第七章 彎管部分

第3節(jié)管子的彎曲

基本要求1.掌握管子彎曲時的應(yīng)力分析和變形量計算；2.掌握彎管缺陷產(chǎn)生的主要影響因素；3.熟悉常用彎管的方法；4.了解管件制造的技術(shù)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

第三節(jié)管子的彎曲

3.1管子彎曲應(yīng)力分析和變形量計算3.1.1應(yīng)力和變形分析（自由彎曲）①管子外側(cè)壁管子在彎矩M作用下，軸線外側(cè)管壁受拉應(yīng)力；隨著變形率的增大，拉力逐漸增大，管壁可能減薄、嚴(yán)重時可產(chǎn)生微裂紋；②管子內(nèi)側(cè)壁嚴(yán)重時可使管壁失穩(wěn)產(chǎn)生內(nèi)折皺

受壓應(yīng)力作用，管壁可能增厚

③管子橫截面變形

在Nl與N2作用下，管子橫截面變形；自由彎曲時，變形將近似為橢圓形；半圓槽內(nèi)彎曲，內(nèi)側(cè)基本上保持半圓形外側(cè)變扁。④影響彎管缺陷產(chǎn)生的主要因素a相對彎曲半徑R/dw，它表示彎曲程度。

由：變形率ε＝[dw/(2R)]×100％管子外徑dw越大，彎曲半徑R越小，內(nèi)、外側(cè)的變形率越大。b相對彎曲壁厚δ/dw表示彎曲橫截面的穩(wěn)定性；

壁厚越小，管子直徑越大，彎曲橫截面的穩(wěn)定性越差，越容易失穩(wěn)。

⑵實(shí)際生產(chǎn)中控制管子彎曲變形率的主要方式是控制管子的彎曲半徑。彎曲半徑有關(guān)規(guī)定，對一般受壓≤10MPa的管子，如換熱器U形彎管段的彎曲半徑R≥

2dw；常用換熱器的最小彎曲半徑Rmin如下表：3.1.2管子變形率的控制3.2彎管方法冷彎和熱彎；有芯和無芯彎管；

手工和機(jī)械彎管等多種方法。冷彎和熱彎主要考慮變形的難易程度及防止缺陷產(chǎn)生，直徑較大（dw≥108)、厚壁較大的管等用熱彎。有芯和無芯彎管主要考慮彎管后的形狀、尺寸及防止缺陷產(chǎn)生。手工和機(jī)械彎管效率，質(zhì)量，能力。

3.3控制缺陷的幾種典型方法⑴反變形法——彎管過程管子安裝在彎管機(jī)中，并用夾頭加緊。隨著主動扇形輪的旋轉(zhuǎn)，在扇形輪槽內(nèi)彎管。

注意：壓緊輥具有反變形槽，在彎管前使管子先產(chǎn)生一個預(yù)變形（彎曲實(shí)際變形方向相反）。主動扇形輪（模）壓緊輥導(dǎo)向輥夾頭e在0～12mm間調(diào)整。管子反變形輪槽結(jié)構(gòu)扇形輪槽寬B<dw安裝間隙δ≈1～2mm反變形槽的設(shè)計

⑵有芯彎管法適用于:直徑較大的管子彎曲。特點(diǎn)管子隨扇形輪轉(zhuǎn)動彎曲芯棒固定夾頭導(dǎo)向輥

圓柱式芯棒

特點(diǎn)：形狀簡單，應(yīng)用廣泛。芯棒直徑:取d=(90％)dn;通常比管內(nèi)徑小0.5～1.5mm；長度:L=(3～5)d芯棒伸入彎管區(qū)的距離e管子彎曲點(diǎn)熱彎的加熱及熱彎的特點(diǎn)加熱溫度

碳鋼950～1000℃低合金鋼1050℃18－8型不銹鋼1100～1200℃加熱方法

中頻加熱

3.4管件制造的技術(shù)要求

以換熱管設(shè)計、制造為例。⑴換熱管的拼接須符合下列要求。①同一根換熱管，對接焊縫數(shù)量不得超過下列規(guī)定：直管一條或U形管兩條。②最短管長不得小于300mm。③U形管段(包括至少50mm直管段)的范圍內(nèi)不得有拼接焊縫。④對口錯邊量應(yīng)不超過管子壁厚的15%，且不大于0.5mm。

⑤對接后，焊接接頭進(jìn)行通球檢查，以鋼球通過為合格。通球直徑選?。╩m）換熱管外徑dwdw≤2525＜dw≤40dw＞40鋼球直徑0.75dn0.8dn0.85dn⑥對接焊接接頭應(yīng)作焊接工藝評定。⑦對接焊接接頭應(yīng)進(jìn)行射線檢測

抽查數(shù)量應(yīng)不少于接頭總數(shù)的10%，且不少于一條，以GB3323一87的Ⅲ級為合格。如有一條不合格時，應(yīng)加倍抽查；再出現(xiàn)不合格時，應(yīng)100%檢查。⑧對接后的換熱管，應(yīng)逐根做液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為設(shè)計壓力的兩倍。⑴殼體制造技術(shù)要求GB151-89《鋼制管殼式換熱器》中，對圓筒殼體制造的有關(guān)技術(shù)要求如下：①用板材卷制時，內(nèi)徑允許偏差可通過外圓周長加以控制。外圓周長允許上偏差為10mm，下偏差為零。3.5殼體制造要求與管子管板的連接

②斷面圓度要求

圓筒同一斷面上，最大直徑與最小直徑之差e<0.5%Dn；且Dn≤1200mm時，其值不大于5mm；Dn>1200mm時，其值不大于7mm。③圓筒直線度允許偏差：為圓筒總長L/1000；且L≤6000mm時，其值不大于4.5mm；L>6000mm時，其值不大于8mm。

⑵管子與管板連接連接方式有：脹接、焊接和脹焊連接。脹接過程：

脹管器插入到需要脹接的管口內(nèi)；

加機(jī)械力或液壓力，使管端脹大產(chǎn)生塑性變形，管板孔產(chǎn)生彈性變形；

退出脹管器，管板孔彈性變形恢復(fù)，使管子與管板孔接觸表面上產(chǎn)生很大的擠壓力并緊密結(jié)合；

達(dá)到了密封又能抗拉脫力?！裘浗樱?/p>

前脹后，管子直徑增大，管板孔直徑增大。脹接前管板脹接前管子脹管率就是管子、管板的變形率；就要控制合理的脹管率，保證脹接質(zhì)量。脹管率的計算推薦兩種計算方法：管子內(nèi)徑增大率K；管子壁厚減薄率W。計算脹管率需要測量的數(shù)據(jù)測量管板孔徑D測量脹接前管子外徑dw測量脹接前管子內(nèi)徑d1測量脹接后的管子內(nèi)徑d2計算脹管率的公式管子內(nèi)徑增大率

K=[(d2－dl)－(D－dw)]／D×100%管子壁厚δ減薄率W=[(d2－dl)－(D－dw)]／2δ×100%脹管率的合理值它與脹接接頭的形式、管子的規(guī)格及材質(zhì)、

管板尺寸、材質(zhì)等有關(guān)，不宜做統(tǒng)一要求。例如：20鋼，Φ25×2.5mm鋼管脹接取內(nèi)徑增大率K=0.8%~1.6%,相當(dāng)于壁厚減薄率W=4%~8%。若管子直徑大、管壁薄，脹管率取小值;管子直徑小,管壁厚，脹管率取大值。

過脹a脹管率過大,它可能使管子壁厚減薄量過大，硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，甚至產(chǎn)生裂紋；b還可能使管板產(chǎn)生塑性變形，使脹接強(qiáng)度下降。c過脹后很難修復(fù)。

注意:欠脹

脹管率過小,不能保證必要的連接強(qiáng)度和密封性。

①直徑不大、管壁厚度不大的管子；

②管板材料的力學(xué)性能

(如硬度)應(yīng)比管子材料的高，當(dāng)管子產(chǎn)生塑性變形時，管板仍處于彈性變形階段，以保證脹接的強(qiáng)度；故相同材料不宜脹接。脹接應(yīng)用及特點(diǎn)：

③脹接后管子與管板孔的間隙比焊接的小，提高管端的耐腐蝕性；

④脹接的強(qiáng)度和密封性不如焊接；

⑤脹接不適合管程和殼程溫差較大的場合，脹接強(qiáng)度下降；

⑥脹接表面要求清潔，管板孔表面粗糙度值不大于12.5μm。

脹接增強(qiáng)方法：管板孔內(nèi)開槽；管端翻邊；端部坡口端部坡口開槽位置管端伸出長度適用于管板厚δ≤25mm的脹接形式端部坡口端部坡口兩槽位置管端伸出長度局部未脹接適用于管板厚δ>25mm的脹接形式端部坡口端部坡口兩槽位置管端伸出長度局部貼脹接適用于厚管板及避免間隙腐蝕的脹接形式主要特點(diǎn)

①對不能脹接的管子與管板，可以采用焊接連接；如管子與管板材料相同、小直徑厚壁管、大直徑管及管程和殼程介質(zhì)溫差較大的場合等，

②焊接的強(qiáng)度較高、密封性好；

③管子與管板連接采用的自動脈沖鎢極氬弧焊、效率高、質(zhì)量好；

④但焊接連接的管子與管板孔的間隙較大，容易產(chǎn)生間隙腐蝕。

應(yīng)用比較廣泛?！艉附樱簭?qiáng)度低強(qiáng)度高減小焊接應(yīng)力焊接形式：

適宜于高溫、高壓下工作的換熱器。脹焊工藝：先焊后脹，應(yīng)用較廣泛，要防后脹出現(xiàn)裂紋；先脹后焊，間隙小。脹焊連接同時具備了脹接和焊接的優(yōu)點(diǎn)。◆脹焊：第六節(jié)高壓容器制造高壓容器制造及結(jié)構(gòu)型式單層結(jié)構(gòu)型式多層結(jié)構(gòu)型式以單層卷焊式為主熱套式扁平鋼帶傾角錯繞式層板包扎式單層容器和多層容器制造工藝比較①◆單層容器制造工藝過程簡單、生產(chǎn)效率較高?！舳鄬尤萜鞴に囘^程較復(fù)雜,工序較多,生產(chǎn)周期長。②◆單層容器使用鋼板相對較厚,而厚鋼板的軋制比較困難,抗脆裂性能比薄板差,質(zhì)量不易保證,價格昂貴?！舳鄬尤萜魉娩摪逑鄬^薄,質(zhì)量均勻易保證,抗脆裂性好。③多層容器的安全性高即使個別層板存在缺陷,也不容易延展至其他層板，不會產(chǎn)生瞬時的脆性破壞,。另外,多層容器鉆有透氣孔,可以排出層間氣體,若內(nèi)筒發(fā)生腐蝕破壞,介質(zhì)由透氣孔泄出易于發(fā)現(xiàn)。④由于層間間隙,導(dǎo)熱性小得多,高溫工作時熱應(yīng)力大。⑤層板間隙的存在,環(huán)焊縫處必然存在缺口的應(yīng)力集中

為提高厚壁筒的承載能力,在內(nèi)壁面產(chǎn)生預(yù)壓縮應(yīng)力,達(dá)到均化應(yīng)力沿壁厚分布的目的。多層也采用內(nèi)層預(yù)緊，改善受力。⑥沒有深的縱焊縫,但它的深環(huán)焊縫難于進(jìn)行熱處理。⑦單層厚壁容器在內(nèi)壓作用下,筒體沿壁厚方向的應(yīng)力分布很不均勻,筒體內(nèi)壁面應(yīng)力大、外壁面應(yīng)力小,隨著簡體外直徑和內(nèi)直徑之比的增大,這種不均勻性更為突出。①分段熱套合利用熱套法套合成幾段多層筒節(jié)、再焊環(huán)縫制成整體容器。這種方法技術(shù)成熟,應(yīng)用較廣泛。

1、有兩種熱套形式段熱套合、整體熱套合。一、熱套式容器下料筒節(jié)各層板成型筒節(jié)各層板焊接并加工三層分段熱套合容器(氨合成塔）工藝過程如下：熱套。外層加熱，把內(nèi)層套入再熱套筒節(jié)成形并加工環(huán)坡口筒節(jié)間焊接筒體與封頭焊接②整體熱套合如圖是雙層箍式容器。然后分段熱套外筒先焊好內(nèi)筒全長頂塞底塞外筒之間(軸向)不焊接，容器軸向力完全由內(nèi)筒承受。整體套合不方便特點(diǎn):層數(shù)增多,可以減薄各層圓筒的厚度,提高抗脆性斷裂能力；但會影響筒壁的傳熱,增加制造的復(fù)雜性,費(fèi)用高；以3層較普遍，層數(shù)一般不超過5層,通常各層厚度相同更為方便。

對腐蝕性介質(zhì)，內(nèi)筒采用耐腐蝕的材料。2、熱套層數(shù)要求過盈量取套合直徑的0.1%～0.2%。4、每個套合圓筒上，必須鉆泄放孔。3、過盈量的選擇1、制造工藝

(1)制造內(nèi)筒①板厚為12～25mm，若有防腐要求，可選用不銹鋼板或鈦板；②制造工藝大致同單層容器，但要加工焊縫表面。⑵層板加工

①預(yù)先將層板彎卷成瓦片狀,層板厚6～12mm,國外層板已選12～20mm。二、層板包扎式高壓容器②將預(yù)彎的瓦片狀層板，放在內(nèi)筒上，用鋼絲繩拉緊、點(diǎn)固并焊接縱縫。

(注意縱縫位置要預(yù)先安排好，不能重疊或太近)

③修磨焊縫，準(zhǔn)備下層的包扎。④每層層板包扎后需要進(jìn)行松動面積檢查。GB150中規(guī)定，對內(nèi)徑不大于100Omm的容器,每一松動部位：沿環(huán)向長度不得超過Dn的30%；沿軸向長度不得超過600mm;對于內(nèi)徑大于100Omm的容器,每一松動的部位：沿環(huán)向長度不得超過300mm；沿軸向長度不得超過600mm。

⑤每個多層筒節(jié)上必須鉆泄放孔。

多層包扎式尿素合成塔筒體制造工藝介紹

目前我國制造的尿素合成塔規(guī)格十分繁多，有φ800mm、φ1000mm、φ1250mm、φ1400mm、φ1500mm、φ1600mm、φ1800mm、φ2100mm、φ2200mm、φ2650mm、φ2800mm等，適用于年產(chǎn)4萬噸、8萬噸、11萬噸、12萬噸、16萬噸、21萬噸和52萬噸的尿素生產(chǎn)裝置。

尿素合成塔的操作壓力根據(jù)不同的工藝也不盡相同，主要有21MPa和16MPa兩種系列，操作溫度均小于200℃。

由于尿素合成塔是一種典型的耐壓、耐較高溫度和耐強(qiáng)烈腐蝕的反應(yīng)器；制造質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到正常運(yùn)行，甚至影響到整個尿素生產(chǎn)裝置的安全可靠性。制造廠必須嚴(yán)格按國家標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計、選材、制造和驗(yàn)收，制造竣工后進(jìn)行認(rèn)真的質(zhì)量評議，得到行業(yè)專家的認(rèn)可后才能出廠交付使用。高壓筒體承受著高壓、高溫和強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的作用。其組合形式主要有以下幾種類①單層外殼、復(fù)合板不銹鋼襯里層;②熱套多層殼體，熱套內(nèi)層不銹鋼襯里層;③多層多層包扎焊接殼體，包扎不銹鋼內(nèi)層;④外層多層包扎焊接殼體，內(nèi)筒熱套不銹鋼襯里。

經(jīng)過多年的實(shí)踐和比較，目前用得最多的，最可靠的結(jié)構(gòu)形式有：以不銹鋼作為內(nèi)筒，外層直接包扎焊接多層層板。以南京化工機(jī)械廠尿素合成塔制造工藝為例（公稱直徑1500~1850mm)，簡介其筒體的制造。在制造上，具有許多優(yōu)點(diǎn)：①不需要大型復(fù)雜機(jī)械國內(nèi)許多壓力容器生產(chǎn)廠家都可以制造；②層板逐層焊接各層縱焊縫不重合，相互不影響；③逐層縱縫在圓周上均勻分布收縮應(yīng)力均勻，筒體圓周幾何度均勻。④襯里受緊壓內(nèi)筒工作應(yīng)力大大降低，甚至為壓應(yīng)力，應(yīng)力腐蝕的可能性降低；⑤襯里焊縫在塔外焊接便于進(jìn)行RT檢測和PT檢測，有缺陷時返修方便，可充分保證主焊縫的質(zhì)量。⑥設(shè)置一層過渡層(盲板)

盲層板的縱焊縫——間斷焊、不焊透；

盲層板的內(nèi)壁也開出縱橫交錯的溝槽，作為檢漏通道。在強(qiáng)度計算時，襯里層、盲層板均不計入。層板不接觸介質(zhì)，因此主要考慮強(qiáng)度方面。內(nèi)筒制造Ⅰ內(nèi)筒材料：耐腐蝕，選用厚度為8~10mm的316L不銹鋼。Ⅱ內(nèi)筒的制造工藝過程是:①材料復(fù)驗(yàn)、準(zhǔn)備、下料（詳細(xì)）等離子弧切割下料——按內(nèi)筒中徑展開計算，加焊后收縮量等；下料時必須嚴(yán)格控制板材對角線之差<1mm；②刨邊——刨出內(nèi)筒縱焊縫坡口；③卷圓——冷卷成形；必須在專用的卷板機(jī)上進(jìn)行。避免卷制過程中壓出麻點(diǎn)、劃傷以及鐵離子污染。④組對焊接應(yīng)控制對口錯邊量<1.5mm，并嚴(yán)格按焊接工藝施焊；⑤探傷焊縫100%RT檢驗(yàn)，按JB4730-1994中的I級要求；⑥熱處理:作消除焊接應(yīng)力熱處理；⑦焊縫內(nèi)外表面磨平，并校圓；⑧尺寸檢查檢驗(yàn)員測量內(nèi)筒周長（兩端及中間部分共3處），換算成直徑，記錄于表中，作為盲板層下料的依據(jù)；⑨探傷縱縫作UT復(fù)探和PT檢驗(yàn)，按JB4730-1994中的I級要求；⑩大車筒節(jié)兩端加工平，并以一端作為基準(zhǔn)端，作好標(biāo)記；⑾劃線劃內(nèi)筒檢漏孔線，并將檢漏孔中心線延長到內(nèi)筒端面，作出標(biāo)記，以備層板包扎用；⑿待熱套。制造過程注意事項(xiàng):①卷圓、矯圓內(nèi)筒時必須在專用的卷板機(jī)上進(jìn)行。避免卷制過程中壓出麻點(diǎn)、劃傷以及鐵離子污染。②制造場地和環(huán)境清潔避免鐵素體污染和磕碰劃傷，否則會影響不銹鋼的耐蝕性能。③打磨用含有橡膠氧化鋁的砂輪，打磨時間不應(yīng)太長，避免造成回火色。④不能用普通的粉筆當(dāng)做記號筆在不銹鋼上亂寫亂畫。標(biāo)記移植用的記號筆應(yīng)采用不含氧離子、硫化物的顏料。盲層板制造盲層板主要是保護(hù)內(nèi)筒，只要求可焊性，采用Q235。厚度6~8mm

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在盲層板內(nèi)壁要加工出縱向和環(huán)向榴若干條。的深為2.5mm，寬6mm。盲層板是在平板狀態(tài)時開槽，要在專用的工裝上進(jìn)行?？v向槽深度應(yīng)適當(dāng)控制。過深了、在育層板卷制成圓后會有棱角出現(xiàn)，不利于將來的層板包扎。盲板筒體——卷制盲板層縱縫焊接注:預(yù)熱溫度:100℃;層間溫度≤150℃。盲板層縱縫焊接表4-4盲板層縱縫焊接工序

盲板與不銹鋼內(nèi)筒的熱套工藝：層板的制造材料——16MnR，厚度8~12mm；

層板筒體——瓦片（2~3片）焊接而成。層板可分為兩等分，三等分，四等分。其中兩等分的模具設(shè)計稍顯麻煩，沖壓性能差；四等分會導(dǎo)致焊縫增多，增加工作量。所以，采用三等分比較合適。包扎層瓦片——沖壓制作層板制造工藝過程包扎工藝焊縫位置的設(shè)計多層包扎筒體能夠有效防止單壁容器中，焊縫裂紋缺陷擴(kuò)展到整個筒壁的情況，但是如果焊縫相錯角度設(shè)計不合理，同樣會影響其強(qiáng)度。最佳的焊縫相錯角度時通過計算得來的。

計算得：當(dāng)n=9時，焊縫相錯角度48?最后一層HB層板縱縫焊接檢漏系統(tǒng)筒體組對環(huán)縫焊接注:預(yù)熱溫度:100℃;層間溫度≤150℃;保護(hù)氣體種類Ar(99.99%);端面封焊環(huán)縫焊接材料的選擇（下封頭）19Mn6鋼是德國鋼種，與16MnR鋼屬于同一類碳錳鋼，其含碳量高于16MnR，故焊接性略差于16MnR。

19Mn6化學(xué)成分19Mn6正火溫度890～950℃消應(yīng)力退