鈦質波紋管設計制造及應用

秦 建 鐘玉平 張愛琴 張小文 佘東升

(1． 鄭州機械研究所有限公司 鄭州 450001）

（2．中國船舶重工集團公司第七二五研究所 洛陽 471000）

（3． 中國石化海南煉油化工有限公司 海口 578101)

作為對受熱管道和設備進行熱補償的關鍵部件，波紋管膨脹節對整個艦船蒸汽管路的安全運行方面起著至關重要的作用。隨著近些年來我國海洋裝備的迅猛發展，設備部件的服役環境愈加苛刻，除需要波紋管本身自身減重外，還要求波紋管本身能夠耐海水及海洋氣氛腐蝕等性能[1～2]。由于鈦及其合金不僅擁有較好的綜合力學性能，還兼具有較強的耐腐蝕性能，鈦及鈦合金波紋管近年來在海洋裝備方面應用日益廣泛，且需求也在逐年增加。但限于鈦及其合金的采購成本較高，同時其自身的彈性模量低、變形回彈大、形變強化率高等冷加工成形特點限制了鈦質波紋管的使用。目前國內外的鈦及其合金波紋管研究較少[3～5]，在設計和成形等方面還需借鑒于奧氏體不銹鋼的計算數據，對設備服役過程的安全性帶來隱患，文中對鈦質波紋管的常用選材、疲勞設計、成形方法及應用領域及前景等方面進行了相應的綜述，以期為鈦質波紋管的進一步開發與應用提供一定的設計依據及理論基礎。

1 鈦的分類及特點

鈦在工業上應用主要分為兩類：純鈦和鈦合金。鈦及鈦合金耐腐蝕性能較好，相比傳統奧氏體不銹鋼，鈦及其合金在含有氧化性、氯離子及堿液的介質中表現出更高的耐腐蝕性能，例如在130℃、含量為70%的NaOH溶液中，其腐蝕速率僅為0．18mm/年。發展至現在鈦及其合金已經在冶金、造紙、造船、海水淡化等多個領域獲得成功應用[6]。

對于鈦合金材料來講，由于比強度大，綜合性能優越，同時其具有較為優良的耐腐蝕韌性和耐熱性，最初是在航空中得到應用。但限于鈦合金屈強比較高、冷加工回彈大、形變強化率高的特點，在室溫下無法進行波紋管成形，只能通過將其加熱至高溫狀態下，利用其超塑性的特點進行成形。從目前的研究水平來看，常規的鈦及鈦合金均能夠實現不同程度的超塑性，其中α+β鈦合金的超塑性最佳，比如TC4在高溫下其延伸率可達到100%，因此對于高比強度的鈦合金波紋管，TC4可以認為是較為理想的材料。

表1為目前用來制作鈦質波紋管的TA2和TC4的化學成分、力學性能及工藝性能。

表1 TA2、TC4化學成分、力學性能及工藝性能

2 鈦質波紋管疲勞壽命

目前關于波紋管的疲勞壽命設計方面國內外已經進行了大量的數據研究，在EJMA、GB/T 12777等設計標準中也規定的相應的設計疲勞公式，但這些疲勞公式的建立是基于奧氏體不銹鋼的相應試驗數據計算得出，對于相應的設計疲勞公式是否適用于鈦質波紋管的設計制造還沒有確切的結論。

在眾多波紋管設計標準中，僅在ASME B31．3的附錄X302．1．3疲勞分析中對新材料的波紋管設計疲勞公式計算給出了相應的規定，所謂的新材料就是設計材料不是奧氏體不銹鋼或者波紋管成形后進行了熱處理。陽船舶材料研究所段玫等參照相應規定計算出純鈦加強U形波紋管疲勞壽命公式為[7]：

式中：

Nc——設計疲勞壽命；

1.5.1 DNA引物 設計mecA基因引物[7]，序列長度533bp。 上游引物（5’3’）：AAAATCGATGGTAAAG GTTGGC；下游引物（5’3’）：AGTTCTGCAGTACCGGATTTGC。

St——許用應力范圍。

陳勇等人使用奧氏體不銹鋼波紋管的疲勞壽命公式對純鈦無加強U形波紋管的疲勞壽命進行了計算[8]。哈爾濱工業大學王剛[9]等人僅對TC4無加強U形波紋管疲勞壽命進行了實測，在波紋管成形前未對其疲勞壽命進行預估。表2為不同制造商鈦質波紋管的波形參數、設計及實際疲勞壽命[7～10]。

表2 鈦質波紋管設計參數及疲勞壽命

3 鈦質波紋管的焊接加工

鈦質波紋管加工制造主要有三處承壓關鍵焊縫，即管坯縱縫、波紋管成形后與左右端管的連接焊縫。對于小尺寸的波紋管的管坯縱縫，在波紋管成形時可選取無縫管進行壓力成形制造，避免由焊接熱影響帶來的母材及焊縫韌性的降低。尤其是在大直徑的波紋管焊接制造中，波紋管成形前的管坯需要采用板材卷圓之后焊接而成，因此要求管坯的縱縫需要有良好的綜合力學性能。波紋管與左右端管的連接工程上常采用鎢極氬弧焊進行焊接，這主要是由于鎢極氬弧焊具有較好的工程適用性，焊接工藝窗口較為寬泛，焊接熱輸入較小且焊接質量相對穩定，焊接成本較低，是大多數波紋管制造商選擇的焊接方法。對于管坯的縱焊縫來講，由于管坯焊接之后需要進行壓力成形，變形較大，因此需要次焊縫在具有良好強度的同時兼具有較好的韌性和一定的延伸量，因此管坯的縱縫焊接是波紋管制造過程中最為關鍵的工序。

3.1 鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊由于熱源相對穩定、焊接過程易操作，同時設備采購成本較低等特點是企業焊接純鈦波紋管管坯的常用焊接方法，其焊接質量一般優于手工電弧焊和熔化極氣體保護焊。但鎢極氬弧焊由于焊接電弧較寬，焊接熱源分布較為分散，在焊接過程中往往會造成焊接熱影響區晶粒的過度長大，造成塑性和強度的降低，焊接熱源的分散也為焊接過程的保護帶來困難，因此對于需變形率較大的波紋管采用鎢極氬弧焊進行縱縫焊接往往不能帶來理想的效果，同時采用鎢極氬弧焊焊接鈦合金時也會造成鈦合金自身超塑性的消失，導致高強鈦合金波紋管無法成型制造。

3.2 等離子弧焊

等離子弧焊與鎢極氬弧焊均屬于非熔化極氣體保護電弧焊，但與鎢極氬弧焊不同之處在于其通過添加噴嘴對電弧起到了壓縮及拘束效應。相比鎢極氬弧焊，等離子弧焊通過電弧壓縮效應具備能量更為集中的焊接熱源，非常適用于鈦合金的焊接。鈦質波紋管管坯較薄，在焊接過程中往往采用熔透型方式進行焊接。由于等離子弧焊接電弧能量集中，焊接過程中焊縫及焊接熱影響區較窄，晶粒粗化不明顯，促使等離子弧焊縫具有良好的綜合力學性能，且使用等離子弧焊焊接鈦合金后仍會保留原材料的超塑性[11～13]。相比激光焊和電子束焊，等離子成本較低，是焊接變形曲率較大波紋管的理想經濟的焊接方法。哈爾濱工業大學王剛等人[14]等人使用等離子對TC4管坯進行了焊接，使用超塑成形工藝對其進行成形，試驗結果表明，等離子焊縫在927℃下具有良好的超塑性，并成功制造了高強TC4材料的U形波紋管。

3.3 電子束焊

電子束是鈦合金焊接的理想方法，在焊接過后焊接接頭仍然具有超塑特性。這主要是由于電子束熱源的高度集中，在焊接過程中焊縫較窄，冷卻速率較快促使其焊縫及熱影響區組織具有較小的晶粒組織，因此焊接接頭具有良好的綜合力學性能；由于焊接過程中在真空室下進行，因此焊縫和焊接熱影響區不會被空氣玷污，焊后性能要遠高于其他的焊接方法。但由于電子束焊接熱源過度集中，因此其對焊接裝配間隙及錯邊要求較高，焊縫與母材過渡不平滑，在波紋管成形時容易在焊趾處造成局部的應力集中，導致成形失敗；真空室的大小也會對波紋管的尺寸帶來一定的限制。

3.4 激光焊

激光焊的能量密度與電子束焊相當，但相比電子束，激光焊最大的特點是能夠在大氣中進行焊接，并能夠獲得與電子束相類似的組織。其與電子束焊接相同，焊前對工件的裝配間隙及錯邊有很高的要求，焊接工藝窗口較窄，在焊接鈦質管坯時常采用熔透式進行焊接。哈爾濱工業大學王剛等人[15]使用激光焊對TC4材料進行了焊接，并考察其焊接接頭超塑性性能，試驗結果表明其焊縫組織為細晶針狀馬氏體組織，在超塑性成形過程中向α+條狀α+β組織轉變，焊縫最大延伸率達到154%，且最大膨脹量約為母模的1．54倍。

4 鈦質波紋管的成形方法

波紋管的成形方法有多種，適用于奧氏體不銹鋼波紋管的成形方法也適用于鈦質波紋管的制造。目前針對鈦材質的波紋管成形方法主要有以下6種方法。

4.1 液壓成形

液壓成形是大多數波紋管成形的常用方法，也適合用于純鈦波紋管的液壓成形加工。液壓法是利用油壓或者其他類似設備通過對管坯中介質進行施壓，然后在外部成形模具的拘束下進行漲形最后得到規定尺寸波紋管的方法。液壓成形具有管坯受壓均勻、減薄量適中的特點。對于特殊結構的波紋管可以采用分布多次液壓成形方法。

4.2 滾壓成形

滾壓成形是預先將管坯置于成形機內，然后利用工作輪旋轉后與管坯產生摩擦力來帶動整個管坯旋轉，之后工作輪與整形輪協調配合運動壓制出U形波紋。滾壓成形效率相對較低，常用于加工直徑較大的波紋管。近年來也有部分企業利用此原理進行直徑小于100 mm鈦波紋管的成形。

4.3 旋壓成形

旋壓成形主要用于鈦質螺旋波紋管的生產。螺相比其他成形方法，旋壓模具相對復雜，分別為工作膜片和隔片。旋壓成形中膜片和隔片相互旋轉并擠壓管坯形成螺旋形波紋管。對于直徑較小（50mm以內的）的波紋光常采用此方法進行生產。

4.4 漲壓成形

該方法需要在管坯內預先放置多瓣的圓形內膜，通過置于內膜中央的錐體體在向下運動后產生的側壓力而使管坯受脹形成波紋，錐體在上行后模塊依靠彈簧力進行復位。但是液壓成形、滾壓成形、旋壓成型及漲壓成形均屬于冷加工方法，只適用于成形塑性較好的純鈦波紋管。

4.5 焊接成形

焊接成形常用于無法采用液壓成形的波紋管的制造，該方法是通過精密焊接技術把多個薄環狀膜片內外邊緣交替焊接而成的帶橫向波紋的鈦質波紋管。焊接波紋管的壁厚和其他波形尺寸相比其他方法易于控制，因此常用于精密型波紋管的制造。焊接波紋管軸向補償量較大，甚至能達到波紋管全長的80%。但其承壓裕度較小，制造成本高，常用于低壓下非標尺寸且補償量大的鈦質波紋管。焊接方法一般使用激光焊或者微束等離子弧焊。

4.6 超塑成形

超塑成形是利用鈦合金高溫下的超塑性而形成波深參數較大的鈦合金波紋管。此種方法制造波紋管的直徑大小主要取決于超塑性成形機的能力，直徑范圍一般在50～800mm。超塑性成形過程相對復雜，需要超塑氣壓脹形和軸向加載的協同作用，成形主要有以下三個階段：

1)脹形階段：首先在管坯內充入氬氣，通過氣壓使管坯產生一定的塑性變形，從而實現預置的中間模塊在筒體上固定。

2)合模階段：隨后壓力機對各模塊進行壓合。

3)充滿階段：壓力機繼續施壓并保壓使波紋管的波形部分各處全部貼緊模具。該方法下的波紋管尺寸精確、殘余應力小，但成形過程能耗較多，工件壁厚易不均勻。

5 鈦質波紋管的應用領域

鈦波紋管由于具有質量輕、靈活性高、耐腐蝕能力強的特點已經在多個行業得到了應用。

5.1 化工行業

在鹽廠、化肥廠等化工廠中鈦質波紋管具有一定可觀的應用前景。由于化工行業介質腐蝕性較高，傳統的不銹鋼已經不能滿足實際的生產需求，采用鈦質波紋管是目前發展的主要趨勢。尤其在含氯離子較多的設備中鈦質波紋管就可有效地防止腐蝕的發生。

5.2 煉油行業

在煉油行業中使用最多的波紋管是波形膨脹節。煉油行業使用的波紋管對腐蝕性要求較高，其特點是直徑較大，波紋管容易被腐蝕，發生破損失效的情況也較多，其主要原因是腐蝕破壞。近些年來，隨著原油中腐蝕性介質含量的增加，以及使用過程操作溫度的提高，波紋管的工作條件日益苛刻。部分波紋管膨脹節在運行幾個月甚至數小時后就發生了腐蝕破壞，嚴重地影響了整體設備的安全運行，降低了企業的經濟效益。就此問題，日本部分企業已將鈦質波紋管應用于煉油行業中，各項性能試驗均表現出滿意的效果。

5.3 航空航天業

鈦波紋管綜合性能良好，質量較輕，最早就應用于航空航天方面，目前在航空航天上使用的波紋管均是鈦及其合金制成。

5.4 醫療器械

由于鈦與人體組織具有較好的親和性，且鈦離子不易流失，因此近年來鈦質波紋管在醫療器械方面也有很好的應用前景。美國已有企業利用焊接手段制造小波距鈦波紋管容器用來作為蠕動泵裝置的藥物容器。

5.5 船舶行業

近年來隨著我國艦船行業的迅速發展，船體內部的管路服役環境也愈加苛刻，管路結構除要求具有一定的強韌性和剛度以外，還要求管路具有較強的耐腐蝕性能，鈦合金波紋管就能很好地滿足上述的要求，除此以外，鈦波紋管還具有質量輕的特點，為船體的減重也帶來了益處。在軍工艦艇方面，由于鈦合金具有隱身性，同時在海水中鈦相比其他材料具有更高的耐腐蝕特性，采用鈦質波紋管在某種程度上講具有一定的戰略意義。日本已經有部分企業已經在船體的水蒸汽潛熱設備使用鈦波紋管，國內近年來在艦船上的鈦波紋管使用數量也在不斷加大。

6 結束語

雖然鈦及鈦合金波紋管與不銹鋼、鎳基合金波紋管相比造價較高，但其使用壽命卻可達常規材料波紋管的數倍，從長遠和綜合經濟效益來看，鈦質波紋管具有可觀的應用前景。

目前，由于成本的問題，鈦質波紋管盡在航空、航天和高能物理等高科技行業使用，化工和煉油等行業使用較少；同時由于制造技術的不足以及設計依據較少，比如成形方法的工程應用性、鈦質波紋管在腐蝕及循環應力下的疲勞壽命及復雜尺寸的波紋管設計等問題均限制了鈦質波紋管的推廣應用。部分企業為節約成本管路選擇常規的碳鋼-鈦復合板或不銹鋼，補償器材料選擇鈦材，但鈦與常規材料的異種金屬連接問題也缺少可靠實用的工程連接技術，尤其是對于受結構尺寸限制無法用法蘭連接的結構，異種材料的焊接也是亟待解決的問題。不過可以預見，隨著制造技術的發展及綜合考慮生產制造成本的降低，鈦質波紋管會有越來越廣泛的應用。