易方法，雖有壁厚不均、圓度畸變、回彈及拱腹皺波等不足，但并不影響內(nèi)壓條件下工作的一般流體輸送管道的正常運(yùn)行，因此，冷彎常被看作是彎頭制造的主要且實(shí)用方法。

（2）奧氏體不銹鋼管優(yōu)良的塑性（裕度）使冷彎方法的應(yīng)用更為普遍。國(guó)內(nèi)外管道標(biāo)準(zhǔn)均允許Ro/do≥1.5的奧氏體不銹鋼彎管可在冷彎狀態(tài)下直接應(yīng)用，但實(shí)際這種保留著不均勻冷加工程度的彎頭只宜在常溫靜載條件下應(yīng)用。在應(yīng)力腐蝕及低溫條件下，使用奧氏體不銹鋼彎管時(shí)仍然要進(jìn)行熱處理，最好是經(jīng)過固溶熱處理后再使用。在交變載荷、高溫蠕變等條件下，就不再適合使用奧氏體不銹鋼冷彎管，而必須采用壁厚均勻度較高的模壓+焊接法或鍛造+機(jī)加工法制造的彎頭。

（3）模具設(shè)置合理的繞彎式彎管機(jī)可實(shí)現(xiàn)各種相對(duì)半徑（to/do）、 相對(duì)彎曲半徑（Ro/do）的 Φ219 mm以下不銹鋼管的冷彎。一般來講，為了保證冷彎質(zhì)量，特別是控制圓度和避免皺波：to/do越小或Ro/do小于某一數(shù)值時(shí)，必須采用設(shè)計(jì)合理的剛性芯棒或帶一個(gè)球鉸的柔性芯棒；只有to/do和Ro/do都足夠大的厚壁彎管才能進(jìn)行無芯棒冷彎；對(duì)于to/do特別小或Ro/do足夠小薄壁不銹鋼管的冷彎，要采用專門設(shè)計(jì)的單球或多球柔性芯棒才能防止彎管時(shí)的皺波。b=Roto/do2≤10.5%、10.5～17.5%、＞17.5%可分別作為柔性芯棒、剛性芯棒、不用芯棒的薄壁度粗略分界評(píng)估值。

（4）繞彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)確定以后，模具制造和安裝調(diào)整精度決定的間隙參數(shù)都可能對(duì)彎管質(zhì)量，特別是皺波發(fā)生傾向有不可忽視的影響。在小批量多品種規(guī)格彎管生產(chǎn)中，如果出現(xiàn)皺波，應(yīng)逐項(xiàng)檢查芯棒外徑與鋼管內(nèi)徑、彎模、壓塊、防皺塊、夾塊內(nèi)徑與鋼管外徑之間的間隙是否過大，芯棒端頭及防皺塊安裝位置是否恰當(dāng)。對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)的設(shè)備，還要特別注意檢測(cè)彎模底部及其傳動(dòng)軸軸徑的磨損是否過量。

（5）彎管速度和壓塊壓力大小等操作參數(shù)也對(duì)彎管皺波有一定影響。適當(dāng)降低彎模轉(zhuǎn)速或壓力有時(shí)就能明顯減少?gòu)澒馨櫜ā５珘毫φ{(diào)節(jié)涉及摩擦和助推方式，要求運(yùn)行操作人員有足夠經(jīng)驗(yàn)積累。

（6）現(xiàn)行不銹鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的to、do公差帶遠(yuǎn)大于薄壁彎管所要求間隙精度。某引進(jìn)技術(shù)建造的LNG《運(yùn)輸船用不銹鋼管訂貨說明書》規(guī)定以to下公差帶為壁厚公差有一定的合理性。但其中所提出的內(nèi)徑圓度公差，因難以實(shí)測(cè)而缺少實(shí)用價(jià)值。

（7）船用不銹鋼管均按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)以長(zhǎng)度計(jì)價(jià)的方式交貨，這種交貨方式既有助于引導(dǎo)鋼管制造廠按壁厚下公差帶交貨，又有利于增加船舶的有效載重量。國(guó)標(biāo)中保留的按質(zhì)量計(jì)量的交貨方式仍有不妥，應(yīng)早日去除這一保留并徹底以長(zhǎng)度計(jì)量的交貨方式。

（8）不銹鋼管的to、do公差帶雖可能給薄壁不銹鋼彎管造成一些麻煩，但只要遵循合理地選擇芯棒型式，注意模具制造安裝的調(diào)整精度，其影響就不大。這已經(jīng)被近幾年船廠大量應(yīng)用不銹鋼彎管的生產(chǎn)實(shí)踐所證實(shí)。

（9）采用單一剛性芯棒多規(guī)格（一種Ro/do或相近Ro/do但多to/do）可調(diào)式繞彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)和不分鋼種的彎管生產(chǎn)方式，雖然可以節(jié)約生產(chǎn)作業(yè)投資成本，但顯然不適合薄壁不銹鋼管的彎管，而設(shè)置專用帶單個(gè)或多個(gè)球鉸的柔性芯棒是很有必要的。這類彎管機(jī)芯棒長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)，芯棒端頭宜采用鍍鉻表面，球體則宜采用w（Al）為5.0%～6.5%的鋁青銅， 不宜采用 w（Ze）＞7%、 w（Al）＜2.5%的鋁黃銅。

（10）依據(jù)to/do和Ro/do確定彎管的薄壁度，用國(guó)際流行的彎管諾模圖或b=Roto/do2彎管薄壁度可快捷查詢繞彎?rùn)C(jī)彎管時(shí)所需要的合適的芯棒結(jié)構(gòu)。但因該項(xiàng)圖譜選擇并未充分考慮間隙及彎管速度等參數(shù)的影響，因此，其查詢結(jié)果僅可作為相對(duì)的參考，特別是在諾模圖分界線附近的查詢結(jié)果。例如，對(duì)Φ88.9 mm×3.05 mm、Ro/do=2.5的彎管，彎管時(shí)采用單球柔性芯棒是較合理的查詢結(jié)果。但彎管時(shí)若采用剛性芯棒，只要嚴(yán)格控制間隙及芯棒端部的安裝位置，所制彎管仍然是合格的。

（11）增大壓塊壓力和助推速度會(huì)明顯減少?gòu)澒軙r(shí)拱背的壁厚減薄量，但同時(shí)必然會(huì)增加拱腹壁厚的增厚量，在薄壁不銹鋼彎管時(shí)還可能增加皺波。因此，在彎制不銹鋼薄壁彎管時(shí)應(yīng)盡可能選擇較低的壓塊壓力和助推速度。

（12）薄壁彎管彎制過程中發(fā)生在拱腹的皺波現(xiàn)象，其本質(zhì)是受壓塑性變形區(qū)抗壓剛度不足而造成的壓桿失穩(wěn)折彎 （屈折）。從力學(xué)角度分析，合理選擇模具參數(shù)，尤其是芯棒的結(jié)構(gòu)形式、尺寸及安置位置等，可以提高拱腹區(qū)或微彎段按壓穩(wěn)定度（系數(shù)），是預(yù)防彎管產(chǎn)生皺波的有效措施。

（13）壁厚3.0～3.5 mm、DN100以下的不銹鋼焊管難以采用單支成型，且GTAW焊接難以獲得理想的焊縫成形質(zhì)量；采用連續(xù)滾軋成型和PAW焊接方法制造焊管又對(duì)鋼帶寬度和切口直度等的要求極高，否則很難達(dá)到理想的接口間隙，實(shí)現(xiàn)低錯(cuò)邊接口的PAW焊接，得到成形穩(wěn)定的焊縫質(zhì)量。如何突破這一瓶頸，值得國(guó)內(nèi)有關(guān)不銹鋼焊管制造廠的關(guān)注。

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編輯：謝淑霞

The Wrinkle Problem of Stainless Steel Elbow Pipe and Its Preventive Measures(Ⅱ)

HE Defu1,SU Yongqiang2,RONG Songru1,LUO Jian2
（1.Shanghai Jiuli Industrial&Commercial Development Co.,Ltd.,Shanghai 200135,China;2.Zhejiang Detrans Piping Co.,Ltd.,Huzhou 313103,Zhejiang,China)

TG337.5

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.005

何德孚，男，上海交通大學(xué)教授，上海久立焊管研究所所長(zhǎng)。

2017-04-19