金屬管件產品制造過程中的控制要點

李洋洋

（合肥實華管件有限責任公司，安徽 合肥230601）

金屬管件通常指使用在金屬管道中起管路連接作用的一些配件，常見的管件有彎頭、三通、異徑管、管帽等。由于其在管道中承擔著重要的連接作用，以及通常需要面臨溫度、壓力及流通介質的特性，各個生產廠家均對其制造過程進行了嚴格控制。本文將從強度校核、模具設計、成型、熱處理和無損檢測這五個方面談一談管件產品的制造控制要點。

1 關于強度計算

管件的強度計算通常指的是對其壁厚的計算，涉及到尺寸、設計溫度、設計壓力、許用應力、腐蝕余量等一系列參數。通常，當管件廠家接到客戶采購管件產品的合同時，設計院已經對管件及與其相連的管道進行了強度計算，雖計算結果是合格的，但管件制造商仍進行強度校核，如校核結果出現明顯偏差時應反饋客戶。

當客戶規定要管件制造商進行強度計算時，應由客戶提供上述計算所需的相關參數，由制造商根據相關國家或行業標準中所列的公式進行計算，并將結果報客戶審核確認。當前，我國SH/T 3059、DL/T 5054 以及美國ASME B31.3 等標準中均提供了計算公式，如下給出了SH/T 3059標準中所規定的彎頭壁厚的計算公式：

式中：t—彎頭在內側、外側或中心線處的計算壁厚，mm；P—設計壓力，MPa；D—管子外徑，mm；[δ]—設計溫度下彎頭材料的許用應力，MPa；Φ—焊縫系數；W—焊縫接頭強度降低系數；I—計算系數；Y—溫度修正系數。

需要注意的是，對于三通，當支管與主管通過焊接方式連接時，其壁厚計算公式同支管擠壓成型時是不一樣的。前者采用的是等面積補強法，后者采用的則是壓力面積法。

2 關于模具設計

金屬管件的成型過程其實就是金屬材料變形的過程，本質上遵循體積不變與最小阻力原則，而模具設計的目的正是在遵循這兩個原則的前提下讓管件成型后的最終尺寸無限接近其理想尺寸，亦即最符合標準及客戶要求的尺寸。

以彎頭成型為例，通常情況下，成型后的彎頭其外弧是減薄的，而內弧則是增厚的，這對于無論是滿足客戶需求還是制造商自身的經濟要求都是不利的。而通過設計良好的推制模具，可以讓成型后的管件內外弧壁厚幾乎不變，從而使管件整體壁厚均勻，近似于原材料鋼管的壁厚。

3 關于成型

從上面我們知道了管件成型過程的本質，而這一過程得以進行的條件則是管件所受的外力超過了管件材料本身的屈服強度。對于薄壁的碳鋼、不銹鋼及鎳基合金管件，在常溫、不加熱的情況下即可完成整個成型過程，而對于合金鋼以及厚壁的碳鋼、不銹鋼及鎳基合金管件，由于其成型阻力較大，則必須在加熱情況下成型。從材料學的角度來說，前者是冷成型，后者則是熱成型。

成型過程中一個重要的影響因素是成型速度。成型速度越高，生產效率越高，對于企業而言越經濟。但這會導致模具耗損的增加，與此同時，產生成型缺陷（如微裂紋）的傾向也會增大。在成型過程中，材料受到模具摩擦力的作用，會在表面產生附加的拉應力。在正常的成型速度下，該拉應力不會超過材料表層抗拉強度，此時是不會產生微裂紋的。當成型速度增加時，材料所受到的附加拉應力也會增加，當超過材料表層抗拉強度時，微裂紋就會產生。

對于熱成型過程，成型溫度是另一個非常重要的影響因素。熱成型時，材料需要加熱到奧氏體化溫度線以上，以獲得較高的變形能力。溫度越高，材料流動性越好，成型越容易進行，但能耗也會增加，且溫度控制不當還會導致材料過熱乃至過燒，影響材料的使用。

4 關于熱處理

熱處理是管件制造過程中的一道重要工序。成型過程使得管件滿足了主要的形狀及尺寸要求，但此時管件材料中加工硬化較為明顯，由此導致材料的強、硬度較高，不利于材料的服役。熱處理則可以使材料經歷回復-再結晶過程，從而改善材料的組織與性能，滿足標準及客戶要求。

通常來說，碳鋼管件須進行正火，合金鋼管件須進行正火加回火，不銹鋼及鎳基合金管件須進行固溶熱處理。對于含鈦或鈮等強碳化物元素的奧氏體材料，當有要求時另需進行穩定化熱處理來讓這些元素形成穩定的碳化物，從而提高材料抗晶間腐蝕的能力。

其中，碳鋼管件較為特殊。由于其材料中不含鉻、鎳、鉬等合金元素，位錯運動阻力較小，當在一定溫度以上的條件下成型后（一般來說是750℃），材料同時具有單獨進行正火熱處理所具備的組織及性能條件，此時可以免做熱處理。

5 關于無損檢測

管件產品必須經過無損檢測以驗證產品成型、熱處理等相關工序的可靠性與適宜性，常見的無損檢測方式為磁粉檢測、滲透檢測、超聲波檢測和射線檢測。其中，磁粉檢測操作起來最為方便，廣泛適用于碳鋼、合金鋼及非奧氏體不銹鋼等鐵磁性產品。但對于奧氏體不銹鋼產品，由于其組織為非鐵磁性，磁粉檢測無法使用，通常替換為滲透檢測。

磁粉檢測和滲透檢測僅適用于表面及近表面材料缺陷的檢測，對于材料內部的缺陷，可使用超聲波檢測或射線檢測。前兩種檢測方式可以滿足通常情況下的需要，當客戶對材料有較高要求時，則需要附加超聲波檢測，而當材料本身含有焊縫時，則必須進行射線檢測。

6 結論

金屬管件產品在制造過程中需要對各個環節進行嚴格的控制，以保證其在管路中可靠使用。本文從強度校核、模具設計、成型、熱處理和無損檢測這五個方面闡述了管件產品的制造控制要點。