中等口徑TP2紫銅管的彎管技術

摘要：本文主要介紹我司加工課中等口徑彎管機的彎制能力和中等口徑TP2紫銅管（下稱TP2管）的彎制特性，并對部分中等口徑TP2管的彎制過程及彎管技術進行了總結。

關鍵詞：紫銅管；彎制；質量；控制

1 前言

紫銅管因具有優良的生物腐蝕抗力，是用于海洋環境中的最佳材料之一。我司建造的某特種船的艙室噴淋系統中大量選用了TP2管，其中對于中等口徑（DN>50mm）的紫銅管，還沒有相關的彎管技術支持和彎管經驗，如何彎制出符合質量要求的管子，是必須認真解決的問題。

2 紫銅管彎制現狀

2.1 紫銅管的種類

紫銅管的牌號有多種，如T1、T2、T3、TU1、TP2等；狀態有軟態（M）、半硬態（Y2）、硬態（Y）之分；其力學性能、化學成分和管子規格亦各有不同。

2.2 TP2紫銅管的特性

TP2紫銅管為磷脫氧銅管，對磷的成分要求為0.015%～0.040%。在鹽霧試驗后，管子表面已經被氧化，顏色由紫紅色變成銅紅色，或者有些銹斑狀。其在室溫大氣、淡水和海水中具有很好的耐蝕性，也能耐冷或熱稀硫酸、冷濃硫酸的浸蝕，因此深受船東的青睞。

TP2管的熱性能：

熔化溫度1065～1083℃

比熱熔385.2J（kg·℃）

線膨脹系數X1=17.64x10-6℃-1（20～300℃）

熱導率λ=339.2W/（m·℃）

退火溫度400～650℃

熱加工溫度800～900℃

2.3 我司彎管設備狀況

目前我司加工課的彎管設備的彎制設計能力為DN15-DN300， 其中DN15-DN150為液壓冷彎，DN200-DN300為中頻熱彎。

由于彎制中等口徑管材的長治彎管機和八寸彎管機均為20世紀80年代制造，自動化程度較低，主要依靠人工操控。

3 彎管工藝分析

3.1 管子的彎曲拉伸條件

管材拉伸條件：

（δ拉+δ彎）<δs （2-1）

δs/（δ拉+δ彎）=K（K>1） （2-2）

式中： δs— 拉伸后管材的屈服強度，Mpa；

δ彎— 最大彎曲應力，Mpa；

δ拉— 拉伸彎曲時的應力，Mpa；

K— 拉伸彎曲安全系數。

管子彎曲拉伸不打滑條件：

F=μΣWΣN=P （2-3）

式中：F— 管與彎模之間的摩擦力；

μ— 管與彎模之間的摩擦系數；

ΣW— 彎模與管的接觸面積；

ΣN— 彎模作用在管上的正壓力之和；

P— 最大拉力；

若F

3.2 彎管原理

待彎管子放入彎模中，將起彎點對準彎模中心，前夾夾緊管子的首段，滑板緊貼管子的尾段。起動彎管機，前夾帶著管子一起作圓周運動，滑板在管子的帶動下沿切線方向作直線運動，并對管子施加外力。當管子受到的外力超過了其屈服極限時，將產生塑性變形，這是管子彎曲成形的基本原理，見圖1。

圖1 彎管原理示意圖

3.3 彎曲受力分析

在純彎曲的情況下，外徑為D、壁厚為S的管子受外力矩M的作用發生彎曲時，中性層外側的管壁受拉應力σ1的作用而減薄，內側管壁受壓應力σ2的作用而增厚，見圖2a；同時，合力F1和F2又使管子彎弧處的橫截面發生變形而成為近似橢圓形，見圖2b；內側管壁在σ2的作用下還可能出現失穩而起皺，見圖2c。

為了彎制出合格的管子，就應該采取相應的措施來防止上述缺陷的產生。采用有芯彎管就是目前最常用的有效方法之一。

a.管子彎曲時的受力情況 b.管子彎曲時的截面變形 c.管子彎曲時的內側失穩起皺

圖2 管子彎曲時的受力及變形情況

4 彎管前的準備工作

根據管材選用規格，針對DN>50 mm中等口徑紫銅管沒有彎制的經驗，且沒有相應的彎制工裝，為了能彎好這些紫銅管，需要對此中等口徑的TP2管試彎前各項工作進行全面的分析和精心準備，包括對彎管人員工藝交底和紫銅管退火、彎制工藝的培訓以及對彎管機彎模、滑塊、芯頭以及各運動部件的調整等。

4.1 組織培訓指導，增強彎管人員理論知識和操作技能

由于中等口徑紫銅管的彎制還沒有經驗，其彎制成功與否將對今后是否采用彎管而減少預制彎頭使用的生產成本影響重大，而彎管作業人員對紫銅管的彎制拉伸要求、退火溫度的掌握控制等認識不夠，因此首先對彎管作業人員進行加工前的工藝技術交底，同時也從管工工藝知識、銅管彎管技術、設備操作技能等方面加以培訓，以提高他們的彎管理論知識水平與操作技能。

4.2 定制試彎工裝，準備好試彎所需物品

由于中等口徑紫銅管未曾彎制過，還沒有相應的彎模及工裝設備，如防皺板、管夾等。因此，根據中等口徑彎管機的性能與紫銅管的屈服強度與抗拉性能進行比較，首先選擇Ф70x3.5和Ф85x4的管子并選定彎管機型，分別訂造相應的彎管工裝，然后采用滑石粉和水混合調制出彎管用的潤滑劑（下稱石灰水），確保管子彎曲時內壁與芯頭之間的摩擦有良好的潤滑；另外，為保證彎管機前夾不夾花管子或避免打滑，還準備了0#砂紙等。

4.3 檢查管子質量

由于管材質量是彎制成功與否的一個非常重要因素，因此我們對彎制管子的質量進行嚴格把關，確保沒有裂紋、夾層等缺陷，同時對管子外徑、壁厚均勻度、橢圓度、直線度等進行了測量，從根本上保證管子彎制的成功。

5 彎制的實施

5.1 選擇彎管設備

根據中等口徑彎管機的性能與紫銅管彎曲時的屈服強度和抗拉性能等，選擇了滿足紫銅管彎制要求的彎管機——長治4″機作為Φ76x3.5和Φ89x4紫銅管的彎制設備。

5.2 紫銅管退火處理

根據紫銅管的特性，為了防止其在彎制過程中發生斷裂或產生縮孔，需要對紫銅管進行退火處理，將其軟化，以達到良好的可塑性狀態。

選擇沒有質量缺陷的管子按管子彎制長度要求進行下料切割，然后按彎制要求進行劃線和退火。退火應用中性焰（不能用碳化焰或氧化焰，以防止管子退火后產生碳化或氧化現象）在彎制拉伸區域進行，拉伸區域為整個彎弧長度的圓周及其前后各50mm范圍，同時用紅外線測溫儀測量控制好退火過程中的溫度。紫銅管退火后應在常溫中自然冷卻，不能用水澆等方式強行冷卻。

5.3 安裝彎模等設備

根據紫銅管的規格選擇匹配的彎模、前夾、后夾、芯頭和防皺板，并安裝、調節好。

5.4 管子彎制前的檢查

檢查退火后的紫銅管內外表面和彎模、芯頭等是否有缺陷，如有缺陷應先消除缺陷，且消除缺陷后的管子、設備應滿足管子彎制要求。

5.5 管子彎制前的準備

用石灰水均勻涂抹在管子內孔彎曲弧位處和芯頭上，確保紫銅管內彎曲時與芯頭接觸摩擦部位有良好的潤滑。

5.6 確定芯頭的插入長度及試彎

芯頭插入管子彎曲處的芯頭切入點e（見圖3），也是影響彎管質量中一個不可忽視的因素。如果伸出靠前（e值太大），可能會擠裂管子外壁；如果插入不足，又起不到相應的圓弧防彎扁作用和圓弧內側起皺的可能。

圖3 芯棒插入到管子彎曲的切入尺寸

為彎出高質量的管子，在安裝好彎模等設備后，對每個規格的管子先進行試彎，根據試彎情況調整芯頭至恰當的位置e，同時對同批次材料的彎管回彈量加以調整彎曲補償角度，這樣才能保證彎制出的管子彎弧橫截面橢圓度滿足工藝要求。如果再配以防皺塊和助推裝置，可消除圓弧內側管壁的波浪形皺折且可減少圓弧外側管壁的減薄量。最后根據試彎實驗情況對彎模壓力、芯頭的伸出量e、彎角回彈補償角度做好相應的記錄和標識。

5.7 實施彎制

將管子抬上彎管機，套入芯頭，將管子起彎位對準彎模上的起彎點，并調整好參數（見表1），然后啟動彎管功能，當彎至25o左右時如彎模壓力和芯頭壓力讀數恒定、管子彎制速度均勻、芯頭位置固定，則表示管子彎制順利，可一氣彎至預定的彎制角度。否則表示管子彎制不成功，可能出現管子拉裂、彎扁、起皺或芯頭太長而卡塞的現象。

5.7 彎制后的外觀檢查及結果

管子彎制后應對各項質量控制點進行檢查：管壁外表不應有擦傷溝槽和碰撞形成的明顯凹陷，管子彎曲處不得有裂紋結疤、燒傷、分層等缺陷存在。如有上述缺陷，應完全消除，且被消除部位壁厚的減薄應在壁厚減薄率的允許范圍內，否則作報廢處理。

在前期的認真分析和精心準備下，經過不斷的試驗實踐，克服了中等口徑紫銅管的退火、芯頭切入點、防皺板應用及回彈補償角等一系列困難，最終使選定的中等口徑紫銅管彎制成功，并將各項狀態參數控制在標準公差范圍之內，具體參見表2。

表2 紫銅管彎制結果

6 彎制效果檢查

經過對DN65和DN80口徑的紫銅管彎制試驗，從表2可以看出，各項參數要求均控制在標準范圍內，滿足了管子彎制質量指標。

7 結束語

通過上述彎管工藝技術的實施，證明了此彎管措施與方法是可行的、有效的。為了鞏固該紫銅管的彎管技術，編制了我司加工課的《紫銅管彎制作業指導書》，以指導其他產品船舶的紫銅管彎制作業。

參考文獻

鐘衛佳主編，《銅加工技術實用手冊》，冶金工業出版社，2007

高忠民主編，《氣焊工入門與技巧》，金盾出版社，2010