陳紅宇 鄭建能 張 進

(1．二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013；2．國家能源極端裝備虛擬制造重點實驗室，四川618013)

彎管是彎頭兩端或一端帶有一定長度的直管，在管路中的主要功能是改變介質(zhì)流動方向，提高管路的柔性、緩解管道振動和約束力、補償熱脹冷縮等[1]。第三代壓水堆核電站的發(fā)電功率均在1000 MW以上，其主管道均采用直管和彎頭、管嘴與管道整體鍛造結構的大型厚壁彎管，形狀復雜，服役時處于高溫、高壓、高速蒸汽沖刷以及酸性介質(zhì)腐蝕的工況[2]，尺寸大，力學性能、抗腐蝕性能以及尺寸精度要求高，制造難度很大。

1 鍛造主管道彎管工藝及彎曲半徑的特點

第三代核電主管道尤其是熱段一般采用彎徑比1.5、厚徑比0.08的大型厚壁彎管，大于101.6 mm(4英寸)的管嘴采用一體化鍛造[3]。根據(jù)國內(nèi)外制造企業(yè)目前的技術能力、裝備能力以及技術要求，第三代核電鍛造主管道彎曲成形主要采用模壓彎管和中頻彎管成形，模壓彎管包括冷模壓彎管工藝和熱模壓彎管工藝，各制造企業(yè)基于各自裝備能力和技術儲備情況，采用三種工藝方法均能夠制造出滿足設計要求的產(chǎn)品，其中冷模壓彎管和中頻彎管成形制造的產(chǎn)品已經(jīng)服役并平穩(wěn)發(fā)電。

1.1 冷模壓彎管工藝

模壓彎管過程是包括幾何非線性、材料非線性和接觸非線性的復雜過程，在模壓彎管成形過程中，通過成形上模和成形下模施加力矩使管材外腹拉伸、內(nèi)腹壓縮，從而得到需要的彎曲半徑和彎曲角度。冷模壓彎管工藝的優(yōu)勢在于彎曲成形過程便于操作和檢測，彎曲過程晶粒不會長大；冷彎的缺點在于彎曲過程中要產(chǎn)生較大的變形抗力，回彈量大，成形過程需要較大噸位的壓機和強度較高的模具；由于彎曲過程成形力大，彎管內(nèi)部需要填充足夠強度的成形芯模，否則，彎管處的橢圓度將會超標。

冷模壓彎管過程中，彎曲半徑和壁厚存在以下規(guī)律：

F=σA

(1)

σ=kεn

(2)

ε=ln(1+δ)

(3)

eε=1+δ

(4)

A=A0/(1+δ)

(5)

F=σA=kεnA0/(1+δ)=kA0εn/eε

(6)

式中，F(xiàn)為變形抗力，σ為變形后的真應力，A為變形后的截面積，A0為原始截面積(常數(shù))，n為材料形變硬化指數(shù)，k為變形常數(shù)，ε為真應變，ε由彎徑比R/D決定。

對于316LN超低碳奧氏體不銹鋼，材料形變硬化指數(shù)n約為0.59，根據(jù)公式(6)，對εn和eε分別求導，當nε1-n=eε時，ε=0.182，即R=2.5D時，冷彎成形過程強度的增加和截面的減少比率相等。表現(xiàn)為當R≥2.5D時，冷彎成形過程強度的增加量大于等于截面的減少量，變形后的σA增大，變形后不再繼續(xù)變形，表現(xiàn)為變形后壁厚均勻；當R<2.5D時，冷彎成形過程強度的增加量小于截面的減少量，變形后的σA小于原始的σA，變形后要繼續(xù)變形，表現(xiàn)為先變形的區(qū)域壁厚小，后變形的壁厚大。即，當R≥2.5D時，彎曲成形后彎曲段整體壁厚均勻；當R<2.5D時，彎曲成形后彎曲段最先變形的區(qū)域壁厚最小，逐步增加過渡到直段壁厚。根據(jù)以上分析，當R≥2.5D時，彎曲成形后彎曲段整體壁厚均勻，變形均勻，表現(xiàn)為彎曲半徑均勻；當R<2.5D時，彎曲成形后彎曲段中間壁厚最小，逐步增加過渡到直段壁厚，表現(xiàn)為中間彎曲半徑小，逐步向兩端增加，半徑不均勻。

1.2 熱模壓彎管工藝

熱模壓彎管工藝的優(yōu)勢在于彎曲過程中管坯基本是完全的塑性變形，彎曲成形后回彈小，通過后續(xù)的整形，彎曲半徑和彎曲角度控制精度高；缺點是坯料在反復加熱過程中晶粒會長大，發(fā)生變形的部位和未發(fā)生變形的部位晶粒差別大，直段未變形區(qū)域的晶粒度長大甚至可能超標；采用熱彎時管坯內(nèi)無法填充成形芯模，使工件產(chǎn)生較大橢圓度，需要做多次校圓處理。

熱模壓彎管工藝由于需要多次壓彎和校橢，選用的鍛坯彎曲部分直徑要大于彎曲后的直徑，由于彎曲過程變形量大，需要分為多次壓彎成形，否則成形后的橢圓度無法滿足要求。在壓彎工序后，需要進行橢圓度整形、結構尺寸整形，需要一系列彎制和整形模具[4]，對模具和操作要求極高，制造周期長。

1.3 中頻彎管工藝

采用中頻彎管工藝成形時需使用專用的中頻彎管機，中頻彎管機通過感應導電圈加載中頻電流產(chǎn)生交變磁場，在管件本體引發(fā)感應電流，通過感應電流加熱需要彎曲的部位。彎管時管件前端通過夾頭固定在轉(zhuǎn)臂上，支撐輪固定管件的軸線位置，保證管件、感應導電圈及夾頭同心。感應導電圈將管件局部加熱到800～1200℃，后部液壓油缸推動工件，通過前夾頭與支撐輪對管件運動的限制形成彎曲力矩，該彎曲力矩使管件繞回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，一邊加熱、一邊彎曲，從而將管件彎曲成所需要的彎曲半徑和彎曲角度。管件加熱部分在彎曲后利用感應導電圈上的噴水裝置對管件進行噴水急冷，提高非彎曲部位的強度來保持管件的截面形狀。

第三代核電主管道一般采用彎徑比1.5的大型厚壁彎管，由于外徑、壁厚較大，需要大功率的專用中頻彎管機。彎管過程內(nèi)腹增厚、外腹減薄變形約33%，彎管過程無法進行芯模支撐，彎曲成形后橢圓度較大。由于彎管過程變形量較大，變形區(qū)域集中在彎頭部位，成形后增厚、減薄量較大，內(nèi)腹壓縮變形大，容易出現(xiàn)較大的凸凹。此外，當一體化管嘴靠近彎曲段時，由于一體化管和加熱感應導電圈、支撐輪發(fā)生干涉，無法進行中頻彎管操作。

2 鍛造主管道彎曲半徑測量方法及分析

2.1 三種成形方法的彎曲半徑特點

在實際使用過程中，彎管內(nèi)孔彎曲半徑對流量具有實際意義，外圓的彎曲半徑對設備的布置具有意義。由于內(nèi)孔彎曲半徑難以直接測量，技術規(guī)范一般要求測量彎曲段外圓的彎曲半徑。由于彎曲段存在橢圓度且內(nèi)腹、外腹存在壁厚不均的問題，即使外圓是均勻的彎曲半徑，內(nèi)孔半徑也不是均勻的，因此ASME標準和RCC-M標準對彎管的彎曲半徑?jīng)]有強制性要求，工程應用時對功能的影響也不大。

對于冷彎成形的彎管，當R≥2.5D時，內(nèi)外圓彎曲半徑較為均勻；當R<2.5D時，內(nèi)外圓彎曲半徑不均勻。對于熱彎成形和冷彎成形的彎管，雖然可以通過校正外圓將彎曲半徑校正為規(guī)則形狀，由于壁厚的不均勻，內(nèi)孔彎曲半徑也是不均勻的。對于中頻彎管成形的管道，由于彎管內(nèi)腹存在凸凹缺陷，彎曲半徑更難以準確測量。

2.2 彎曲半徑測量方法及優(yōu)缺點分析

2.2.1 外腹、內(nèi)腹圓弧輪廓擬合計算法

(1)檢測方法介紹

使用激光跟蹤儀采集彎曲段外腹、內(nèi)腹側母線輪廓線數(shù)據(jù)，利用兩端直段外圓數(shù)據(jù)擬合中心軸線構建平面，此平面則是測量基準面；利用彎曲段外腹、內(nèi)腹側母線輪廓線上的點分別擬合計算內(nèi)輪廓與外輪廓的圓弧半徑R內(nèi)、R外，之后通過(R內(nèi)+R外)/2計算得到彎曲半徑實際值。擬合計算點位圖見圖1。

圖1 擬合計算點位圖Figure 1 Fitting calculation point map

(2)優(yōu)缺點分析

該方法是彎曲半徑的直接測量方法，便于操作，便于理解。在外腹、內(nèi)腹側母線為均勻彎曲半徑時，該方法測得的外腹、內(nèi)腹半徑同心；對于外腹、內(nèi)腹側母線為不均勻彎曲半徑時，內(nèi)外輪廓線上的點擬合的圓心很可能不重合，在外腹、內(nèi)腹不同心的情況下通過(R內(nèi)+R外)/2計算彎曲半徑，該彎曲半徑難以反映實物的真實尺寸。此外，對于內(nèi)腹存在凸凹缺陷的彎管，內(nèi)腹彎曲半徑難以測量。

圖2 無圓心圓弧彎曲半徑測量尺Figure 2 Measuring ruler for bending radius of arc without center of circle

2.2.2 彎曲半徑測量尺測量方法

(1)檢測方法介紹

上海核工程研究設計院施永兵、徐臻、陳敏等提出采用彎曲半徑測量尺測量彎曲半徑的方法[5]，其基本原理是將彎曲段內(nèi)腹、外腹側母線均分為若干個圓弧段，利用圖2無圓心圓弧彎曲半徑測量尺測量每段圓弧的弧高H，結合左支腿或右支腿到橫梁中心的距離W，根據(jù)公式(7)計算每個圓弧段的半徑，每個圓弧段的半徑測量后計算平均值。

(7)

(2)優(yōu)缺點分析

該方法提供了大型彎管彎曲半徑測量的另一種思路，是一種方便實用的測量方法。在外腹、內(nèi)腹側母線為均勻彎曲半徑時，測得的外腹、內(nèi)腹半徑較為準確；在外腹、內(nèi)腹側母線為不均勻彎曲半徑時，仍然存在內(nèi)外腹半徑圓心不重合的問題，此外，圓弧劃分的方式不同，測量的彎曲半徑也會存在偏差，對于內(nèi)腹存在凸凹缺陷的彎管，內(nèi)腹彎曲半徑同樣難以測量。

2.2.3 利用直段確定圓心的擬合計算法

(1)檢測方法介紹

二重(德陽)重型裝備有限公司陳紅宇、張進、余蘇提出利用直段確定圓心的擬合計算法[6]，其基本原理是采用激光跟蹤儀采集直段外圓和彎曲段內(nèi)外腹側母線輪廓點，利用兩端直段外圓擬合中心軸線構建平面；之后作直段中心線對應的輔助平行線，交匯得到彎曲段圓心，平行線距離作為彎曲半徑名義值R；計算內(nèi)外腹側母線輪廓點到圓心的距離，計算內(nèi)腹、外腹彎曲半徑均值，利用內(nèi)腹、外腹彎曲半徑均值計算彎管的彎曲半徑。

(2)優(yōu)缺點分析

本方法通過作平行于直段中心線的輔助平行線確定內(nèi)腹、外腹圓心，交點唯一，內(nèi)外圓弧同心；通過直段確定彎管的彎曲角度后，由圓心向直管段中心線做垂線，垂線即為圓弧邊界，使計算使用的數(shù)據(jù)點和圓弧實際區(qū)域一致；采用本方法測量的彎曲半徑，不受人員、設備因素的影響，即使對于內(nèi)腹存在凸凹缺陷的彎管，也能夠進行測量，檢測結果唯一。本方法的缺點是先按照彎曲半徑名義值確定圓心，若實際彎曲半徑和名義彎曲半徑偏差較大時，會將實際的直段或彎曲段按照圓弧計算，帶來測量偏差。

3 結束語

冷模壓彎管工藝、熱模壓彎管工藝和中頻彎管工藝是目前第三代核電鍛造主管道制造采用的主要工藝方法，三種工藝方法均能夠制造滿足設計要求的產(chǎn)品。通過對采用三種工藝方法制造的產(chǎn)品彎曲半徑特點和半徑測量方法進行分析，表明利用直段確定圓心的擬合計算法測量的彎曲半徑內(nèi)外圓弧同心、檢測結果再現(xiàn)性強，是更為合理的測量方法。