第10章　其他管件

除了彎管、彎頭、三通和四通、異徑接頭、封頭、法蘭及絕緣接頭等管道中常用的管件外，匯氣管、支管座、波紋管等管件在流體管道中也發揮著不可或缺的作用。

10.1　匯氣管

在天然氣集輸和分配、壓力容器、化工、煉油設備及造船等制造業中，需要使用大量匯氣管（windpipe）進行流體的匯集和分配輸送，具有使用壓力高、數量大的特點，是壓力管道、容器設備中必不可少的重要構件之一。

匯氣管就是在一整體的鋼管或筒體（稱為主管）上制造出若干個小于主管直徑的支管，主管兩端按技術標準要求和其他管線連接在一起。支管結構有兩種形式，一種是傳統的焊接結構，另一種是開口模壓拔制結構。焊接結構即主管上的開口支管采用無縫鋼管或鍛制加厚接管與主管焊接，主管和支管為兩部分，通過角焊縫焊接在一起，其特點是制造工藝比較成熟、簡單，適用于壓力比較低的匯氣管和壓力容器。拔制結構即對主管上開口位置以局部加熱方式用模具在壓力或拉力作用下拔出一個開口支管，支管與主管是一個整體，其過渡區為圓弧過渡形式；主管壁厚不僅要滿足高壓下的強度要求，還要為支管提供所有材質并滿足開孔補強要求，因此，主管的筒體壁厚相對較厚。對于現有支管拔制工藝，由于受當前拔制工藝水平的限制，開口支管的拔制高度較低、支管壁厚較薄。但開口模壓拔制結構匯氣管在整體外觀、結構受力和焊接接頭缺陷的避免和檢測等方面都遠優于開口焊接結構。

作為壓力管道設備中的重要設備，由于支管開口削弱了主管的整體強度，按照GB 50251《輸氣管道工程設計規范》、ASMEB31.8—1999《輸氣與配氣管道系統》以及SY/T 0510—2010《鋼制對焊管件規范》的要求必須進行補強設計。開口模壓拔制結構匯氣管，其開口計算應按等面積補強法進行設計計算，并對鋼管或筒體、開口和過渡區補強面積的計算公式按相關標準的規定進行。

10.1.1　匯氣管結構設計及強度計算

（1）主管結構　匯氣管的主管根據其直徑的大小，可以采用無縫鋼管、直縫鋼管或鋼板卷制+組焊制成的筒節，其支管開口位置根據鋼板或無縫鋼管材料排板劃線確定，也可根據具體的制造工藝確定，與三通不同，支管開口位置一般不是在主管的中間位置，不允許采用三通與鋼管或鋼板卷制的筒節組焊而成，也不允許采用螺旋鋼管制作匯氣管。

（2）支管和主管壁厚計算　傳統的焊接結構和開口模壓拔制結構對主管壁厚的要求不同，傳統的焊接結構對于主管壁厚的計算由內壓下的主管計算壁厚與開口補強計算所需的壁厚兩部分組成。其計算應由GB 50251《輸氣管道工程設計規范》或ASMEB31.8《輸氣與配氣管道系統》規定執行。而對于開口模壓拔制結構，主管壁厚不僅要滿足內壓下的強度要求和開孔補強要求，還要為支管提供所需材料，因此，拔制工藝主管的筒體壁厚相對較厚。支管和主管的壁厚應按ASMEB31.8或GB 50251《輸氣管道工程設計規范》規定的直管壁厚公式進行計算確定，該公式為

式中　P——設計壓力；

S——標準規定的鋼材最低屈服強度；

t——計算壁厚；

D——主管或支管外徑；

F——設計系數，按ASMEB31.8；

E——焊接系數；

T——溫度系數。

匯氣管的壁厚不應按照壓力容器規定的計算公式進行計算。

（3）圓弧過渡區曲率半徑的確定　由于開口模壓拔制的匯氣管，其受力最大位置在開口與鋼管之間的圓弧過渡區，為了改善該區域的應力集中狀況，降低其峰值應力，過渡區的曲率半徑應按照ASMEB31.8的規定執行，即當開口直徑小于或等于30in（762mm）時，最小半徑不應小于0.05d（d為開口直徑，下同），當開口直徑大于30in時，最小半徑不應大于1.5in；當開口直徑大于或等于6in（152.4mm）時，最大半徑不應大于0.10d+0.50in（12.7mm），當開口直徑小于8in（203.2mm）時，最大半徑不應大于1.25in。

開口與鋼管之間的圓弧過渡區應用模壓拔制成形，滿足上述曲率半徑規定值，不應采用焊接或機加工達到上述要求值。

（4）開口支管的拔出壁厚及高度　該高度值可以通過公式（1-10-2）計算確定，由于不同制造商的制造工藝不同，對在相同規格的鋼管上開相同直徑的孔，其支管接管拔出高度和壁厚是不相同的。按照設計要求支管壁厚和拔出高度緊密相關，拔出壁厚由強度設計確定，拔出高度不得小于以下兩值之和的要求。

①滿足ASMEB31.8或GB 50251規定的圓弧過渡區曲率半徑的值。

②滿足支管接管端機加工出的焊接坡口所需的高度要求，即

式中　d0——支管外徑，mm；

δ0——支管實際壁厚（測量值為圓弧處主管外壁距離r0高度處的支管壁厚），mm。

（5）強度設計　模壓拔制三通和焊接式支管連接口三通，在補強設計時應按照ASME B31.8附錄F或GB 50251附錄F的規定進行計算。

10.1.2　匯氣管的制造

如上所述，由于支管開口削弱了主管的整體強度，按照GB 50251《輸氣管道工程設計規范》、ASMEB31.8—1999《輸氣與配氣管道系統》以及SY/T 0510—2010《鋼制對焊管件規范》的要求必須對主管進行補強，按照匯氣管補強結構形式，匯氣管分為焊接結構和開口模壓拔制結構，其成形方法見表1-10-1。

10.1.2.1　整體加強式匯氣管

整體加強式匯氣管是采用增加主管的厚度來彌補支管開口削弱的主管整體強度，即采用提高主管壁厚的方法來抵消開口對主管整體強度產生的影響，如圖1-10-1所示。

采用整體加強勢必增加主管的整體厚度，造成沒支管開口的部分厚度變厚，大大地降低了材料的使用率；而且加大了坡口處的焊接量，直接影響著匯氣管的整體安全性。

整體加強式匯氣管制作過程如下。

（1）原材料檢驗與驗收　原材料進廠后核查鋼板、鋼管的數量、規格與質量證明書是否相符，然后對質量證明書進行編號，并按技術要求送檢。

（2）下料　按圖紙要求長度，切割主管和支管。

（3）劃主管、支管定位線、相貫線　在主管上劃水平和垂直十字中心線，按開孔示意圖在主管上劃出各開孔位置線及相貫線；在各支管上按要求高度劃出對應相貫線。

（4）檢驗　按圖示位置及尺寸檢驗劃線尺寸。

（5）開孔　按劃線位置氣割開孔，同時按接管與殼體之間的焊接詳圖氣割坡口，并對氣割面進行修磨。

（6）組焊　將修磨好的各支管分別放置在筒體上對應開孔位置，找正、點焊后，按施焊工藝卡進行組焊。

組焊完成后要進行熱處理、無損探傷、防腐、尺寸及外觀檢驗，包裝標識等。

10.1.2.2　局部加強式匯氣管

局部加強式匯氣管充分避開了整體加強式匯氣管壁厚過厚的特點，采用了局部加強的方式對開口部分進行補強，如圖1-10-2所示。圖中的加強環為加強部分，該加強部分的形狀類似一環狀披肩，其內弧面緊貼于主管與支管相連出的外延面上，通過焊接方式與主管和支管連接成為一個整體，共同形成對開口的加強。

從圖1-10-1和圖1-10-2的對比看出，局部加強式匯氣管在很大程度減小了主管的壁厚，主管與支管的焊接量也大大減小，但卻增加了加強環外延處與主管連接的焊接量；同時對于焊接部分也不能采用射線和超聲波的檢測方法檢測焊接缺陷。

局部加強式匯氣管制作過程如下。

（1）原材料檢驗與驗收　原材料進廠后核查鋼板、鋼管的數量、規格與質量證明書是否相符，然后對質量證明書進行編號，并按技術要求送檢。

（2）下料　按圖紙要求長度切割主管和支管。

（3）劃主管、支管定位線、相貫線　在主管上劃水平和垂直十字中心線，按開孔示意圖在主管上劃出各開孔位置線及相貫線；在各支管上按要求高度劃出對應相貫線。

（4）劃補強環切割線　根據圖紙尺寸劃補強環與支管的相貫線和補強環外輪廓線。

（5）檢驗　按圖示位置及尺寸檢驗劃線尺寸。

（6）開孔　按劃線位置氣割開孔，同時按接管與殼體之間的焊接詳圖氣割坡口，并對氣割面進行修磨。

（7）組焊　將修磨好的各支管分別放置在筒體上對應開孔位置，找正、點焊后，按施焊工藝卡進行組焊；將加強環套在支管上，壓緊，與支管、主管點焊，然后按施焊工藝卡進行組焊。

組焊完成后要進行熱處理、無損探傷、防腐、尺寸及外觀檢驗、包裝標識等。

10.1.2.3　整體拉拔式匯氣管

整體拉拔式匯氣管就是在主管上的開口位置以局部加熱方式用模具在壓力或拉力作用下拔出一個開口支管，支管與主管是一個整體，其過渡區為圓弧過渡形式，如圖1-10-3所示。整體拉拔式匯氣管的主管與支管為一整體，整體外觀、結構受力和焊接接頭缺陷的避免和檢測等方面都遠優于開口焊接結構。由于受當前加工工藝水平的限制，其存在原料鋼管壁厚較厚、支管高度較低、拔制時加熱次數多、溫度不均勻等缺點。

整體拉拔式匯氣管由于成形方式遠優于其他兩種工藝，使其多用于高壓力管道，具有較高的安全性和實用性。

整體拉拔式匯氣管制作過程如下。

（1）原材料檢驗與驗收　原材料進廠后核查鋼板、鋼管的數量、規格與質量證明書是否相符，然后對質量證明書進行編號，并按技術要求送檢。

（2）下料　按圖紙要求長度和工藝要求切割主管。

（3）劃主管、支管定位線　在主管上劃水平和垂直十字中心線，按工藝要求開孔尺寸（一般長軸:短軸=2:1、長軸在軸向的橢圓孔），在主管上劃出各開孔位置線及尺寸線。

（4）檢驗　按圖示位置及尺寸檢驗劃線尺寸。

（5）開孔　按劃定位置線氣割開孔，對氣割面進行修磨至光滑。

（6）加熱、拉拔　把開完孔的工件固定在拉拔模具上，用一個或多個烤把烘烤孔的周邊區域，加熱時保證加熱區的均勻，達到工藝要求溫度后，把拉模放在鋼管內，對準孔中心，升起拉桿，鎖住拉桿，啟動拉拔設備拉動拉桿，帶動拉模從孔內拉出，就拉拔出圖1-10-4所示的支口，當擴口直徑太大時，可經過多次的拉拔得到工藝要求的最終尺寸。

完成后要進行坡口、熱處理、無損探傷、尺寸及外觀檢驗、包裝標識等。

10.2　支管座

在國外工藝配管領域，支管座在工程設計上已普遍采用；在國內，作為壓力管道分支管道在一些工藝管道分支處的應用上也呈上升趨勢。支管座又稱凸臺，是管道中用于分流或安裝儀表、壓力表、閥體等且與主管軸線垂直的補強型管件。尤其在高壓、高溫、厚壁、大口徑管道中應用日益廣泛，取代了傳統的支管連接方法。

支管座與主管均采用焊接連接，支管座與支管或其他管（如短管、絲堵等）、儀表、閥門的連接采用對焊、承插焊、螺紋等多種形式，支管座分為：對焊支管座、螺紋支管座、承插焊支管座、短管支管座、斜接支管座、彎頭支管座。

標準GB/T 19326在支管座的連接尺寸上確定主管管徑范圍為DN8～DN900，承插焊和螺紋支管座的支管接管范圍為DN6～DN100、對焊支管座的支管接管范圍為DN6～DN600。接管壁厚范圍為STD、XS和SCH160。

10.2.1　支管座的特點

如圖1-10-5所示，支管座作為一種替代異徑三通、補強板、加強管節等支管在主管上直接開孔焊接的分支管件，具有本體的加強、與主管相連的環形坡口和漏斗狀的內部結構等特點。為保證支管座充分加強，支管座本體除采用面積加強外，與主管連接部位的壁厚是變化的，與主管連接部分的壁厚與應力分布相適應。在與主管90°交點處具有最大應力，相對應的支管座在這一部分具有最大的壁厚，從此點開始支管座的壁厚隨應力的降低而減小。支管座還具有與主管外形相配的環形焊接坡口，可以方便地與主管焊接。

作為應用在管路分支上的管件，它與三通作用相同。與三通相比主要有以下優點。

①標準三通支管的變徑范圍一般為主管的一半左右，支管座的變徑則不受限制，尤其適用于變徑范圍大于50％的分支連接。如DN650×DN15的變徑，通常的三通是無法達到要求的，若采用支管座則非常適宜。

②支管座分支處的連接方式有對焊、承插、螺紋連接形式，方便設計選用。

③與三通連接必須產生三個環焊縫相比，支管座有兩個環形焊縫，焊縫長度減少。特別是對主管尺寸大的分支連接來說，使用支管座焊接的工作量大大減少，節省時間。

④采購支管座所需的費用通常比采購三通的費用低50％～90％。

由于支管座的結構和應用特點，使其在管道工程中具有較大的應用范圍，尤其是在變徑過大的管道分支處更是如此。

支管座本體采用優質鍛件、厚壁鋼管或棒材，材料與管道材料相同，有碳鋼、合金鋼、不銹鋼等，具體材質見GB/T 19326中表6的規定。

采用優質鍛件時，支管座可以采用模壓精鍛的方法加工；厚壁鋼管或棒材可以通過機加工的方法進行車削加工。

10.2.2　支管座車削加工工序

（1）原材料檢驗及驗收　進廠后的鍛件、厚壁鋼管或棒材，按照標準驗收程序，檢驗合格后投入生產線。

（2）下料　按照圖紙要求的尺寸用切割機或鋸床切割厚壁鋼管或棒料，得到坯料。

（3）車外圓　用普通車床粗車坯料的外圓。

（4）精車外圓　把車好外圓的工件夾緊在車床上，找正，固定好，按圖紙尺寸粗車、精車各端外圓及錐面外圓、外坡口。

（5）車或立銑偏心外圓　把專用偏心夾具固定在車床上或銑床上，再把工件固定在偏心夾具上，用頂錐頂緊工件（用車床時），車削錐面圓弧，再旋轉180°車削另外半面圓弧。

（6）車內孔圓及螺紋　把車好外圓的工件夾緊在車床上，找正，固定好，用車刀精車內孔及內錐面或內螺紋。

（7）相貫線加工　按圖紙要求鈍邊尺寸鏜或磨削支管座與主管的相貫線圓弧。

加工好的工件還需要進行表面無損探傷、坡口磁粉探傷、尺寸及外觀檢驗、包裝標識等。

10.3　波紋管

波紋管（Bellows）是熱力膨脹管道中的重要元件之一，用于預防管道由于熱脹冷縮對管道產生的拉壓力破壞管道，保證管道所受的軸向應力和應變在設計許可的安全要求內，保證管道的正常安全運行。

波紋管包括圓形波紋管、矩形波紋管和Ω形波紋管，形狀如圖1-10-6所示，其成形方法有：軸向加壓下橡膠脹形、軸向加壓下液壓脹形、旋壓工藝加工成形。波紋管的脹形系數主要取決于材料的塑性變形能力，一般情況下其允許值為1.3～1.5。如果脹形系數大于1.5，脹形時會出現細頸現象，因而需進行中間退火。波紋管的材料一般選用塑性變形能力好的黃銅、紫銅、鈹青銅以及低碳鋼、低碳合金鋼、不銹鋼等制造。

波紋管的結構、設計、材料、試驗、檢驗等應按GB/T 12777《金屬波紋管膨脹節》中的要求進行。

波紋管常用成形方法見表1-10-2，當采用冷變形方法成形時，由于冷變形的變形抗力大，波紋管的相對壁厚較小才能滿足成形力的需要；若采用熱加工變形，則可最大限度地提高波紋管的壁厚。

除表1-10-2所列成形方法外，波紋管件還可采用爆炸成形、液電成形、電磁成形等變形方法進行制造。

10.3.1　波紋管軸向加壓下橡膠脹形工藝

圖1-10-7所示為雙層不銹鋼波紋管，其厚度為0.15mm。由于材料薄、變形量大，波紋部分的成形不能僅依靠材料的局部脹形變薄獲得，因此采用軸向加壓下的橡膠脹形，是一種有效的加工方法，這種新的加工方法是通過管料軸向的縮短來補償成形波紋部分材料的不足，可使波紋管質量穩定，具有明顯的技術經濟效益。

波紋管橡膠脹形工藝過程如圖1-10-7所示，可分為以下幾個步驟。

（1）裝料　將橡膠管3套在內模塊5、6上，如圖1-10-7（a）所示。

（2）閉合外模　開動機床上的閉合按鈕，將外模1和2閉合［圖1-10-7（a）］，閉合時外模塊與管料不要卡緊，以免影響成形過程中管料的軸向滑動。

（3）預脹形　啟動左邊動作筒，帶動拉桿9，使橡膠塊8發生彈性變形，將管料擠壓成一個腰鼓行的環形包［圖1-10-7（b）］。

（4）脹形　將左邊動作筒退回，待橡膠塊恢復原始位置后，再啟動右邊動作筒，使外模1受力，將環形包推擠壓成所需的波紋形狀［圖1-10-7（c）］。

（5）卸半成品　松開外模塊，退回原處，將脹形完畢的波紋移動一個要求的距離［圖1-10-7（d）］，然后重復上述步驟依次成形其他波紋。

10.3.2　波紋管軸向加壓下液壓脹形工藝

波紋管類零件的生產除了橡膠脹形方法外，還常在專用脹形機上進行軸向加壓的液壓脹形加工。液壓脹形波紋管工藝分為整體成形和單波連續成形兩種方式。整體成形的生產效率高，可加工小直徑（最小3mm）、多層（最多6層）、組合波形（如U形與矩形組合）等特殊要求的波紋管。缺點是波紋不能太長，產品規格變換困難。單波連續成形可以生產長度較長的波紋管，模具簡單且數量少，產品規格變換靈活。但設備復雜，因要求密封性高，故不宜用焊管作坯料。

波紋管整體液壓脹形工藝如圖1-10-8所示，脹形前，將鋼管裝于彈性夾頭6中，夾頭端部應具有良好的密封結構，防止流體泄漏。模具槽為一半圓環，它們按產品要求形狀排列，其間距應經試驗確認。當壓力油通入鋼管內后，在壓力作用下材料向半圓環槽內流動，在壓力不變條件下，動模板5向右移動，推動模具槽逐漸合攏，使波紋管逐漸形成。成形后卸除液體壓力，并松開彈性夾頭，同時動模板恢復原始位置，并松開彈性夾頭，波紋管即可取出。

10.3.3　波紋管徑向擴徑旋壓成形工藝

擴徑旋壓是指利用旋壓工具使空心回轉體工件或管坯進行局部（中部或端部）直徑增大的旋壓成形方法，包括擴口、脹形和壓筋工藝。

根據芯模形式的不同，生產中常采用外芯模和滾動模兩種擴旋方法，當相對于材料塑性能力的變形量較大時，可采用外芯模擴旋工藝，較小時采用滾動模擴旋工藝。

當波紋管的擴徑量適度時，可采用圖1-10-9所示滾動模擴旋成形。滾動模4的工作型面與工件擴徑部分的外型面一致，它起到外芯模的作用。先將管坯夾緊在機床的主軸圓盤1上，當主軸帶動管坯旋轉后，調節裝有工作型面與工件擴徑部分內型面一致的旋壓輪2的支架位置到要求位置，給旋壓輪逐漸施加徑向壓力，旋壓輪即可由里向外徑向進給，使管坯局部直徑逐漸增大，直到與滾動模完全接觸為止。抬起旋壓輪2，進給旋壓輪2和滾動模4到圖紙要求位置，進行下一個波紋管節的旋壓。

采用這種擴徑方法，可用一套工具便能加工出直徑尺寸不同而形狀相同的工件，因此旋壓工具的成本較低。若擴旋形狀和尺寸均不相同的工件，則需要更換滾動模和旋壓輪。

擴徑旋壓的成形方法主要受工件材料性能限制，如強度極限、屈服極限、延伸率等，當工件的擴徑量過大時，會引起工件壁厚過度變薄，甚至造成工件破裂，因此應根據工件的擴徑量分成若干道次旋擴成形。當擴旋低塑性和難加工金屬材料時，通常需在加熱條件下進行邊加熱邊旋擴。當冷旋擴產生加工硬化時，需在旋擴工序中間加退火熱處理。

擴徑旋壓時的主軸轉速應根據擴徑量的大小進行適當選取。

擴徑時旋壓輪的進給量主要取決于材料的性能。由于旋擴時，材料受拉力的作用，旋壓輪的進給量比縮旋時可適當大些。

10.4　螺紋管件

螺紋管件廣泛應用于螺紋連接管道上，多用于公稱直徑小于等于DN40的鋼管及其元件之間，有時也用于公稱直徑大于DN40、小于等于DN150的元件間，介質最高工作溫度不超過200℃螺紋管件分為高壓管件和低壓管件，低壓管件用于公稱壓力不大于1.6MPa的輸送水、油、空氣、煤氣、蒸汽等一般管道；高壓管件用于公稱壓力不小于1.6MPa的石油、天然氣套管上，用于流體輸送管道的連接。

螺紋管件分為高壓管件和低壓管件，低壓管件包括：等徑和異徑三通、異徑四通、外接頭管箍、內絲接頭、異徑外接頭、異徑內接頭、異徑彎頭等，如圖1-10-10所示。

螺紋管件的制造分高壓螺紋管件和低壓螺紋管件加工，由于兩者所承受的壓力不同，其原材料選用、半成品工藝、機械加工、熱處理都大不相同。

高壓螺紋管件一般采用鍛件或厚壁鋼管產品作為原材料，其主要產品為石油套管管箍（即內絲接頭），螺紋形式為錐管螺紋，如圖1-10-11所示，石油套管管箍的加工工藝流程如下。

車端面→車外圓→鏜孔→車內螺紋→檢驗→磷化包裝。

為了達到技術要求的精度，車內螺紋時宜采用專用數控螺紋機床加工螺紋。

油套管接箍檢驗方法見表1-10-3。

低壓螺紋管件一般采用鋼管、鍛件或鑄件作為原材料，其鍛造或鑄造時應按照管件的結構形狀制模，經鍛、鑄造出管件的半成品坯料，然后加工外形尺寸（當經精密鍛、鑄造時，可不進行外形加工），最后通過車床車削出錐管螺紋或碾絲機滾壓出直或錐管螺紋。表1-10-4為一接箍螺紋加工標準工藝卡。

精密鍛造低壓螺紋管件加工工藝流程框圖見圖1-10-12。

低壓螺紋管件的結構尺寸按GB 3289.1進行，技術條件按GB 3287進行，檢驗及驗收按GB 3288進行。