机械成形工艺在加强U形金属波纹管制造中的应用

机械成形工艺在加强U形金属波纹管制造中的应用

徐大鹿,马志承 ,徐,岩,杨孔硕 ,王 ,涌 ,王 ,军

沈阳汇博热能设备有限公司 辽宁省沈阳市  110168

摘   要：文章介绍了金属波纹管的适用领域，并对加强U形波纹管的设计、制造工艺进行了较详尽的论述。本文主要阐述了环形加强环的制造技术、加强U形波纹管的机械成形、压形工艺，以及在设计、制造环节易出现的若干问题。

关键词：加强U形波纹管；加强环；机械成形

前  言：根据GB/T12777-2019《金属波纹管膨胀节通用技术条件》的相关规定，将金属波纹管分成无加强型和加强型两类。前者广泛应用于高压组合电器、电力、热力管道等行业，而后者则多用于高压、小位移的工况环境。据了解，加强型波纹管主要应用于石化、军工、实验室等相关设备。随着产品制造工艺水平的不断提高，对高压状态下金属波纹管的需求量越来越大，如采用无加强的结构形式，波纹管管坯通常要达到几十层以上，不仅增加了材料的消耗量，还加大了成形、整形等工序的制造难度。即便如此，设计出的波纹管其平面失稳压力，也未必能达到性能要求。通过设置加强环对波纹管进行加强，不仅可以减少波纹管管坯的层数，提高其抗压性能，还可以增强波纹管的平面稳定性。因此，加强型波纹管的研制与生产具有很大的实际应用价值。

加强型波纹管可以分为加强U形波纹管和加强Ω形波纹管，根据成形工艺不同，有可以分为机械成形和液压成形两种。机械成形是利用压锥将扇形胀瓣顶出，从而使管坯膨胀成波浪状。机械成形具有加工工艺简单、加工方便、成形效率高、劳动强度低等特点。液压成形是利用液体在一定成形压力下，使管坯在专用模具中发生塑性变形，进而达到成形效果的加工技术。液压成形优势是：波距、波形精度高，但其缺点是工艺准备时间长、工作效率低、劳动强度大，端部密封难度大等。因此，在进行大直径多层波纹管成形时，采用机械成形工艺比较合适。本文着重阐述采用机械成形工艺在制造加强U形波纹管中的应用。

1 加强U形金属波纹管的设计

1.1 加强U形波纹管的设计参教，如表1所示：

表1 加强U形波纹管的设计参教

1.2 加强U形波纹管的结构参教，如表2所示：

表2 加强U形波纹管的结构参教(圆形加强环)

1.3 加强U形波纹管应力校核，结果如表3所示：

表3 加强U形波纹管应力校核结果

参数符号说明：

——压力引起的波纹管直边段周向薄膜应力；

′——压力引起的加强环周向薄膜应力；

——压力引起的波纹管周向薄膜应力；

′——压力引起的波纹管加强环周向薄膜应力；

——压力引起的波纹管子午向薄膜应力；

——压力引起的波纹管子午向弯曲应力。

波纹管设计疲劳寿命为[]=1215≥5OO，满足设计的疲劳寿命安全系数为10。柱体稳定性的设计极限压力：p=30.58MPa＞4.OMPa加强后的U形波纹管柱抗压强度超过了设计值，其抗压性能达到了要求，经过上述分析，本方案符合设计要求。波纹管的壁厚和层数按0.5mm×4也可满足要求。在此基础上，采用了1.2mm×2的厚度。

1.4 加强U形波纹管的制造工艺

根据GB/T12777-2019标准，将其划分为加强环、均衡环等。采用一体化加强环作为波纹管成形方案，适合于机械成形、液压成形。分体式加强环是在将管坯制成波纹管后，与之共同构成一种加强形波纹管。本文着重阐述了一种新型的整体加强环的制造方法。

1.4.1加强环的制造工艺

为了防止圆钢在圆辊上滚圆时产生的圆周扭转，使圆环平整度下降，滚圆时需要将圆钢两段一组，在两端部点焊，首先对圆钢头和圆头进行预弯，预弯完成后，在卷板机上滚圆。完成后，将两个圆环隔开后焊接端面并抛光，然后在卷板机上进行校圆。

1.4.2加强U形波纹管成形

板材下料后进行管坯纵缝的焊接及套管，将套好的管坯放入成形工装，调整好管坯位置，首先进行最下面第一个波的成形，然后把管坯移动到下一次成形位置，将加强环套入管坯后成形第二个波。如此反复，直到六个波全部完全成形操作。

应当指出，使用此方法进行波纹管成形，由于胀瓣伸出后相邻胀瓣件存在间隙，造成胀瓣外圆圆弧曲线不连续，势必会造成波纹管成形后波峰圆弧的不一致。为了消除胀瓣间隙对波纹管成形效果的影响，可在成形过程中采用单波多次成形的方法进行操作，并在每次成形后转动管坯，以消除胀瓣的胀形盲区，并在波峰达到理论值后，反复转动管坯进行2～3次波高峰值的成形操作。

1.4.3加强U形波纹管整形

由于波纹管在成形过程中没有外模对其波形进行限制，因此成形后的弧形半径比波纹管圆弧半径理论值要大，当与加强环配合时容易产生空隙，造成加强效果被削弱。因此，波纹管成形完成后需进行整形处理。本文所述波纹管整形工艺是利用压机操作实现的。在压机工作台上，将法兰环分别放置在波纹管的两端，法兰环的内圆角半径比波纹管端部圆弧稍小，利用铝棒支承法兰环表面，通过压机向下运动对波纹管进行整形操作。整形需分为多阶段进行，每个阶段压机的行程不宜太大。在整形进行到一定程度时，须将波纹管翻转180度，以保证上、下圆弧受力均匀，成形后用R型标尺检查符合规定。

2加强U形波纹管膨胀节压试验

根据标准GB/T12777-2019的相关要求，水压试验压力为波纹管设计压力的1.5倍，既6.OMPa，保压30 min。该过程不存在泄漏、损坏、永久变形、失稳等异常情况出现视为合格。

3注意事项

3.1在进行圆锥形加强环预弯时，为使圆弧达到预弯效果，上、下模圆周半径要不小于加强环半径。

3.2当设计的波纹管单层厚度较大，如0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm或更高时，波纹管的圆弧半径会比理论值稍大。因此，要适当增大波纹管单波展开长度，避免出现波纹管成形后尺寸超差，或加强环太紧等问题。

3.3多层波纹管直边段进行滚焊、切口后，由于焊缝收缩，波纹管直边段端部会发生收缩产生“倒喇叭口”。这时，接管应按波纹管实际规格尺寸进行设计，或通过对波纹管直边段端部进行“扩口”处理，以解决“倒喇叭口”问题。

3.4波纹管进行压缩整形时，需注意波纹管的极限压缩尺寸，以免过度压缩时波峰曲率发生变化出现“尖头”，造成永久变形导致失效。

结语：本文所述的加强U形波纹管可以应用于不同的膨胀节结构形式，由于受加强构件的约束，加强U形波纹管的最大抗压变形比不加强的U形波纹管要小，所以在设计和安装时要充分考虑。

参考文献:

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[2]章刚,刘军等.表面粗糙度对表面应力集中系数和疲劳寿命影响分析[J].机械强度.2018,(1).110-115.

[3]王浩.金属波纹管刚性模高效胀压成形过程控制研究[D].2018.