大直徑異形三通彎頭制造工藝的優(yōu)化與提高

路 明 陸中華 聶公闊 丁 略

（貴州盤江煤電多種經(jīng)營(yíng)開(kāi)發(fā)有限公司，盤州 553536）

在煤礦生產(chǎn)中，瓦斯治理一直是一個(gè)關(guān)乎安全與環(huán)保的重大課題。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，煤礦的瓦斯治理不僅關(guān)乎生產(chǎn)安全，更與降低碳排放、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展緊密相連。在流體輸送系統(tǒng)中，管件連接特別是大直徑異形三通彎頭的連接，通常采用現(xiàn)場(chǎng)焊接方式。然而，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜且施焊條件較差，焊接質(zhì)量難以得到保障，從而導(dǎo)致安全隱患。管件還必須具備良好的密封性、耐腐蝕性及足夠的機(jī)械強(qiáng)度。特別是在大直徑異形三通彎頭的制造過(guò)程中，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度要求高，傳統(tǒng)的加工方法往往難以滿足現(xiàn)代工程的需求。

1 大直徑異形三通彎頭工藝生產(chǎn)制造

異型彎管件不同于直管件，沒(méi)有單獨(dú)能夠切割的直管機(jī)，在切制過(guò)程中需要將工件提前穩(wěn)定好，再利用直管機(jī)或者三維激光切割機(jī)進(jìn)行切割。彎頭的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際的管道尺寸和形狀進(jìn)行。這一步驟涉及使用SolidWorks 等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）軟件繪制彎頭的展開(kāi)圖，包括彎頭的側(cè)面投影、接縫線等細(xì)節(jié)。對(duì)于多節(jié)彎頭，還需要明確彎頭的曲率半徑，以便進(jìn)行精確放樣。在設(shè)計(jì)完成后，需要根據(jù)管道直徑、半徑、保溫層厚度等參數(shù)，通過(guò)特定的公式計(jì)算出大面彎頭或彎頭小面的下料比例。意大利博利馬（BLM）集團(tuán)的LT14和LT24 激光切割機(jī)因其多功能性、高精度和高生產(chǎn)效率而被廣泛使用。這些設(shè)備能夠處理直徑25～355 mm 的管材和型材，適用于大直徑異形三通彎頭的生產(chǎn)。將設(shè)計(jì)好的彎頭模型放置在激光切割機(jī)的工作臺(tái)上，啟動(dòng)激光切割程序。激光切割過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)自動(dòng)調(diào)整激光功率和掃描路徑。激光切割完成后，需要對(duì)切割面進(jìn)行必要的后處理，如打磨、拋光等，以達(dá)到預(yù)期的表面質(zhì)量。

2 大直徑異形三通彎頭特性

2.1 圓弧處變扁

在彎曲過(guò)程中，彎頭圓弧部分發(fā)生明顯的扁平化，形成橢圓形截面[1]；管材受到的徑向壓力分布不均，導(dǎo)致材料向內(nèi)側(cè)流動(dòng)不足，出現(xiàn)外側(cè)材料無(wú)法完全填充彎曲造成的空間的情況。這種變扁會(huì)降低管件的承壓能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，影響流體流動(dòng)的平滑性。

2.2 圓弧外側(cè)管壁減薄

彎曲過(guò)程中，彎頭圓弧外側(cè)的管壁厚度明顯減小，甚至可能低于設(shè)計(jì)或安全標(biāo)準(zhǔn)。小半徑彎曲時(shí)，管材外側(cè)受到拉伸，內(nèi)側(cè)受到壓縮，導(dǎo)致外側(cè)管壁減薄。管壁減薄會(huì)顯著降低管件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐壓能力，增加泄漏和破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 圓弧外側(cè)開(kāi)裂

在彎頭的圓弧外側(cè)出現(xiàn)裂紋或開(kāi)裂現(xiàn)象，主要原因有管材本身的質(zhì)量問(wèn)題（如熱處理不當(dāng)）、彎曲過(guò)程中的過(guò)大應(yīng)力或潤(rùn)滑不足導(dǎo)致的摩擦力增加。開(kāi)裂會(huì)嚴(yán)重破壞管件的結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致泄漏和失效，是嚴(yán)重的安全隱患。

2.4 圓弧內(nèi)側(cè)起皺

彎頭圓弧內(nèi)側(cè)出現(xiàn)皺紋或起皺現(xiàn)象，主要原因?yàn)閺澢^(guò)程中內(nèi)側(cè)材料受到壓縮而無(wú)法順利流動(dòng)，或者是芯棒支撐不當(dāng)、壓模力不足等工藝問(wèn)題。內(nèi)側(cè)起皺不僅影響管件的美觀性，還可能影響流體流動(dòng)的順暢性，降低管件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3 異形三通彎頭制造工藝缺陷分析

3.1 坡口加工與組對(duì)問(wèn)題

在異形三通彎頭實(shí)際生產(chǎn)中，支管的外斜坡部位若被加工成內(nèi)斜坡部位并與主管頭垂直搭接，焊后很容易出現(xiàn)明顯的未焊透問(wèn)題。對(duì)于同徑三通彎頭，開(kāi)口不良會(huì)造成相貫線連接形成“V”字形，在連接時(shí)也易產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大，降低焊縫強(qiáng)度[2]。在插入式三通彎頭的制造中，若支管插入主管內(nèi)過(guò)長(zhǎng)，會(huì)阻礙介質(zhì)流動(dòng)，減小主管的有效截面積，導(dǎo)致操作誤差。

3.2 焊縫質(zhì)量與位置問(wèn)題

異形三通彎頭的接頭焊縫位于主管與支管相交的相貫線上，形狀和位置復(fù)雜，焊縫質(zhì)量控制難度較大。若加工精度不高或焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，易導(dǎo)致未焊透。焊接前未清理坡口及附近的雜物，或焊接過(guò)程中操作不當(dāng)，都會(huì)加速焊縫冷卻，產(chǎn)生氣孔和夾渣等缺陷。

3.3 材料與應(yīng)力問(wèn)題

焊接高強(qiáng)鋼或特殊合金時(shí)，易出現(xiàn)冷裂紋等缺陷，需特別考慮焊接材料和工藝。異形三通彎頭因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如開(kāi)口尺寸不均勻或間隙過(guò)大，易導(dǎo)致應(yīng)力集中，增加裂紋風(fēng)險(xiǎn)。這種應(yīng)力集中會(huì)在焊接或熱處理中出現(xiàn)。

4 異形三通彎頭制造工藝優(yōu)化對(duì)策

4.1 精確加工坡口

支管坡口的加工應(yīng)精確控制，避免內(nèi)坡口導(dǎo)致的未焊透問(wèn)題。采用機(jī)械加工或高精度切割設(shè)備，確保坡口角度、尺寸和表面質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求[3]。對(duì)于同徑三通彎頭，應(yīng)特別注意開(kāi)口的形狀和尺寸，避免形成“V”字形接頭。同徑三通彎頭常用于管道分支、匯合、調(diào)節(jié)流量和切換流向等場(chǎng)合，其材質(zhì)應(yīng)與管道主體材質(zhì)相同，以保持系統(tǒng)的統(tǒng)一和穩(wěn)定。對(duì)于腐蝕性介質(zhì)，必須遵循操作規(guī)程，避免安裝不當(dāng)引發(fā)事故。同徑三通彎頭的布局應(yīng)便于操作和檢修，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。

在組對(duì)過(guò)程中，應(yīng)確保主管和支管的同軸度和垂直度，采用專用夾具或定位裝置，固定支管和主管的相對(duì)位置，確保焊接過(guò)程中的穩(wěn)定性。異形三通彎頭生產(chǎn)所使用的坡口加工方法包括利用磁力切割機(jī)沿管壁切割、在鋼板上采用半自動(dòng)切割機(jī)切割以及使用坡口機(jī)切割鋼板坡口。對(duì)于厚度大于16 mm 的鋼板可以開(kāi)雙坡口，要求嚴(yán)格采用半自動(dòng)切割機(jī)操作，禁止手工切割。切割后需進(jìn)行檢查，確保對(duì)角線誤差、鈍邊偏差、角度偏差、間隙偏差均在規(guī)定允許范圍內(nèi)，并要求坡口面溝槽不超過(guò)1 mm。在坡口加工和組對(duì)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控和檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正問(wèn)題，確保工藝質(zhì)量符合要求。

4.2 提高坡口加工精度

第一，異形三通彎頭采用先進(jìn)坡口加工設(shè)備和技術(shù)。坡口機(jī)械（上海）有限公司生產(chǎn)的平板系列坡口機(jī)包括滾剪、銑邊坡口機(jī)。這些設(shè)備可加工出平整無(wú)毛刺坡口，無(wú)須二次打磨[4]。在加工過(guò)程中，管子會(huì)被液壓缸固定，兩邊充入液體向內(nèi)凸脹，然后從適當(dāng)位置切除凸起，打成坡口，并且要經(jīng)過(guò)2 次噴丸處理。異形三通彎頭制造工藝優(yōu)化如圖1 所示。

圖1 異形三通彎頭制造工藝優(yōu)化

第二，定期校驗(yàn)和維護(hù)加工設(shè)備。在焊接前，徹底清理坡口及其附近的油、銹、水分等雜物，保證焊接區(qū)域的清潔度。坡口加工需先清理油污、銹蝕和水分，用布擦拭至98%的清潔度。預(yù)處理用#80 石英砂噴砂，角度為45°，距離為150～200 mm，同時(shí)用#80 砂輪片打磨至粗糙度不大于1.6 μm，確保去除率在95%以上。焊接時(shí)，根據(jù)焊條直徑和材料厚度調(diào)整速度，如對(duì)接焊縫速度為20～30 cm·min-1、角焊縫速度為15～25 cm·min-1，直徑3.2 mm 焊條電流為100～130 A。用99.99%純度的保護(hù)氣體覆蓋焊縫及其兩側(cè)50 mm 范圍，流量為15～20 L·min-1。確保坡口清潔度，實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)整焊接參數(shù)，全程監(jiān)控并采用無(wú)損檢測(cè)、目視檢查和尺寸測(cè)量等手段，及時(shí)處理缺陷。不合格焊縫返修或重焊，確保質(zhì)量達(dá)標(biāo)。建立焊接質(zhì)量管理體系，培訓(xùn)和考核焊接人員，提升技能和質(zhì)量意識(shí)。

4.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在異形三通彎頭設(shè)計(jì)中，需考慮應(yīng)力集中和變形問(wèn)題。通過(guò)合理設(shè)計(jì)，如增加過(guò)渡圓角、優(yōu)化開(kāi)口形狀等，降低應(yīng)力集中，減少焊接變形[5]。熱處理異形三通彎頭時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制熱處理工藝參數(shù)，消除焊接殘余應(yīng)力，加強(qiáng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，嚴(yán)格控制原材料、焊接材料、焊接工藝等，確保焊縫及兩側(cè)50 mm范圍得到有效保護(hù)。采用分層、分區(qū)開(kāi)挖的施工規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)隨層支護(hù)，保證圍巖支護(hù)加固的及時(shí)性。

計(jì)算分析鉆孔爆破、開(kāi)挖出渣和錨噴支護(hù)各工序的施工強(qiáng)度及耗時(shí)，合理安排各工序的循環(huán)方式和時(shí)間間隔。通常根據(jù)裝藥量體積公式，先求出每循環(huán)進(jìn)尺所需用藥量Q為

式中：q為單位體積的用藥量，mg·cm-2；s為用藥區(qū)域的面積，cm2；L為用藥層數(shù)；η為用藥倍數(shù)。

針對(duì)掏槽孔，采用楔形掏槽方式，深度為1.2 m，以提高效率。使用長(zhǎng)度為32 mm 的藥管，同時(shí)控制藥量，確保安全經(jīng)濟(jì)。對(duì)于周邊眼，采用松動(dòng)爆破技術(shù)，淺孔1.0 m，使用低猛度炸藥，減少對(duì)彎頭損傷。針對(duì)特殊部位，優(yōu)化變形監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，使用激光測(cè)距儀和反射棱鏡實(shí)現(xiàn)折線測(cè)距，建議預(yù)警值為12 mm。采用焊接工藝提升三通彎頭制造質(zhì)量和效率，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

大直徑異形三通彎頭制造過(guò)程中，傳統(tǒng)工藝存在坡口精度不足、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，采用噴砂、打磨等預(yù)處理方法清理坡口及其附近區(qū)域，有效去除了表面氧化層和污染物。在焊接過(guò)程中，根據(jù)焊縫位置和要求，合理調(diào)整了焊接速度和電流大小。改進(jìn)后的制造工藝在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出色，大幅降低了焊接成本，提升了構(gòu)件的整體性能，延長(zhǎng)了構(gòu)件的使用壽命。