第七章 弯管部分

第3节管子的弯曲

基本要求1.掌握管子弯曲时的应力分析和变形量计算；2.掌握弯管缺陷产生的主要影响因素；3.熟悉常用弯管的方法；4.了解管件制造的技术要求和相关标准。

第三节管子的弯曲

3.1管子弯曲应力分析和变形量计算3.1.1应力和变形分析（自由弯曲）①管子外侧壁管子在弯矩M作用下，轴线外侧管壁受拉应力；随着变形率的增大，拉力逐渐增大，管壁可能减薄、严重时可产生微裂纹；②管子内侧壁严重时可使管壁失稳产生内折皱

受压应力作用，管壁可能增厚

③管子横截面变形

在Nl与N2作用下，管子横截面变形；自由弯曲时，变形将近似为椭圆形；半圆槽内弯曲，内侧基本上保持半圆形外侧变扁。④影响弯管缺陷产生的主要因素a相对弯曲半径R/dw，它表示弯曲程度。

由：变形率ε＝[dw/(2R)]×100％管子外径dw越大，弯曲半径R越小，内、外侧的变形率越大。b相对弯曲壁厚δ/dw表示弯曲横截面的稳定性；

壁厚越小，管子直径越大，弯曲横截面的稳定性越差，越容易失稳。

⑵实际生产中控制管子弯曲变形率的主要方式是控制管子的弯曲半径。弯曲半径有关规定，对一般受压≤10MPa的管子，如换热器U形弯管段的弯曲半径R≥

2dw；常用换热器的最小弯曲半径Rmin如下表：3.1.2管子变形率的控制3.2弯管方法冷弯和热弯；有芯和无芯弯管；

手工和机械弯管等多种方法。冷弯和热弯主要考虑变形的难易程度及防止缺陷产生，直径较大（dw≥108)、厚壁较大的管等用热弯。有芯和无芯弯管主要考虑弯管后的形状、尺寸及防止缺陷产生。手工和机械弯管效率，质量，能力。

3.3控制缺陷的几种典型方法⑴反变形法——弯管过程管子安装在弯管机中，并用夹头加紧。随着主动扇形轮的旋转，在扇形轮槽内弯管。

注意：压紧辊具有反变形槽，在弯管前使管子先产生一个预变形（弯曲实际变形方向相反）。主动扇形轮（模）压紧辊导向辊夹头e在0～12mm间调整。管子反变形轮槽结构扇形轮槽宽B<dw安装间隙δ≈1～2mm反变形槽的设计

⑵有芯弯管法适用于:直径较大的管子弯曲。特点管子随扇形轮转动弯曲芯棒固定夹头导向辊

圆柱式芯棒

特点：形状简单，应用广泛。芯棒直径:取d=(90％)dn;通常比管内径小0.5～1.5mm；长度:L=(3～5)d芯棒伸入弯管区的距离e管子弯曲点热弯的加热及热弯的特点加热温度

碳钢950～1000℃低合金钢1050℃18－8型不锈钢1100～1200℃加热方法

中频加热

3.4管件制造的技术要求

以换热管设计、制造为例。⑴换热管的拼接须符合下列要求。①同一根换热管，对接焊缝数量不得超过下列规定：直管一条或U形管两条。②最短管长不得小于300mm。③U形管段(包括至少50mm直管段)的范围内不得有拼接焊缝。④对口错边量应不超过管子壁厚的15%，且不大于0.5mm。

⑤对接后，焊接接头进行通球检查，以钢球通过为合格。通球直径选取（mm）换热管外径dwdw≤2525＜dw≤40dw＞40钢球直径0.75dn0.8dn0.85dn⑥对接焊接接头应作焊接工艺评定。⑦对接焊接接头应进行射线检测

抽查数量应不少于接头总数的10%，且不少于一条，以GB3323一87的Ⅲ级为合格。如有一条不合格时，应加倍抽查；再出现不合格时，应100%检查。⑧对接后的换热管，应逐根做液压试验，试验压力为设计压力的两倍。⑴壳体制造技术要求GB151-89《钢制管壳式换热器》中，对圆筒壳体制造的有关技术要求如下：①用板材卷制时，内径允许偏差可通过外圆周长加以控制。外圆周长允许上偏差为10mm，下偏差为零。3.5壳体制造要求与管子管板的连接

②断面圆度要求

圆筒同一断面上，最大直径与最小直径之差e<0.5%Dn；且Dn≤1200mm时，其值不大于5mm；Dn>1200mm时，其值不大于7mm。③圆筒直线度允许偏差：为圆筒总长L/1000；且L≤6000mm时，其值不大于4.5mm；L>6000mm时，其值不大于8mm。

⑵管子与管板连接连接方式有：胀接、焊接和胀焊连接。胀接过程：

胀管器插入到需要胀接的管口内；

加机械力或液压力，使管端胀大产生塑性变形，管板孔产生弹性变形；

退出胀管器，管板孔弹性变形恢复，使管子与管板孔接触表面上产生很大的挤压力并紧密结合；

达到了密封又能抗拉脱力。◆胀接：

前胀后，管子直径增大，管板孔直径增大。胀接前管板胀接前管子胀管率就是管子、管板的变形率；就要控制合理的胀管率，保证胀接质量。胀管率的计算推荐两种计算方法：管子内径增大率K；管子壁厚减薄率W。计算胀管率需要测量的数据测量管板孔径D测量胀接前管子外径dw测量胀接前管子内径d1测量胀接后的管子内径d2计算胀管率的公式管子内径增大率

K=[(d2－dl)－(D－dw)]／D×100%管子壁厚δ减薄率W=[(d2－dl)－(D－dw)]／2δ×100%胀管率的合理值它与胀接接头的形式、管子的规格及材质、

管板尺寸、材质等有关，不宜做统一要求。例如：20钢，Φ25×2.5mm钢管胀接取内径增大率K=0.8%~1.6%,相当于壁厚减薄率W=4%~8%。若管子直径大、管壁薄，胀管率取小值;管子直径小,管壁厚，胀管率取大值。

过胀a胀管率过大,它可能使管子壁厚减薄量过大，硬化现象严重，甚至产生裂纹；b还可能使管板产生塑性变形，使胀接强度下降。c过胀后很难修复。

注意:欠胀

胀管率过小,不能保证必要的连接强度和密封性。

①直径不大、管壁厚度不大的管子；

②管板材料的力学性能

(如硬度)应比管子材料的高，当管子产生塑性变形时，管板仍处于弹性变形阶段，以保证胀接的强度；故相同材料不宜胀接。胀接应用及特点：

③胀接后管子与管板孔的间隙比焊接的小，提高管端的耐腐蚀性；

④胀接的强度和密封性不如焊接；

⑤胀接不适合管程和壳程温差较大的场合，胀接强度下降；

⑥胀接表面要求清洁，管板孔表面粗糙度值不大于12.5μm。

胀接增强方法：管板孔内开槽；管端翻边；端部坡口端部坡口开槽位置管端伸出长度适用于管板厚δ≤25mm的胀接形式端部坡口端部坡口两槽位置管端伸出长度局部未胀接适用于管板厚δ>25mm的胀接形式端部坡口端部坡口两槽位置管端伸出长度局部贴胀接适用于厚管板及避免间隙腐蚀的胀接形式主要特点

①对不能胀接的管子与管板，可以采用焊接连接；如管子与管板材料相同、小直径厚壁管、大直径管及管程和壳程介质温差较大的场合等，

②焊接的强度较高、密封性好；

③管子与管板连接采用的自动脉冲钨极氩弧焊、效率高、质量好；

④但焊接连接的管子与管板孔的间隙较大，容易产生间隙腐蚀。

应用比较广泛。◆焊接：强度低强度高减小焊接应力焊接形式：

适宜于高温、高压下工作的换热器。胀焊工艺：先焊后胀，应用较广泛，要防后胀出现裂纹；先胀后焊，间隙小。胀焊连接同时具备了胀接和焊接的优点。◆胀焊：第六节高压容器制造高压容器制造及结构型式单层结构型式多层结构型式以单层卷焊式为主热套式扁平钢带倾角错绕式层板包扎式单层容器和多层容器制造工艺比较①◆单层容器制造工艺过程简单、生产效率较高。◆多层容器工艺过程较复杂,工序较多,生产周期长。②◆单层容器使用钢板相对较厚,而厚钢板的轧制比较困难,抗脆裂性能比薄板差,质量不易保证,价格昂贵。◆多层容器所用钢板相对较薄,质量均匀易保证,抗脆裂性好。③多层容器的安全性高即使个别层板存在缺陷,也不容易延展至其他层板，不会产生瞬时的脆性破坏,。另外,多层容器钻有透气孔,可以排出层间气体,若内筒发生腐蚀破坏,介质由透气孔泄出易于发现。④由于层间间隙,导热性小得多,高温工作时热应力大。⑤层板间隙的存在,环焊缝处必然存在缺口的应力集中

为提高厚壁筒的承载能力,在内壁面产生预压缩应力,达到均化应力沿壁厚分布的目的。多层也采用内层预紧，改善受力。⑥没有深的纵焊缝,但它的深环焊缝难于进行热处理。⑦单层厚壁容器在内压作用下,筒体沿壁厚方向的应力分布很不均匀,筒体内壁面应力大、外壁面应力小,随着简体外直径和内直径之比的增大,这种不均匀性更为突出。①分段热套合利用热套法套合成几段多层筒节、再焊环缝制成整体容器。这种方法技术成熟,应用较广泛。

1、有两种热套形式段热套合、整体热套合。一、热套式容器下料筒节各层板成型筒节各层板焊接并加工三层分段热套合容器(氨合成塔）工艺过程如下：热套。外层加热，把内层套入再热套筒节成形并加工环坡口筒节间焊接筒体与封头焊接②整体热套合如图是双层箍式容器。然后分段热套外筒先焊好内筒全长顶塞底塞外筒之间(轴向)不焊接，容器轴向力完全由内筒承受。整体套合不方便特点:层数增多,可以减薄各层圆筒的厚度,提高抗脆性断裂能力；但会影响筒壁的传热,增加制造的复杂性,费用高；以3层较普遍，层数一般不超过5层,通常各层厚度相同更为方便。

对腐蚀性介质，内筒采用耐腐蚀的材料。2、热套层数要求过盈量取套合直径的0.1%～0.2%。4、每个套合圆筒上，必须钻泄放孔。3、过盈量的选择1、制造工艺

(1)制造内筒①板厚为12～25mm，若有防腐要求，可选用不锈钢板或钛板；②制造工艺大致同单层容器，但要加工焊缝表面。⑵层板加工

①预先将层板弯卷成瓦片状,层板厚6～12mm,国外层板已选12～20mm。二、层板包扎式高压容器②将预弯的瓦片状层板，放在内筒上，用钢丝绳拉紧、点固并焊接纵缝。

(注意纵缝位置要预先安排好，不能重叠或太近)

③修磨焊缝，准备下层的包扎。④每层层板包扎后需要进行松动面积检查。GB150中规定，对内径不大于100Omm的容器,每一松动部位：沿环向长度不得超过Dn的30%；沿轴向长度不得超过600mm;对于内径大于100Omm的容器,每一松动的部位：沿环向长度不得超过300mm；沿轴向长度不得超过600mm。

⑤每个多层筒节上必须钻泄放孔。

多层包扎式尿素合成塔筒体制造工艺介绍

目前我国制造的尿素合成塔规格十分繁多，有φ800mm、φ1000mm、φ1250mm、φ1400mm、φ1500mm、φ1600mm、φ1800mm、φ2100mm、φ2200mm、φ2650mm、φ2800mm等，适用于年产4万吨、8万吨、11万吨、12万吨、16万吨、21万吨和52万吨的尿素生产装置。

尿素合成塔的操作压力根据不同的工艺也不尽相同，主要有21MPa和16MPa两种系列，操作温度均小于200℃。

由于尿素合成塔是一种典型的耐压、耐较高温度和耐强烈腐蚀的反应器；制造质量的优劣直接影响到正常运行，甚至影响到整个尿素生产装置的安全可靠性。制造厂必须严格按国家标准和相应的工程标准进行设计、选材、制造和验收，制造竣工后进行认真的质量评议，得到行业专家的认可后才能出厂交付使用。高压筒体承受着高压、高温和强腐蚀介质的作用。其组合形式主要有以下几种类①单层外壳、复合板不锈钢衬里层;②热套多层壳体，热套内层不锈钢衬里层;③多层多层包扎焊接壳体，包扎不锈钢内层;④外层多层包扎焊接壳体，内筒热套不锈钢衬里。

经过多年的实践和比较，目前用得最多的，最可靠的结构形式有：以不锈钢作为内筒，外层直接包扎焊接多层层板。以南京化工机械厂尿素合成塔制造工艺为例（公称直径1500~1850mm)，简介其筒体的制造。在制造上，具有许多优点：①不需要大型复杂机械国内许多压力容器生产厂家都可以制造；②层板逐层焊接各层纵焊缝不重合，相互不影响；③逐层纵缝在圆周上均匀分布收缩应力均匀，筒体圆周几何度均匀。④衬里受紧压内筒工作应力大大降低，甚至为压应力，应力腐蚀的可能性降低；⑤衬里焊缝在塔外焊接便于进行RT检测和PT检测，有缺陷时返修方便，可充分保证主焊缝的质量。⑥设置一层过渡层(盲板)

盲层板的纵焊缝——间断焊、不焊透；

盲层板的内壁也开出纵横交错的沟槽，作为检漏通道。在强度计算时，衬里层、盲层板均不计入。层板不接触介质，因此主要考虑强度方面。内筒制造Ⅰ内筒材料：耐腐蚀，选用厚度为8~10mm的316L不锈钢。Ⅱ内筒的制造工艺过程是:①材料复验、准备、下料（详细）等离子弧切割下料——按内筒中径展开计算，加焊后收缩量等；下料时必须严格控制板材对角线之差<1mm；②刨边——刨出内筒纵焊缝坡口；③卷圆——冷卷成形；必须在专用的卷板机上进行。避免卷制过程中压出麻点、划伤以及铁离子污染。④组对焊接应控制对口错边量<1.5mm，并严格按焊接工艺施焊；⑤探伤焊缝100%RT检验，按JB4730-1994中的I级要求；⑥热处理:作消除焊接应力热处理；⑦焊缝内外表面磨平，并校圆；⑧尺寸检查检验员测量内筒周长（两端及中间部分共3处），换算成直径，记录于表中，作为盲板层下料的依据；⑨探伤纵缝作UT复探和PT检验，按JB4730-1994中的I级要求；⑩大车筒节两端加工平，并以一端作为基准端，作好标记；⑾划线划内筒检漏孔线，并将检漏孔中心线延长到内筒端面，作出标记，以备层板包扎用；⑿待热套。制造过程注意事项:①卷圆、矫圆内筒时必须在专用的卷板机上进行。避免卷制过程中压出麻点、划伤以及铁离子污染。②制造场地和环境清洁避免铁素体污染和磕碰划伤，否则会影响不锈钢的耐蚀性能。③打磨用含有橡胶氧化铝的砂轮，打磨时间不应太长，避免造成回火色。④不能用普通的粉笔当做记号笔在不锈钢上乱写乱画。标记移植用的记号笔应采用不含氧离子、硫化物的颜料。盲层板制造盲层板主要是保护内筒，只要求可焊性，采用Q235。厚度6~8mm

结构特点在盲层板内壁要加工出纵向和环向榴若干条。的深为2.5mm，宽6mm。盲层板是在平板状态时开槽，要在专用的工装上进行。纵向槽深度应适当控制。过深了、在育层板卷制成圆后会有棱角出现，不利于将来的层板包扎。盲板筒体——卷制盲板层纵缝焊接注:预热温度:100℃;层间温度≤150℃。盲板层纵缝焊接表4-4盲板层纵缝焊接工序

盲板与不锈钢内筒的热套工艺：层板的制造材料——16MnR，厚度8~12mm；

层板筒体——瓦片（2~3片）焊接而成。层板可分为两等分，三等分，四等分。其中两等分的模具设计稍显麻烦，冲压性能差；四等分会导致焊缝增多，增加工作量。所以，采用三等分比较合适。包扎层瓦片——冲压制作层板制造工艺过程包扎工艺焊缝位置的设计多层包扎筒体能够有效防止单壁容器中，焊缝裂纹缺陷扩展到整个筒壁的情况，但是如果焊缝相错角度设计不合理，同样会影响其强度。最佳的焊缝相错角度时通过计算得来的。

计算得：当n=9时，焊缝相错角度48˚最后一层HB层板纵缝焊接检漏系统筒体组对环缝焊接注:预热温度:100℃;层间温度≤150℃;保护气体种类Ar(99.99%);端面封焊环缝焊接材料的选择（下封头）19Mn6钢是德国钢种，与16MnR钢属于同一类碳锰钢，其含碳量高于16MnR，故焊接性略差于16MnR。

19Mn6化学成分19Mn6正火温度890～950℃消应力退