第5章　彎頭

5.1　概述

彎頭（elbows）是流體輸送管道中不可或缺的重要組成部件，主要用于安裝空間位置受限制，管線密集度大的管道輸送站場、油氣田集輸站場、煉化、化工、船舶及發電裝置等管線集中場合，用于改變流體的流動方向及管線的走向。

彎頭與彎管的主要區別如下。

①彎頭是標準件，彎頭的曲率半徑分為1DN、1.5DN、3DN，角度分為：30°、45°、90°、180°四個標準值；彎管是非標準件，其曲率半徑一般≥3DN，彎曲角度為0°～180°區間任意值。

②彎頭兩端一般沒有直管段，彎管至少一端應有直管段才能加工。

③兩者的制造工藝不盡相同。有時人們對彎管和彎頭不加以區分，統稱為彎頭。

常用彎頭成形方法見表1-5-1。

彎頭采用的原材料包括金屬管和金屬板。彎頭按加工方式分為：推擠彎頭（分為熱推擠、冷推擠）、壓制彎頭（分為鋼管壓制彎頭、鋼板壓制焊接彎頭）；按曲率半徑分為：短半徑彎頭（1DN）、長半徑彎頭（1.5DN）和3DN半徑彎頭；按焊縫有無分為：無縫彎頭和焊接彎頭；按彎曲角度分為30°、45°、90°和180°彎頭以及等徑彎頭和異徑彎頭。一般情況下，應優先采用長半徑彎頭，而短半徑彎頭多用于安裝位置空間尺寸受限制的場合。當選用短半徑彎頭時，其最高工作壓力不宜超過同規格長半徑彎頭的0.8。有時為了緩和流體在變向處的沖刷、摩擦和動能，就會采用R=3DN的彎頭。

彎頭的基本尺寸應符合GB/T 12459《鋼制對焊無縫管件》、GB/T 13401《鋼板制對焊管件》、SY/T 0609《優質鋼制對焊管件規范》、SY/T 0510《鋼制對焊管件規范》的要求；結構強度及其他尺寸計算應遵循GB 50251《輸氣管道工程設計規范》、GB 50253《輸油管道工程設計規范》、ASMEB31.8《輸氣和配氣管道系統》等設計規范。

5.2　推擠彎頭

推擠彎頭是借助普通壓力機、液壓機或彎頭推制機，并利用專用模具裝置對管材進行擠擴或擠彎的工藝方法，分為熱推擠彎頭和冷擠壓彎頭。

5.2.1　熱推擠彎頭

熱推擠彎頭的工作原理如圖1-5-1所示，就是在專用的彎頭推制機上，把一段段金屬管坯套在專用的芯棒上，在外力作用下推動金屬管坯沿芯棒向前移動，在芯棒開始變形區域對金屬管進行加熱，使金屬管坯按芯棒的形狀擴變成需要的彎頭。由于管坯受推力和芯棒阻力的共同作用，使管坯產生周向擴張和軸向彎曲變形，從而使小直徑的管坯推擴成較大直徑的彎頭。

由于管坯內側比外側加熱溫度高，在推擠過程中內側金屬向兩側流動，使金屬得到重新分布，因此只要選擇合適的管坯，就能夠推擠出管壁厚度與原管坯壁厚大致相等且壁厚均勻一致的彎頭。

采用芯棒熱推擠工藝推擠彎頭時，彎頭彎曲角度應小于或等于180°。

管坯除了采用火焰加熱外，還可以采用特制的中頻感應加熱圈進行加熱（見圖1-5-2），加熱溫度：碳鋼為750～850℃，不銹鋼約為900℃。理想的加熱溫度應該是出口端溫度較高，始擴段溫度較低，中間逐漸過渡。

管坯尺寸的確定和推擠力的計算見表1-5-2。

在熱推擠彎頭時，為了降低單位熱擠壓力、減小管坯與芯棒之間的摩擦、延長芯棒的使用壽命、提高彎頭內表面質量，應對管坯內表面進行潤滑處理。潤滑處理方法為：用40#～50#機油混合石墨粉攪拌均勻，然后均勻涂抹在管坯的內表面上，能保證熱推擠過程中有良好的潤滑作用。

芯棒是熱推擠彎頭裝置中最關鍵的零件，按其結構形式分為單半徑芯棒和雙半徑芯棒兩種，單半徑芯棒形狀簡單，加工方便，使用較為廣泛；雙半徑芯棒變形阻力小，推擠容易，有利于金屬的重新分配，因其形狀復雜，不易加工制造，故生產中使用較少。但考慮到為使芯棒更有利于金屬材料的流動，一般根據生產實際對單半徑芯棒進行試驗修正后使用。在生產中，由于受溫度、材料、環境等的影響，要根據實際生產的前幾個彎頭的檢測尺寸對芯棒進行修磨，以提高產品的一次合格率。芯棒的結構形式及尺寸見表1-5-3。

注：D—彎頭外徑；t—彎頭壁厚；D0—管料外徑；t0—管料壁厚；ρ—彎頭中心層彎曲半徑；d—芯棒出口端直徑（即彎頭內徑）；d0—芯棒起始端直徑（即管料內徑）；L1—芯棒直段長度；R0—單半徑芯棒中心層彎曲半徑（或雙半徑芯棒后彎曲段中心層彎曲半徑）；—雙半徑芯棒前彎曲段中心層彎曲半徑；R1—雙半徑芯棒后彎曲段內側半徑；R2—雙半徑芯棒后彎曲段外側半徑；—雙半徑芯棒前彎曲段內側半徑；—雙半徑芯棒前彎曲段外側半徑；c—雙半徑芯棒兩半徑圓心距。

芯棒在熱推擠過程中要求高溫、耐磨損，因此要選用適合的芯棒材料。對于碳鋼彎頭，當管坯內徑大于65mm時，通常采用2Gr13材料制造芯棒；當管坯內徑小于65mm時，則采用Cr25Ni20Si2材料制造芯棒；對于不銹鋼和耐熱鋼彎頭，無論管內徑多大，皆采用Cr25Ni20Si2材料制造芯棒。

由于不同直徑、不同壁厚、不同曲率半徑的彎頭需要的芯棒不同，而且熱推擠后的彎頭大都需要采用專用的整形胎進行整形處理，因此熱推擠彎頭適用于大批量、連續生產，特別對于大口徑彎頭的生產，由于芯棒重量、體積很大，不論是對芯棒的安裝、修磨、加熱都需要較長的時間。

熱推擠彎頭采用無縫鋼管或直縫鋼管作為原材料，若使用直縫鋼管推擠彎頭時，其焊縫應放置在內弧受壓位置或按GB/T 13401的要求。

5.2.2　冷擠壓彎頭

冷擠壓彎頭是利用金屬受力時的可流動性，在室溫下將鋼管料坯壓入帶有彎曲形槽的型模內，形成兩端沒有直管段的彎頭或一端帶有直管段的彎曲件。

冷擠壓彎頭一般需配備普通壓力機和擠壓彎曲模具，擠壓彎頭模具如圖1-5-3所示，由壓柱1、導向套2、兩個對中合并的彎曲模4組成。擠壓彎曲時，把管坯放在導向套中定位，通過壓力機壓下壓柱，壓柱推壓管坯，強迫管坯進入彎曲模中擠壓彎曲成形，管坯在擠壓彎曲過程中不僅受彎曲力矩的作用，還受軸向力和與軸向力方向相反的摩擦力作用，使中性層向外側偏移，從而大大改善了彎曲外側的壁厚減薄量和橫截面圓度，為彎頭成形質量提供了有利的變形條件。

冷擠壓彎頭適用于較小彎曲半徑的彎頭，可彎制的最小相對彎曲半徑R/D≈1.3，彎頭的橫截面圓度小于3％，外側的壁厚減薄率小于9％。彎頭擠壓裝置結構簡單，不需要專門設備，生產效率較高，這是冷擠壓彎頭的顯著優點。但冷擠壓彎頭一般要求管材的相對壁厚t/D>0.06，否則鋼管會由于鋼性差而喪失穩定性，導致管件的內弧側起皺或使管件扭曲。

當要求擠壓相對壁厚t/D<0.06的管材時（需要管材有較好的塑性），需要增加通球擴定徑工序，即在擠壓成形的半成品管內依次放入表面光滑的實心鋼球，鋼球直徑從小到大，再從大到小，用壓柱依次把鋼球壓入，擠出即可，鋼球表面應涂刷40#～50#機油，以增加擠壓時的潤滑作用。

為了降低單位冷擠壓力、延長模具使用壽命、提高彎頭表面質量，應對管坯表面進行潤滑處理。潤滑處理方法為：在管坯表面涂刷40#～50#機油，再均勻涂抹上一層石墨粉，能保證加工過程中有良好的潤滑作用。

5.3　鋼管壓制彎頭

在石油化工、鍋爐制造業、造船業等工業中，常用到不同材料、不同規格的彎頭，這些彎頭的截面中心層彎曲半徑一般為管子外徑的1倍或1.5倍。

壓制彎頭就是采用模具和彎頭外形相同和相近的上、下模壓制成形。在壓制過程中，為了提高管子的塑性變形和減小變形抗力，對于碳鋼彎頭和合金鋼彎頭，一般都是采用熱壓成形，但對于不銹鋼彎頭，由于不銹鋼始鍛溫度區間小，同時不銹鋼中的合金元素在高溫加熱過程中易燒損，因此一般都是采用冷壓成形。

圖1-5-4所示為在壓力機上使用模具壓制90°彎頭的示意圖，圖1-5-4中1是下模，是彎頭外圓弧面的造型模腔，圖中4是上模，是彎頭內圓弧面的造型模腔，上下模壓合后，就組成了壓制彎頭的外形輪廓。為了防止管子彎曲時橫截面變為橢圓形和內側壁出現折皺，壓制前管內放入了芯子5，芯子是由兩半組成并放在管子內徑正中，其上端起壓制彎頭內圓弧面的作用，下端起壓制彎頭外圓弧面的作用，圖中3稱為馬蹄模，是控制彎頭管口圓度、保證管口不起皺的重要工具，馬蹄模裝在管口處并插入管節內，馬蹄模的“豁口”貼合在芯子平臺面上，壓制時可以驅動芯子下壓，使芯子底圓弧面與管子的外圓弧面貼合，管子的外圓弧面又與下模貼合。馬蹄面同上模配合，可使管子內弧兩側部分形成所要求的圓弧面。

鋼管壓擠分為內支承和無支承壓擠兩種形式，內支承（見圖1-5-4）使用在薄壁、半徑較小的場合；而無支承（見圖1-5-5）使用在厚壁、半徑較大的場合。

為了保證管口的圓度，提高彎頭的質量，對壓制成形的彎頭要進行整形處理。

當壓制90°彎頭時，其管坯尺寸（見圖1-5-6）可按表1-5-4中公式計算。

在熱壓擠彎頭時，為了降低單位熱擠壓力、減小管坯與模具之間的摩擦、延長模具的使用壽命、提高彎頭外表面質量，應對模具表面進行潤滑處理。潤滑處理方法為：用40#～50#機油混合石墨粉攪拌均勻，然后均勻涂抹在模具的內表面上，能保證熱推擠過程中有良好的潤滑作用。在壓擠開始前和壓制過程中，應用壓縮空氣吹掃下模具內的雜物和脫落的氧化皮，以減少壓制時對彎頭外壁的損傷。

鋼管壓制彎頭的角度一般不宜超過90°，適用于電廠、鋼廠、核電站等使用彎頭壁厚較厚的場合。

5.4　鋼板制熱壓彎頭

鋼板制熱壓彎頭是長輸油氣管道中重要的壓力管道元件之一，用于改變流體的走向，常用在大口徑管道閥室、站場等相對狹窄的場所。

5.4.1　鋼板制熱壓彎頭的基本原理

由于鋼板制熱壓彎頭通常用于高壓、厚壁、大口徑管道，在室溫下很難進行冷壓成形，根據高溫時金屬變形抗力較小的特點，鋼板制熱壓彎頭采用熱壓成形，以鋼板為原料，經過扇形鋼板坯料切割、爐內高溫加熱、大型機械手抓取轉運至大型壓力機，再經壓力機配合彎頭上、下模具持續下壓高溫的鋼板坯料，迫使熱金屬在上下模具所預留的空間內做外緣內外翻邊流動（即內弧側拉伸流動、外弧側壓縮流動）而最終成形彎頭半片，然后利用專用設備對彎頭半片進行整形、銑削坡口、組對、點焊，最后由專用的焊接設備將兩組對好的彎頭片焊接成形，形成彎頭坯料，彎頭坯料經熱處理、管端坡口、檢測檢驗等工序最終成形為符合外觀尺寸和力學性能要求的彎頭產品。

5.4.2　鋼板制熱壓彎頭的特點

與上面三種彎頭采用鋼管作為坯料的變形特點不同，由于采用了鋼板作原材料，切割成形的初始坯料為扇形結構（或近似扇形），加熱的扇形料坯在彎頭模具上熱壓制時，其變形過程實質是外緣翻邊變形，其外弧邊為壓縮類翻邊、內弧邊為伸長類翻邊，中間軸線不變形。壓縮類翻邊在翻邊變形區內產生壓應力，易起皺。伸長類翻邊在翻邊變形區內產生拉應力，易破裂。其應變分布及大小決定于產品的結構形狀（如彎頭管徑、曲率半徑等）。變形程度E用下式表示。

E=D（α-sinα）/（2R-Dα）（-π/2≤α≤π/2）

式中　R——彎頭曲率半徑，mm；

D——彎頭外徑，mm；

α——彎頭截面水平半圓角度（中間軸線為0，外弧為正，內弧為負）。

由公式和圖1-5-7知：外弧側受壓縮向內弧方向翻邊，鋼板受擠壓而壁厚增厚，容易起皺，起皺的程度和坯料加熱溫度、鋼板厚度有關；內弧側受拉伸向外弧方向翻邊，鋼板受拉伸壁厚減薄，容易破裂。由于外弧側受壓縮，內弧側受拉伸，原材料下料時需根據彎頭的曲率半徑、角度、厚度增加外弧側的長度，減小內弧側的長度，以提高材料利用率。

鋼板壓制彎頭采用上下兩半片彎頭在內弧邊緣和外弧邊緣進行焊接的形式組對在一起，如圖1-5-7（b）所示，形成雙焊縫焊接結構彎頭。

5.4.3　鋼板壓制彎頭用設備及模具

鋼板壓制彎頭用設備包括：原料切割機（或采用氧氣+乙炔人工切割）、坯料加熱爐、鍛壓操作機（或大型叉車）、大型壓力機、彎頭上下壓模、母線切邊機、上、下弦焊接機、管端切割機、管端坡口機等，當彎頭需要熱處理時，還需熱處理加熱爐、淬火槽、冷卻水循環及冷卻設備、回火爐等。

（1）原料切割機　原料切割機是一種大型數字控制自動化切割機，通過輸入圖紙圖形給切割機數據庫，該設備就可以按圖形的尺寸進行精確切割下料，排除了人為干擾因素，保證了下料尺寸的統一性和準確性。

（2）坯料加熱爐　坯料加熱爐是用于對坯料進行加熱的大型加熱爐，此種加熱爐由于爐膛容積大、要求溫度高，大多采用燃氣或原油加熱，底盤采用固定或移動形式，爐門采用垂直升降隔熱門，爐體采用高溫耐火磚+保溫材料+鋼架結構，一般設計的最高加熱溫度在1000℃以上，以保證適應不同材質對加熱溫度的需求。

（3）鍛壓操作機　鍛壓操作機是把要加熱的坯料放入高溫爐內，加熱完畢后再從高溫爐內取出放入模具上的一種設備，適用于底盤采用固定形式的坯料加熱爐和底座不移動的壓力機，該設備可180°旋轉、垂直升降，具有移動速度較快、前端耐高溫等特點，能夠快速、安全地把高溫坯料進行轉移，減少了坯料運轉時溫度的過多損失。

（4）大型壓力機　大型壓力機是給坯料壓制變形時提供動力的設備，由于大口徑、高鋼級、厚壁彎頭壓制變形所需的壓力很大，國內現有的大型壓力機大都在3000t以上，大都采用四柱導向、大工作臺面、多液壓缸、大行程、下臺面移動的形式。

（5）彎頭上下壓模　彎頭上下壓模是彎頭基礎成形的核心部件，在壓力機的作用下，通過上、下模的合模壓制，扇形的坯料就變形為彎頭的基礎坯料。上模和下模配合壓制，使扇形坯料發生塑性變形，形成和彎頭形狀相當的半片彎頭坯料。模具一般用鑄鋼鑄造，通過熱處理后，再經過機械加工制成，最后經過反復磨削修理而成。

（6）母線切邊機　經過熱壓制完成的半片彎頭坯料，用母線切割機進行加工余量的切割和焊接坡口的加工。該設備分為切割和坡口兩個加工工序，切割一般采用氧氣+乙炔的方法切除多余的加工余量，然后采用銑刀按標準要求加工焊接坡口。

（7）上下弦焊接機　兩個銑好坡口的半片經過對焊組成一個完整的彎頭，對焊彎頭采用X形坡口形式，采用雙面埋弧焊焊接，焊縫位置如圖1-5-7（b）所示，即在彎頭的最外弧和最內弧處，焊接時需在外弧、內弧的內外四個位置進行焊接，而且不同彎頭焊接時運行的曲率弧線不同，上下弦焊接機就是為適應鋼板制彎頭的焊接而設計制造的專用設備，該設備由彎頭固定機構、旋轉驅動機構、焊接機構組成，分為上弦焊接機和下弦焊接機。上弧焊接時，把點焊好的彎頭固定在上弦焊接機上（此時彎頭內弧向下），焊接機構固定，依靠旋轉機構帶動彎頭轉動進行焊接，上弦焊接機可一次焊接完成外焊縫的外側焊道和內焊縫的內側焊道；同樣下弦焊接機焊接時（此時彎頭外弧向下）可一次焊接完成外焊縫的內側焊道和內焊縫的外側焊道。

（8）管端切割機　組對好的彎頭其管端的平整度一般相差很大，且有不小的加工余量。管端切割機就是按照畫的切割線把彎頭兩端口的多余部分切割下來的設備。一般采用氧氣+乙炔的切割方法，分為彎頭轉動+割槍固定和彎頭固定+割槍轉動兩種方式，前者是把彎頭安裝在一旋轉轉臺上，使切割線在一平面內，把割槍嘴對準切割線，旋轉轉臺，切割管端，用于口徑較小、壁厚較薄的彎頭。后者是把彎頭安裝在一固定平臺上（有的平臺可以旋轉90°或平移），彎頭一端或兩端有與端口平面平行的轉盤，轉盤上固定有割槍，旋轉轉盤就可以切割管端，用于口徑較大、壁厚較厚的彎頭。

（9）熱處理加熱爐　熱處理加熱爐用于彎頭淬火時加熱，該設備要求加熱溫度高，溫度偏差小，有時可以和坯料加熱爐共同使用。

（10）淬火槽及淬火介質　淬火槽是存放冷卻介質的大型容池，用于彎頭淬火時的急冷，冷卻介質一般為水，有時為了增強冷卻效果，采用較高濃度的鹽水。淬火槽中的冷卻介質一般采用循環流動的方式，和冷卻水循環系統及冷卻設備連接在一起，進行有效降溫。

熱處理爐、管端坡口機與彎管用輔助設備的作用相同。

鋼板制彎頭的加工極限條件包括：加熱爐加熱溫度極限、壓力機極限、彎頭成形極限。

加熱爐加熱溫度極限是指加熱爐實際的最高加熱溫度值（這里包括坯料加熱爐和熱處理加熱爐），扇形坯料熱壓時其加熱溫度一般需達到奧氏體區溫度，而熱處理加熱爐也需要達到熱處理需要的最高溫度，因此加熱爐的加熱溫度極限直接限制著不同規格、不同材質鋼板制彎頭加工生產。

壓力機極限是指壓力機的最大工作壓力和工作臺面的最大尺寸及行程。壓力機的壓力及工作臺面尺寸決定了所能加工彎頭的最大直徑、曲率半徑和壁厚，最大行程表征了壓力機的最大開口尺寸，決定了壓力機所能加工彎頭的最大直徑。因此壓力機的選用必須根據設計要求的最大彎頭直徑、壁厚、半徑選擇。

彎頭的成形極限是指成形時彎頭所能達到的最小相對曲率半徑和最小相對壁厚，由GB/T 13401知：鋼板制彎頭的曲率半徑分為1D、1.5D、3D，實踐經驗知：1D彎頭的最小相對壁厚t/D≥0.01，否則成形時內弧會開裂或減薄嚴重，外弧嚴重起皺。

5.4.4　制造工藝

（1）鋼板壓制對焊彎頭的工藝流程（見圖1-5-8）

（2）原材料檢驗及驗收　鋼板的厚度、規格根據需要直接定制，進廠后按照驗收程序及標準驗收，檢驗合格后投入生產線。

（3）下料　鋼板制彎頭的板坯料是一扇形，采用專用的等離子數控切割機將鋼板按圖紙尺寸和形狀切割。

（4）加熱壓制　用專用機械操作機（或機械手）將切割好的彎頭坯料送進加熱爐中，多片疊放在一起，兩片間適當間隔開，然后加熱至規定溫度，打開爐門，用專用機械操作機（或機械手）取出，送入專用壓力機的彎頭模具中，清掃上表面的氧化皮，啟動壓力機，壓制鋼板成半片彎頭形狀，從模具中取出半成品彎頭。

（5）切邊、銑邊　取出后的彎頭坯料，應先按彎頭周長的一半加切割余量劃線，然后裝卡在專用的母線切邊機上，先用氣割切割多余的部分，再用銑刀按圖紙要求尺寸加工兩軸向坡口。

（6）彎頭片組對　將兩個彎頭片組成一對，組對時內外表面應對齊，并保證彎頭周長尺寸，然后進行間隔均勻點焊。

（7）焊接　把組對好的彎頭分步安裝固定在專用的彎頭上、下弦焊接機上，按焊接工藝卡要求對組對好的彎頭片進行焊接。

（8）端部切割　按圖紙要求劃線，使用切割工具沿彎頭毛坯各管口的線切割，去掉毛坯余量。

（9）熱處理（要求時）　為了恢復和改善材料的力學性能，將彎頭坯件放入加熱爐進行熱處理，使對焊彎頭達到技術條件要求的力學性能指標。

（10）清理、檢驗及包裝　熱處理后還需要進行除銹、無損探傷、坡口、坡口磁粉探傷、防腐、尺寸及外觀檢驗，包裝標識。