不锈钢弯管的皱波问题及其预防措施（下）

何德孚，苏永强，容松如，罗 剑

（1.上海久立工贸发展有限公司，上海200135；2.浙江德传管业有限公司，浙江 湖州313103）

不锈钢弯管的皱波问题及其预防措施（下）

何德孚1，苏永强2，容松如1，罗 剑2

（1.上海久立工贸发展有限公司，上海200135；2.浙江德传管业有限公司，浙江 湖州313103）

为了预防不锈钢管冷弯时出现皱波的问题，首先从管件制造标准化角度考察和评估了冷弯方法的优点及其合理应用范围，然后通过两个典型案例分析了冷弯时发生皱波的“薄”壁条件和影响因素。分析指出，皱波的实质是拱腹压缩塑性变形区的“压杆”失稳屈折现象。依据钢管to/do和Ro/do决定的弯管“薄”壁度，合理设置芯棒型式模具加工精度和安装“间隙”，从力学上增强“压杆”抗压稳定度，是预防皱波的必要保障。不锈钢管制造标准允许的to和do公差带往往大于“薄”壁弯管所必须的模具间隙，有时会在小批量多品种规格不锈钢弯管时产生皱波，但只要把握“薄”壁度，重视芯棒结构、模具间隙及弯管参数的合理调整，不锈钢冷弯管时的皱波问题是可以解决的。

不锈钢管；冷弯；拱腹皱波；绕弯式弯管机；“薄”壁度；芯棒型式；模具间隙；压杆失稳屈折

Abstract:In order to prevent wrinkling problem during stainless steel pipe cold bending,first of all,from the perspective of pipe fittings manufacturing standardization,it inspected and evaluated the advantages of cold bending method and its reasonable application scope,then analyzed the"thin”wall condition and influence factors when stainless steel cold bending through two typical cases.The analysis indicated that the essence of the wrinkling is pressure rod unstability and buckling phenomenon in intrados compressive plastic deformation area.According to the steel pipe “thin” wall degree decided by to/doand Ro/do,set up reasonably mandrel type,and the clearance determined by other mold processing and installation presicion,to strengthen the stability against crushing of compression bar from mechanics,this is a necessary safeguard against wrinkling.The tolerance zone of to and do specified in stainless steel pipe manufacturing standard is often than the die clearance of"thin”wall thickness bends,sometimes the wrinkling appear in small batch multivarietal specifications stainless steel elbow pipe.However,as long as grasp the"thin"wall thickness degree,pay attention to the core rod structure,reasonably adjust die clearance and bending pipe parameters,the wrinkling problem of stainless steel cold bend can be solved.

Key words:stainless steel pipe；cold-bending；wrinkle wave of intrados；draw bender；“thin”wall degree；mandrel type；die gap；pressure rod unstability and buckling

（上接2017年第7期第40页）

3 案例分析和解剖

2016年，用户在对德传管业生产的不锈钢管进行弯管时发现，部分弯管出现了起皱现象。对该次弯管的样本数据进行了统计分析，结果见表9。

3.1 案例一

首先以Φ88.9 mm×3.05 mm（表 9中序号 1）不锈钢管的弯管为例。依据诺模图（见图10）和表9数据可知，对该规格钢管弯管时宜采用单球柔性芯棒来弯制，但工厂实际弯管时采用了刚性芯棒，从根本上说会有较大起皱风险，这是因为：

表9 不锈钢弯管的样本数据统计

（1）该用户所用弯管机为图9（a）结构，但未设置防皱块。采用该弯管机型弯制Φ21.3 mm×2.11 mm、 Φ 33.4 mm×2.77 mm、 Φ 42 mm×2.77 mm、Φ 48.3 mm×2.77 mm、 Φ 60.3 mm×2.77 mm 和Φ73 mm×3.05 mm规格不锈钢管时均未发生起皱现象。这些弯管的相对壁厚（to/do）较Φ88.9 mm×3.05 mm弯管的要大，这是重要前提。由表9的数据分析可见，这6种钢管的b≥10.5%，可采用刚性芯棒。而Φ141.3 mm×3.4 mm弯管采用球形柔性芯棒时也未出现皱波，更说明了改善芯棒设置的重要性。

（2）订货要求为Φ88.9 mm×3.05 mm，在国标中被圆整为Φ89 mm×3.0 mm（见表4），制造厂若忽略定单要求，很容易造成按Φ89 mm×3.0 mm来生产，导致供货钢管的外径、内径均偏大，而壁厚却偏低。弯管时，若使用与Φ88.9 mm×3.05 mm钢管同样的芯棒，就会导致钢管内壁与芯棒之间的间隙增大。这些都使得本该采用柔性芯棒弯制Φ88.9 mm×3.05 mm的钢管在采用刚性芯棒弯管时的起皱现象在Φ89 mm×3.0 mm条件下变得更为突出。可见，国标中对此类数据的圆整并不恰当。

（3）实际弯管时所用芯棒的外径为80 mm，这时钢管内壁与芯棒之间的间隙为（di－dm）/2=1.45，该数值远大于表7中推荐的数值。对比另一家工厂中采用外径82 mm芯棒弯管时未出现起皱的情况，芯棒外径太小及芯棒位置又未调整前置量可能是该案例出现起皱的关键因素。加上未采用防皱块，对于b=8.5%的钢管（Φ 88.9 mm×3.05 mm）起皱波就在所难免了。

（4）如果钢管的壁厚达到该规格的上限（3.05 mm×1.225=3.72 mm），采用外径80 mm芯棒弯管时，钢管内壁与芯棒之间的间隙为（di－dm）/2=0.7≈0.2to，此时就不会出现皱波。说明采用外径80 mm的芯棒适合于壁厚为上限的供货状态。

3.2 案例二

再以Φ 60 mm×3.5 mm（表 9中序号 2）不锈钢管的弯管为例。依据诺模图（见图10）和表9数据可知，对该规格钢管弯管时宜采用刚性芯棒来弯制。但该规格钢管为非标准钢管，在欧美标准中（见表4）的标准外径为60.33 mm，壁厚只有2.77 mm（2.8 mm）和 3.91 mm（4.0 mm）。 60 mm为国标对60.33 mm的圆整值。对该规格钢管弯管时，只有个别弯管产生了皱波，发生率约为10%。经过仔细分析，其原因主要是：

（1）弯管时只能采用Φ 60 mm×2.8 mm标准规格的芯棒，此时间隙明显大于表7中的推荐数值。

（2）外径60 mm＜60.33 mm，使得弯模间隙増大，这也会增加皱波倾向。

（3）弯管时如果钢管壁厚偏近下公差带，且壁厚均匀，就会使部分钢管发生皱波。这时，只要按Φ60 mm×3.5 mm配置芯棒，偶发性的皱波就能得到控制。不锈钢管标准中DN200以下钢管的尺寸公差汇总见表10。

表10 不锈钢管标准中DN200以下钢管的尺寸公差汇总

（4）同时供给该用户的Φ 27 mm×2.5 mm、Φ 89 mm×3 mm、Φ 219 mm×4.5 mm三种非标规格的316L弯管均未发生皱波，说明只要合理设置芯棒，不锈钢管弯管时的起皱问题就能排除。

表9中两个案例的对比分析结果表明，图10（a）的诺模图给出的“薄”壁度分界线基本适用于不锈钢弯管弯制芯棒的选择。

4 讨 论

4.1 弯管起皱的实质

弯管起皱的实质是拱腹受压后产生了塑性变形失稳。

4.1.1 正常弯管

正常弯管应是拱背均匀拉伸和拱腹均匀压缩塑性变形的结果。理论和试验研究证明：拱背的均匀拉伸塑性变形和拱腹的均匀压缩塑性变形的巧妙结合是保障弯管质量的前提。均匀拉伸塑性变形的极限是钢管的塑性容限决定的，超过这一极限， 拱背就会断裂。 对于 to/do＜（4～5）%的薄壁管，拱腹压缩区就会在这一极限以前因刚性不足而产生波浪形变形，其本质与材料力学中的压杆失稳弯曲是一样的。因此，皱波是“薄”壁弯管时常见的一种异常现象。

4.1.2 压杆失稳

细长杆（即L/t比值很大）受压时易发生折弯而失去受压功能，称之为失稳。这就是说，横断面很小或很薄的杆件，或自由长度较大的杆件一旦受压就会失去继续承受压力的能力，增大壁厚或减小长度可避免失稳的发生。因此，L/t实际是压杆受压稳定性或刚性（stiffness）最早采用的评判指标。

工程中常见的压杆失稳实例很多。例如：①钢管水压试验时，必须按细长比设置逐段压持才能在两端夹紧条件下加压，否则两端一加压钢管就会拱起（弯曲），压力较小时为弹性（变形）失稳，压力较大时则为塑性（变形）失稳；②工字或箱形樑腹板受压应力区必须设置肋板和加强筋板以防止樑受压弯曲时发生波浪形变形；③薄板焊接时焊接压应力区很容易产生波浪形变形。因此，须控制焊接顺序及焊接参数才能减小压缩应力防止失稳。可见，利用塑性变形弯管时拱腹产生的皱波，实质上是压杆失稳的一种形式。

4.1.3 管道用薄壁不锈钢管

管道选用不锈钢管时，一般选用to/do＜5%的薄壁管，因为：①优良的耐蚀性决定了不锈钢管的设计壁厚无需再添加腐蚀余量；②昂贵的价格使设计者总是尽可能选用薄壁管，5S、10S系列管道用不锈钢管 to/do为 （2～4）%（见表 4）；③船舶等结构物空间有限，管道弯头半径（Ro）要尽可能地最小，这就导致生产“薄”壁弯管时会有皱波产生。

4.2 弯管起皱的力学分析

借助现代结构力学中有关压杆发生压缩塑性变形及其支承条件对压杆稳定性影响的评估[25]方法，进一步分析不锈钢弯管时拱腹起皱的原因及条件。

（1）只有细长比（L/t）＜3～5 的压杆才能产生压缩塑性变形[25-26]，否则压杆将首先因失稳折弯而不可能产生压缩塑性变形。

（2）压杆稳定性不仅取决于杆件本身的细长比，而且更大程度上取决于两端的约束条件或运动自由度，因此失稳的临界压力（Fc）可以表达为

式中：E—受压杆件材料的弹性模量；Iαβ—受压杆件横截面惯性矩；L—受压杆件的实际长度；

μ—受压杆件的长度系数；

ζ—受压杆件的稳定性系数， ζ=π/μ2。不同端头支承方式的压杆长度系数μ和稳定系数ζ见表11[25]。由表11可见，支承端自由度越小， μ值就愈小，ζ值就愈大。弯管时模具设置及间隙状况实际已决定了拱腹受压区的支承自由度：to/do或Ro/do足够大时，拱腹足够厚，其刚度可以承受无芯棒的冷弯；to/do或Ro/do较小时，拱腹本身刚度降低，必须在起弯点通过刚性芯棒限制其横向运动自由度或用单球柔性芯棒限定起弯段实际自由长度；对to/do或Ro/do很小的“薄”壁管，弯管过程需限定每一微弯段两端自由度及对应的微弯段实际自由长度。因此，超“薄”壁管弯管时必须采用多球芯棒才能防止拱腹皱波的产生。

表11 不同端头支承方式的压杆长度系数和稳定系数

4.3 模具精度和间隙对弯管皱波的影响

4.3.1 模具对弯管皱波的影响

无模具冷弯钢管断裂或皱波极限条件如图15所示。理论和实测研究结果表明，若不采用模具改善弯曲钢管塑性变形条件，to/do=4%或2%的不锈钢管在Ro/do=25或50（即图15中名义弯曲应变量do/2Ro=2%或1%）时就可能发生折断或皱波。但如果借助弯模、压块和柔性芯棒等模具的合理配置，to/do=2%在Ro/do=1.5%的不锈钢管弯管时仍然可以避免皱波。可见模具精度和间隙对保障不锈钢管的弯管质量及预防皱波的产生均有重要作用。

图15 无模具冷弯钢管的断裂或皱波极限条件

4.3.2 间隙的确定

除文献[24]以外，其他文献中只说明了正确控制间隙的重要性，却没有说明实际控制间隙的普通意义。文献[5]给出了对Φ20 mm×1 mm规格304钢管作Ro/do=3无芯棒冷弯时弯模与钢管外径间隙＞0.2 mm的临界条件，但不同to/do及Ro/do时这一临界条件就未必适用。文献[2]只说明了Φ40 mm×1 mm规格铝合金管冷弯时芯棒外径与管内径间隙更大。文献 [15]采用能量法研究了Φ38 mm×1 mm规格铝合金管冷弯时的皱波问题，给出的试验和模拟间隙结果是：芯棒与管内径、防皱块与管外径，弯模与管外径之间的间隙在0.8 mm时均产生皱波，而间隙为0.2 mm时均未产生皱波，但压力块与管外径之间的间隙为0.2 mm或0.8 mm时都未产生皱波。

这些文献中对间隙更大或更小时的情况并未具体说明。纵观表7，文献[24]给出的间隙控制数值是目前最有参考价值的。

4.4 钢管尺寸公差对皱波的影响

文献[24]给出了所指间隙比较全面而具体的控制数值，并分别指明：有些间隙应取决于to或do；有些间隙是某个明确的数值范围；还有些间隙要通过试验确定（详见表7）。这些说明虽有一定的参考价值，但在具体执行时存在困难，因为现行钢管制造标准允许的尺寸公差带范围目前还未达到“间隙”的控制要求。

对比表10和表7中的间隙控制要求可知：许多标准规定的壁厚公差均在+（0.15～0.225）to和－0.125to之间，最大公差带宽可达0.35to。加上还有外径公差，如果仅按名义规格确定上述间隙，那么很有可能一部分符合该规格标准尺寸公差的管材，实际间隙却难以控制在表7所要求的范围内，因而在弯管时出现了起皱等问题。

这里需要注意的是：

（1）不同制造工厂由于钢管生产工艺细节不同，同一规格钢管的公差带可能不同。同一工厂生产的同一规格同一钢种的钢管也可能因原材料的钢种炉号不同、化学成分差异，而造成公差带偏上或偏下，这些均属于正常现象。

（2）供货的计价方式可能导致公差带的偏移。早期国标均是按实际质量计价，这种计价方式很容易导致制造厂按上公差带供货，以求得最高的销售收益。现国标已允许按长度或质量计价，若按长度计价或许会导致钢管制造厂按下公差供货，以求得最大经济效益。美国标准中始终要求按长度计价，其原因文献[21]中已有分析。对船用不锈钢管而言，增加其自重等于减少船舶的有效吨位，因此17.4×104m3的 LNG等船用不锈钢管都是按长度订货的。但如果计价时仍按标重换算成单位长度价，制造厂可能还未能意识到以下公差带供货的好处，于是许多工厂就会仍然按老传统生产供货。

（3）钢管力学性能的差异也不可忽视。不同工厂生产的同规格同钢种钢管的力学性能，甚至同一工厂生产的不同批次同规格同钢种钢管的力学性能都可能因原材料炉号及钢管制造过程最终热处理的实际温度或保温时间、冷却速度的差异，而导致其力学性能的不同。文献[7]曾测定了3种相近规格304钢管的实际屈服强度、弹性模量的差异，这均属于正常现象。实际上所有不锈钢产品标准规定的力学性能指标都不高，例如伸长率（A）一般仅为40%，许多奥氏体不锈钢管质保书上伸长率的上限为55%～60%，对应的拉伸强度、硬度亦有相应波动。曾有文献指明，为预防弯管起皱等缺陷的产生，对硬度也提出了相应要求。文献[24]指出，薄壁弯管不仅严格控制模具间隙，钢管也应采用同样批次、最好是同一炉号的同规格钢管。说明弯管实际生产中产生皱波属于正常情况，原因除了钢管的尺寸公差外，还可能涉及力学性能的差异。因此，对“薄”壁管弯管时，为确保弯管质量，约定硬度也许是一条合理的途径。碳钢和合金钢硬度与强度的等效折算见表12。

表12 碳钢和合金钢硬度与强度的等效折算①

4.5 预防弯管起皱的措施

由以上分析可见，不锈钢弯管生产中出现皱波问题的原因复杂，既有对弯管机结构认识不足、模具精度和间隙控制不当及模具缺乏维护和保养等造成的因素，也有钢管制造过程中产生的性能和尺寸公差等形成的因素。为了有效预防弯管起皱，应从以下几方面着手。

4.5.1 严格控制钢管尺寸公差

为了有效预防弯管起皱，首先从交货钢管的尺寸公差着手控制，合理选择尺寸公差范围。

17.4×104m3LNG运输船制造厂曾提出一份明确的《低温不锈钢管订货说明书》[27]。该说明书是20世纪90年代引进该船舶制造技术时附带的文件，该说明书所列的参考标准有ASTM A312和ASTM A530，后来的ASTM A999/A999M标准是1996年从ASTM A530中分离出来的。因此，1996年以后，ASTM A312和ASTM A999标准应该作为低温不锈钢管道用管的执行依据。

《低温不锈钢管订货说明书》规定DN300以下不锈钢管的尺寸公差见表13[21]。对比表10可见，该说明书对壁厚、内径圆度等的公差要求明显要高于ASTM A312和ASTM A999标准，这些要求对预防弯管起皱是十分有利的。

虽然《低温不锈钢管订货说明书》对不锈钢管的尺寸公差提出了较高的要求，但要达到这样的公差要求却不容易。首先，在无缝管取代焊管时，要壁厚达到 （0，－12.5%to）下公差带就很困难，文献[27]指明所订购钢管优先采用焊管，只是可用无缝管取代，说明焊管更容易达到该项要求。其次，说明书中内径圆度公差IDmax－IDmin≤1%（do－2t）的要求， 相比 ASTM A312 标准中外径圆度公差 OPmax－ODmin≤1.5%do的要求， 对于 to/do≤3%的薄壁管来说，由外径测量的圆度要求略有提高，但对于厚壁管则更为苛刻。

表13 《低温不锈钢管订货说明书》规定DN300以下不锈钢管的尺寸公差 mm

《低温不锈钢管订货说明书》提出的内径圆度控制也很难：①如果无法准确测量内径圆度，就谈不上内径圆度的控制；②虽然控制内径圆度对弯管时芯棒的推入有益，但只要合理控制壁厚、外径及周长公差，薄壁管的圆度公差就很容易“纠”正，对弯管时的芯棒推入没有影响；③厚壁管冷弯时无需芯棒，外径与弯模、压块的间隙对弯管质量更为重要，只控制内径圆度而不规定同心度或壁厚的不均匀性对提高弯管质量无益；④从表13对错边的要求可见，这是明确针对焊管的附加要求。

若采用无缝管弯管时，必须要注意无缝管壁厚公差偏大的问题。上述Φ88.9 mm×3.05 mm规格钢管采用80芯棒外径的状况充分说明这一点。

4.5.2 合理选择配置参数

依据to/do、Ro/do数值大小，合理选择冷弯模具、优化间隙配置、调整必要参数，可提高弯管质量。

（1）对b=Roto/do2≤10.5的薄壁管最好采用单球或多球柔性芯棒。

（2）合理配置芯棒、压块、弯模等的间隙。对于b=8.5%的不锈钢薄壁管，还必须检测弯模底部及驱动轴的磨损量，也可在弯管时采用刚性芯棒以预防皱波的产生。

（3）根据钢管的实际公差合理调整弯管速度、压块压力等参数。有时降低弯管速度可有效消除皱波，但前提是操作者必须有足够的经验和判断能力，并对所操作的弯管机结构和性能比较了解。表8和图14的数据说明，皱波的出现也可能跟压力和助推条件的设定相关。文献[24]指明只要弯管机参数调节合理，弯制薄壁管时所需压力块的压力很小，但实际操作时由于种种原因并非如此。

（4）改进弯管机结构。例如采用钢管尾部直接助推取代原压力块助推（见图9（b）），或者给芯棒设置前后震荡式推入装置等。文献[24]指出这种震荡式推入装置有助于精度较高的多球形芯棒推入钢管，并指明震荡频率为1～500周/min、振幅为3.2～25 mm可调。这种震荡式推入装置是薄壁弯管机值得增设的辅助机构。

上海一家船厂在制造8.4×104m3LNG运输船时，按ASTM A312标准订购所需的不锈钢管，弯管时按上述方法采取了相应措施，有效预防了弯管时皱波的产生。说明只要合理选择冷弯模具、优化间隙配置、调整必要参数，弯管起皱问题可得以解决。

4.6 芯棒长度和刚度的选择

刚性芯棒前端部的外径由钢管内径决定。文献[24]指出，薄壁弯管时所用芯棒应足够厚实，这是指芯棒的刚度或抗变形能力要足够好。这就要求：①芯棒长度不能很长，所以选用长芯棒以满足在长管端部作弯管的方案并不可取，而将长管放在夹紧侧（要求大回转半径的方案）是比较合理的；②即使对短芯棒，除了端部外径最大处要精加工以外，其余部分的外径只能略为缩小一些。 许多文献的图中（如图 9（b）[8，14]）将芯棒后半节的直径画的很细，这点并不可取。

4.7 船用弯管生产的特点

许多文献都指明防皱块是防止薄壁弯管皱波的有效手段[1-20，22-23]，但船用弯管生产中却大都不设置防皱块。再结合生产实际，分析弯管时不设置防皱块的原因有：①防皱块必须要达到足够安装精度，否则作用不大，反而会增加不锈钢管外表面划伤风险；②随着弯管直径增大，压块压力增加，防皱块磨损会加剧，而磨损后必须及时调整防皱块的安装位置，否则起不到应有作用；③小批量多规格弯管机往往是低碳钢管、不锈钢管混用，前者一般to/do较大，故不需要防皱块；④图8的防皱块要求用轻油润滑，否则可能适得其反；图9的安装方式可能会带来防皱块振动影响防皱效果。

以上分析说明，防皱块的合理应用或许仅（更）适合单一品种规格的集约化大批量薄壁弯管的生产。

4.8 低温用不锈钢冷弯弯头须作固溶退火处理

文献[27]规定，所采购低温用不锈钢管要满足－196℃低温冲击试验（41 J）。因此，不锈钢管必须在固溶退火后供货。冷弯后的弯头拱背有不同程度冷加工拉伸塑性变形，拱腹则有不同程度压缩塑性变形，这就意味着钢管材料已有不同程度脆化（见图16）。因此，在低温环境工作的这类弯头在使用前应作固溶退火处理。美国标准ASTM SA403和ASTM SA815中也规定：可采用冷弯法制作弯头，但必须在固溶退火处理后供货。

图16 304不锈钢不同冷加工程度下σ－ε曲线

4.9 薄壁不锈钢弯管的压力和助推速度

表8的数据表明：采用四球型柔性芯棒作薄壁奥氏体不锈钢弯管时，不宜采用较大压块及较大压力和助推速度。否则，虽可降低拱背的壁厚减薄量，但必然会增加拱腹的壁厚增厚量，并产生严重皱波。原因是：过大的压块压力使弯管起始点的拱腹承受了很高的压缩应力，外加助推带来的压力，使增厚的拱腹仍然不具备足够高的抗压稳定度，因此产生了皱波。

需要注意的是：①在图9（a）所示的助推机型中，助推只是为了尽可能减小压块与钢管外表面之间的滑动，从而使vp≌vo。通常情况下，助推也不是一个独立的调节参数，但图9（b）所示的钢管尾部助推机型中，助推是完全独立于压块压力的调节参数；②压块表面粗糙度和润滑条件决定的界面摩擦系数对压力调节有决定性影响，表面越光整、润滑越充分，所需压力就越大，但粗糙的压块又会划伤钢管表面。因此，准确掌握润滑程度对压力调节十分重要。

4.10 Φ88.9 mm×3.05 mm不锈钢焊管难达船用供货要求

文献 [27]指明，所订购钢管按ASTM A312/A312M标准可优先选用焊管，但国内目前生产的焊管至今难以达相应的供货要求。主要原因可能是：

（1）壁厚 3.0～3.5 mm、DN100以下的不锈钢焊管难以采用单弧GTAW方法实现单面焊双面成形，并保证稳定的焊缝成形质量。

（2）采用PAW或多阴极GTAW焊接方法，虽有可能获得稳定的焊缝成形质量，但同时须满足一定的附加条件：①严格的钢带宽度公差和切口垂直度；②成型机组最佳的工作状态；③严格控制焊接电弧参数及焊接条件等。

不锈钢焊管焊接时，严格控制钢带的宽度公差和切口垂直度，是为了保证焊缝接口间隙的均匀度，降低焊接时的左右漂移，这时增加钢带铣边装置是很有必要的。为了使成型机组保持在最佳工作状态，对成型机进行及时维护和保养，并配备经验丰富的调型工作人员也是必须的。严格控制焊接参数及焊接条件，保持稳定的焊接速度，也有助于获得稳定的焊缝成形质量。叁阴极GTAW焊接虽然可以实现较高的焊接速度，但稳定性很差。而双阴极或PAW+GTAW双弧焊接是比较有效而稳定的焊接方式，尤其是PAW+GTAW焊接既可以保证背面和正面的成形质量，又能达到一定的焊接速度，这种焊接方式是值得推荐的。PAW+GTAW焊接最大优点是可以减少同一钢种因炉号差异和表面状态波动对焊缝质量的稳定性影响，正面焊缝的咬边倾向也很低[28-32]。

5 结论和建议

（1）冷弯是制作管道弯头的通用简易方法，虽有壁厚不均、圆度畸变、回弹及拱腹皱波等不足，但并不影响内压条件下工作的一般流体输送管道的正常运行，因此，冷弯常被看作是弯头制造的主要且实用方法。

（2）奥氏体不锈钢管优良的塑性（裕度）使冷弯方法的应用更为普遍。国内外管道标准均允许Ro/do≥1.5的奥氏体不锈钢弯管可在冷弯状态下直接应用，但实际这种保留着不均匀冷加工程度的弯头只宜在常温静载条件下应用。在应力腐蚀及低温条件下，使用奥氏体不锈钢弯管时仍然要进行热处理，最好是经过固溶热处理后再使用。在交变载荷、高温蠕变等条件下，就不再适合使用奥氏体不锈钢冷弯管，而必须采用壁厚均匀度较高的模压+焊接法或锻造+机加工法制造的弯头。

（3）模具设置合理的绕弯式弯管机可实现各种相对半径（to/do）、 相对弯曲半径（Ro/do）的 Φ219 mm以下不锈钢管的冷弯。一般来讲，为了保证冷弯质量，特别是控制圆度和避免皱波：to/do越小或Ro/do小于某一数值时，必须采用设计合理的刚性芯棒或带一个球铰的柔性芯棒；只有to/do和Ro/do都足够大的厚壁弯管才能进行无芯棒冷弯；对于to/do特别小或Ro/do足够小薄壁不锈钢管的冷弯，要采用专门设计的单球或多球柔性芯棒才能防止弯管时的皱波。b=Roto/do2≤10.5%、10.5～17.5%、＞17.5%可分别作为柔性芯棒、刚性芯棒、不用芯棒的薄壁度粗略分界评估值。

（4）绕弯机结构确定以后，模具制造和安装调整精度决定的间隙参数都可能对弯管质量，特别是皱波发生倾向有不可忽视的影响。在小批量多品种规格弯管生产中，如果出现皱波，应逐项检查芯棒外径与钢管内径、弯模、压块、防皱块、夹块内径与钢管外径之间的间隙是否过大，芯棒端头及防皱块安装位置是否恰当。对于使用时间较长的设备，还要特别注意检测弯模底部及其传动轴轴径的磨损是否过量。

（5）弯管速度和压块压力大小等操作参数也对弯管皱波有一定影响。适当降低弯模转速或压力有时就能明显减少弯管皱波。但压力调节涉及摩擦和助推方式，要求运行操作人员有足够经验积累。

（6）现行不锈钢管制造标准规定的to、do公差带远大于薄壁弯管所要求间隙精度。某引进技术建造的LNG《运输船用不锈钢管订货说明书》规定以to下公差带为壁厚公差有一定的合理性。但其中所提出的内径圆度公差，因难以实测而缺少实用价值。

（7）船用不锈钢管均按美国标准以长度计价的方式交货，这种交货方式既有助于引导钢管制造厂按壁厚下公差带交货，又有利于增加船舶的有效载重量。国标中保留的按质量计量的交货方式仍有不妥，应早日去除这一保留并彻底以长度计量的交货方式。

（8）不锈钢管的to、do公差带虽可能给薄壁不锈钢弯管造成一些麻烦，但只要遵循合理地选择芯棒型式，注意模具制造安装的调整精度，其影响就不大。这已经被近几年船厂大量应用不锈钢弯管的生产实践所证实。

（9）采用单一刚性芯棒多规格（一种Ro/do或相近Ro/do但多to/do）可调式绕弯机结构和不分钢种的弯管生产方式，虽然可以节约生产作业投资成本，但显然不适合薄壁不锈钢管的弯管，而设置专用带单个或多个球铰的柔性芯棒是很有必要的。这类弯管机芯棒长度不宜太长，芯棒端头宜采用镀铬表面，球体则宜采用w（Al）为5.0%～6.5%的铝青铜， 不宜采用 w（Ze）＞7%、 w（Al）＜2.5%的铝黄铜。

（10）依据to/do和Ro/do确定弯管的薄壁度，用国际流行的弯管诺模图或b=Roto/do2弯管薄壁度可快捷查询绕弯机弯管时所需要的合适的芯棒结构。但因该项图谱选择并未充分考虑间隙及弯管速度等参数的影响，因此，其查询结果仅可作为相对的参考，特别是在诺模图分界线附近的查询结果。例如，对Φ88.9 mm×3.05 mm、Ro/do=2.5的弯管，弯管时采用单球柔性芯棒是较合理的查询结果。但弯管时若采用刚性芯棒，只要严格控制间隙及芯棒端部的安装位置，所制弯管仍然是合格的。

（11）增大压块压力和助推速度会明显减少弯管时拱背的壁厚减薄量，但同时必然会增加拱腹壁厚的增厚量，在薄壁不锈钢弯管时还可能增加皱波。因此，在弯制不锈钢薄壁弯管时应尽可能选择较低的压块压力和助推速度。

（12）薄壁弯管弯制过程中发生在拱腹的皱波现象，其本质是受压塑性变形区抗压刚度不足而造成的压杆失稳折弯 （屈折）。从力学角度分析，合理选择模具参数，尤其是芯棒的结构形式、尺寸及安置位置等，可以提高拱腹区或微弯段按压稳定度（系数），是预防弯管产生皱波的有效措施。

（13）壁厚3.0～3.5 mm、DN100以下的不锈钢焊管难以采用单支成型，且GTAW焊接难以获得理想的焊缝成形质量；采用连续滚轧成型和PAW焊接方法制造焊管又对钢带宽度和切口直度等的要求极高，否则很难达到理想的接口间隙，实现低错边接口的PAW焊接，得到成形稳定的焊缝质量。如何突破这一瓶颈，值得国内有关不锈钢焊管制造厂的关注。

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编辑：谢淑霞

The Wrinkle Problem of Stainless Steel Elbow Pipe and Its Preventive Measures(Ⅱ)

HE Defu1,SU Yongqiang2,RONG Songru1,LUO Jian2
（1.Shanghai Jiuli Industrial&Commercial Development Co.,Ltd.,Shanghai 200135,China;2.Zhejiang Detrans Piping Co.,Ltd.,Huzhou 313103,Zhejiang,China)

TG337.5

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.005

何德孚，男，上海交通大学教授，上海久立焊管研究所所长。

2017-04-19