大直徑異形三通彎頭制造工藝的優化與提高

路 明 陸中華 聶公闊 丁 略

（貴州盤江煤電多種經營開發有限公司，盤州 553536）

在煤礦生產中，瓦斯治理一直是一個關乎安全與環保的重大課題。隨著“雙碳”目標的提出，煤礦的瓦斯治理不僅關乎生產安全，更與降低碳排放、實現綠色發展緊密相連。在流體輸送系統中，管件連接特別是大直徑異形三通彎頭的連接，通常采用現場焊接方式。然而，由于現場環境復雜且施焊條件較差，焊接質量難以得到保障，從而導致安全隱患。管件還必須具備良好的密封性、耐腐蝕性及足夠的機械強度。特別是在大直徑異形三通彎頭的制造過程中，由于其結構復雜、尺寸精度要求高，傳統的加工方法往往難以滿足現代工程的需求。

1 大直徑異形三通彎頭工藝生產制造

異型彎管件不同于直管件，沒有單獨能夠切割的直管機，在切制過程中需要將工件提前穩定好，再利用直管機或者三維激光切割機進行切割。彎頭的設計需要根據實際的管道尺寸和形狀進行。這一步驟涉及使用SolidWorks 等計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件繪制彎頭的展開圖，包括彎頭的側面投影、接縫線等細節。對于多節彎頭，還需要明確彎頭的曲率半徑，以便進行精確放樣。在設計完成后，需要根據管道直徑、半徑、保溫層厚度等參數，通過特定的公式計算出大面彎頭或彎頭小面的下料比例。意大利博利馬（BLM）集團的LT14和LT24 激光切割機因其多功能性、高精度和高生產效率而被廣泛使用。這些設備能夠處理直徑25～355 mm 的管材和型材，適用于大直徑異形三通彎頭的生產。將設計好的彎頭模型放置在激光切割機的工作臺上，啟動激光切割程序。激光切割過程中，系統會根據預設的參數自動調整激光功率和掃描路徑。激光切割完成后，需要對切割面進行必要的后處理，如打磨、拋光等，以達到預期的表面質量。

2 大直徑異形三通彎頭特性

2.1 圓弧處變扁

在彎曲過程中，彎頭圓弧部分發生明顯的扁平化，形成橢圓形截面[1]；管材受到的徑向壓力分布不均，導致材料向內側流動不足，出現外側材料無法完全填充彎曲造成的空間的情況。這種變扁會降低管件的承壓能力和結構強度，影響流體流動的平滑性。

2.2 圓弧外側管壁減薄

彎曲過程中，彎頭圓弧外側的管壁厚度明顯減小，甚至可能低于設計或安全標準。小半徑彎曲時，管材外側受到拉伸，內側受到壓縮，導致外側管壁減薄。管壁減薄會顯著降低管件的結構強度和耐壓能力，增加泄漏和破裂的風險。

2.3 圓弧外側開裂

在彎頭的圓弧外側出現裂紋或開裂現象，主要原因有管材本身的質量問題（如熱處理不當）、彎曲過程中的過大應力或潤滑不足導致的摩擦力增加。開裂會嚴重破壞管件的結構完整性，導致泄漏和失效，是嚴重的安全隱患。

2.4 圓弧內側起皺

彎頭圓弧內側出現皺紋或起皺現象，主要原因為彎曲過程中內側材料受到壓縮而無法順利流動，或者是芯棒支撐不當、壓模力不足等工藝問題。內側起皺不僅影響管件的美觀性，還可能影響流體流動的順暢性，降低管件的結構強度和穩定性。

3 異形三通彎頭制造工藝缺陷分析

3.1 坡口加工與組對問題

在異形三通彎頭實際生產中，支管的外斜坡部位若被加工成內斜坡部位并與主管頭垂直搭接，焊后很容易出現明顯的未焊透問題。對于同徑三通彎頭，開口不良會造成相貫線連接形成“V”字形，在連接時也易產生變形，從而導致內部應力過大，降低焊縫強度[2]。在插入式三通彎頭的制造中，若支管插入主管內過長，會阻礙介質流動，減小主管的有效截面積，導致操作誤差。

3.2 焊縫質量與位置問題

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，形狀和位置復雜，焊縫質量控制難度較大。若加工精度不高或焊接工藝參數選擇不當，易導致未焊透。焊接前未清理坡口及附近的雜物，或焊接過程中操作不當，都會加速焊縫冷卻，產生氣孔和夾渣等缺陷。

3.3 材料與應力問題

焊接高強鋼或特殊合金時，易出現冷裂紋等缺陷，需特別考慮焊接材料和工藝。異形三通彎頭因結構特點，如開口尺寸不均勻或間隙過大，易導致應力集中，增加裂紋風險。這種應力集中會在焊接或熱處理中出現。

4 異形三通彎頭制造工藝優化對策

4.1 精確加工坡口

支管坡口的加工應精確控制，避免內坡口導致的未焊透問題。采用機械加工或高精度切割設備，確保坡口角度、尺寸和表面質量符合設計要求[3]。對于同徑三通彎頭，應特別注意開口的形狀和尺寸，避免形成“V”字形接頭。同徑三通彎頭常用于管道分支、匯合、調節流量和切換流向等場合，其材質應與管道主體材質相同，以保持系統的統一和穩定。對于腐蝕性介質，必須遵循操作規程，避免安裝不當引發事故。同徑三通彎頭的布局應便于操作和檢修，以便及時發現和解決問題。

在組對過程中，應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位置，確保焊接過程中的穩定性。異形三通彎頭生產所使用的坡口加工方法包括利用磁力切割機沿管壁切割、在鋼板上采用半自動切割機切割以及使用坡口機切割鋼板坡口。對于厚度大于16 mm 的鋼板可以開雙坡口，要求嚴格采用半自動切割機操作，禁止手工切割。切割后需進行檢查，確保對角線誤差、鈍邊偏差、角度偏差、間隙偏差均在規定允許范圍內，并要求坡口面溝槽不超過1 mm。在坡口加工和組對過程中，應加強質量監控和檢驗，及時發現和糾正問題，確保工藝質量符合要求。

4.2 提高坡口加工精度

第一，異形三通彎頭采用先進坡口加工設備和技術。坡口機械（上海）有限公司生產的平板系列坡口機包括滾剪、銑邊坡口機。這些設備可加工出平整無毛刺坡口，無須二次打磨[4]。在加工過程中，管子會被液壓缸固定，兩邊充入液體向內凸脹，然后從適當位置切除凸起，打成坡口，并且要經過2 次噴丸處理。異形三通彎頭制造工藝優化如圖1 所示。

圖1 異形三通彎頭制造工藝優化

第二，定期校驗和維護加工設備。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。預處理用#80 石英砂噴砂，角度為45°，距離為150～200 mm，同時用#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，根據焊條直徑和材料厚度調整速度，如對接焊縫速度為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%純度的保護氣體覆蓋焊縫及其兩側50 mm 范圍，流量為15～20 L·min-1。確保坡口清潔度，實時監控調整焊接參數，全程監控并采用無損檢測、目視檢查和尺寸測量等手段，及時處理缺陷。不合格焊縫返修或重焊，確保質量達標。建立焊接質量管理體系，培訓和考核焊接人員，提升技能和質量意識。

4.3 優化結構設計

在異形三通彎頭設計中，需考慮應力集中和變形問題。通過合理設計，如增加過渡圓角、優化開口形狀等，降低應力集中，減少焊接變形[5]。熱處理異形三通彎頭時，應嚴格控制熱處理工藝參數，消除焊接殘余應力，加強無損檢測技術的應用，嚴格控制原材料、焊接材料、焊接工藝等，確保焊縫及兩側50 mm范圍得到有效保護。采用分層、分區開挖的施工規劃，實現隨層支護，保證圍巖支護加固的及時性。

計算分析鉆孔爆破、開挖出渣和錨噴支護各工序的施工強度及耗時，合理安排各工序的循環方式和時間間隔。通常根據裝藥量體積公式，先求出每循環進尺所需用藥量Q為

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

針對掏槽孔，采用楔形掏槽方式，深度為1.2 m，以提高效率。使用長度為32 mm 的藥管，同時控制藥量，確保安全經濟。對于周邊眼，采用松動爆破技術，淺孔1.0 m，使用低猛度炸藥，減少對彎頭損傷。針對特殊部位，優化變形監測和預警系統，使用激光測距儀和反射棱鏡實現折線測距，建議預警值為12 mm。采用焊接工藝提升三通彎頭制造質量和效率，降低成本和風險。

5 結語

大直徑異形三通彎頭制造過程中，傳統工藝存在坡口精度不足、焊接質量不穩定等問題。為解決這些問題，采用噴砂、打磨等預處理方法清理坡口及其附近區域，有效去除了表面氧化層和污染物。在焊接過程中，根據焊縫位置和要求，合理調整了焊接速度和電流大小。改進后的制造工藝在實際應用中表現出色，大幅降低了焊接成本，提升了構件的整體性能，延長了構件的使用壽命。