大口径弯头成型工艺研究：技术与创新的全面突破

大口径弯头成型工艺研究：技术与创新的全面突破

在现代化工业管道系统中，大口径弯头作为关键连接部件，其制造质量直接关系到整个系统的安全与效率。

大口径弯头是石油、天然气、化工、电力和船舶等工业领域管道系统中不可或缺的组成部分。随着工业管道向高压、高温、大口径方向快速发展，对弯头质量、性能和可靠性提出了更高要求。

传统的弯头制造工艺已难以满足现代工业对大口径弯头的技术要求，这使得成型工艺的创新与研究显得尤为重要。本文将深入探讨大口径弯头的主流成型工艺、技术难点及未来发展趋势。

01 行业背景与技术挑战

随着工业管道系统的不断发展，大口径弯头的市场需求持续增长。在船舶和海洋石油工程平台大型化的趋势下，大规格弯头管件的需求尤为明显。

大口径弯头通常指直径超过300毫米的弯头，这些管件在管道系统中起到改变方向、连接不同设备的关键作用。

现代工业应用对大口径弯头提出了更为严格的技术要求，不仅需要承受高压、高温的工作环境，还要抵抗腐蚀、磨损和疲劳损伤。

大口径弯头的制造面临着多方面的技术挑战。首先，成型过程中容易出现外侧壁厚减薄破裂、内侧失稳起皱以及端面畸变等缺陷。

其次，随着直径增大，保证弯头壁厚均匀性和曲率精度变得更加困难。此外，不同材料如高强钛合金、铜镍合金等的物理特性差异，也增加了成型工艺的复杂性。

02 主流成型工艺与技术特点

大口径弯头的制造有多种工艺，每种方法各有特点，适用于不同的材料和规格要求。

冷推制弯头工艺是一种常用的制造方法，具有较高的生产效率和稳定的成形质量。该工艺通过液压装置推动管坯通过模具，使其发生塑性变形而成型。

冷推制适用于铜镍合金、不锈钢等材料，能够保持良好的表面质量和尺寸精度。不过，该工艺对模具设计和润滑条件要求较高，否则容易在成型过程中产生缺陷。

热推制弯头工艺则是在材料再结晶温度以上进行的成型操作，适用于高强度材料或更大壁厚的产品。

热推制可以显著降低材料的变形抗力，使得加工大口径厚壁弯头成为可能。例如，在天然气管道工程中，壁厚达32mm、直径1016mm的X70钢级弯头就是采用热压-对焊成形的方法开发的。

扩径推弯法是另一种重要的大口径弯头成型技术，特别适合生产小曲率半径弯头。

该工艺的原理是管坯套在芯杆上，活动牌坊推动推制环、推制管和坯料顺芯杆前进从芯头外沿爬过而周向扩径、轴向弯曲变形成为弯头。

扩径推弯法可生产不同材质的壁厚均匀的小曲率半径（R≈D）弯头，产品规格多样（Dn=20~1 200），适用于钢、钛、锆、镍等多种金属材料。

多棱环壳成型法是一种较为特殊的大型弯头制造工艺。其基本过程是：首先焊接一个横截面为多边形的多棱环壳或两端封闭的多棱扇形壳，内部充满压力介质后施以内压。

在内压作用下横截面由多边形逐渐变成圆，最终成为一个圆形环壳。这种方法不需要管坯作原料，可节约制管设备及模具费用，且可得到任意大直径而壁厚相对较薄的弯头。

03 关键技术难点与解决方案

大口径弯头成型过程中面临着多项技术难点，需要采取相应的解决方案来保证产品质量。

壁厚控制是弯头制造中的核心问题。在成型过程中，弯头外侧容易因拉伸而减薄，甚至导致破裂；内侧则因压缩而增厚，产生皱褶。

为解决这一问题，扩径推弯法通过独特的变形机制，使坯料外弧基本不变形，内弧轴向压缩、周向拉长，内弧侧厚度不变，从而实现比例变形，成为纯剪状。

这种方法可以避免传统弯管工艺成型时，外弧管壁受拉减薄，内弧管壁受压增厚而造成的壁厚不均匀现象。

模具设计与优化对成型质量至关重要。以扩径推弯法为例，成形模羊角芯头的设计和制作是最关键技术。

芯头由引伸段、扩径成形段和整形段组成。扩径成形段的重要技术参数是中心线描述和型芯空间曲面形状描述。

随着技术的发展，芯头设计趋向于采用数学曲线和椭圆截面结构，以保证扩径推弯弯头的质量。

材料特性适配也是成型工艺需要考虑的重要因素。不同材质的弯头由于物理特性和不同温度下的拉伸性能存在差异，需要根据管坯材料特性，选择不同的加工工艺参数。

例如，钛合金管件成型工艺窗口窄、高温流变行为复杂，需要攻关多项高温成形技术。

04 不同材料的成型工艺研究

不同材料的大口径弯头成型各有特点，需要针对材料特性调整工艺参数。

铜镍合金弯头主要用于船舶和海洋工程领域，具有良好的耐海水腐蚀性能。针对DN300大规格90°铜镍合金弯头。

研究表明通过有限元方法建立冷推模型进行数值模拟，可以分析模具间隙、推杆运动速度和摩擦系数对成型过程的影响。

通过优化这些参数，可以解决开裂、起皱等问题，提高成品率。

钛合金弯头因其高强度、耐腐蚀和轻量化特点，在航空航天和船舶领域的应用日益广泛。

近年来，中国船舶重工集团公司第七二五研究所成功研制出国内最大规格的钛合金无缝管材2.5D弯管，样件规格达到φ690*20mm。

该成果通过管件多道次成型过程模拟、热成型工艺试验等手段，重点攻关了多项钛合金复杂结构件高温成形技术。

不锈钢弯头在化工和能源领域有广泛应用。厚壁大直径不锈钢管的扩径推弯成型是无缝弯头成型的难点。

对φ406.4mm×32mm-R610mm的厚壁0Cr18Ni9Ti钢管弯头，研究校核了芯棒的强度，提出了芯棒的合理材质及加工方法。

确定了芯棒的形状、温度分布及成型管还与感应圈之间的间隙等参数。

高强钢弯头主要用于油气输送管道。例如，为连接壁厚26.2mm的天然气管道用干线管，开发的壁厚32mm、直径1016mm的X70对焊弯头。

采用热压-对焊成形的方法，并进行了调质处理以保证力学性能。

05 工艺优化与创新技术

随着科技进步，大口径弯头成型工艺不断优化和创新，涌现出多项提高产品质量和效率的新技术。

数值模拟技术的应用大大提高了工艺设计的准确性和效率。通过有限元方法建立弯头成型模型并进行数值模拟。

可以分析模具间隙、推杆运动速度和摩擦系数等参数对成型过程的影响。这使得工程师能够在实际生产前预测和解决可能的缺陷，缩短试制周期，降低开发成本。

新型模具结构设计不断涌现，有效解决了成型过程中的各种问题。如最新专利技术中的"一种大口径厚壁弯管的成型模具"，包括上模具、下模具以及内模芯。

弯曲槽设有若干个第一避让槽；每一个第一避让槽内均设有一组弯曲段辅助辊轮组；通过在上模具和下模具内设置弯曲段辅助辊轮组，能够实现内外模具和辊轮组的配合使用。

降低管件在弯曲过程中的塑性变形阻力，进而减少出现成型缺陷的情况。

对于钛及钛合金大口径厚壁弯头，新型成型模具采用压弯顶模、底胎模、多个随动支撑内模、两个端部定位内模及两个堵板的组合设计。

这种设计使锻制弯头与直管段匹配度好，模具拆卸方便，还可重复使用，定位精准，可在常规压力机上操作。

智能化工艺控制是弯头成型技术的另一发展方向。通过传感器、控制系统和工艺模型的集成，实现对成型过程的实时监控和调整。

确保温度、速度和压力等参数始终处于最佳状态。这种智能控制系统能够显著提高产品一致性和成品率，降低对操作人员经验的依赖。

06应用领域与未来发展

大口径弯头作为关键管道连接件，在多个工业领域有着广泛应用，其未来发展也呈现出多样化趋势。

在石油和天然气领域，大口径弯头用于长距离输送管道、 refinery 设备和液化天然气设施。这些应用场景通常要求弯头具有高承压能力、良好的低温韧性和优异的耐腐蚀性能。

如天然气管道工程用厚壁大口径X70弯头就是典型代表。

化工行业对大口径弯头的需求主要集中在耐腐蚀材料方面。各种不锈钢、镍基合金和钛合金弯头被广泛应用于腐蚀性介质的输送系统中。

这些环境下的弯头不仅要承受压力，还要抵抗各种化学物质的侵蚀，保证管道系统的长期安全运行。

电力和能源领域，大口径弯头用于火力发电厂的蒸汽管道、核电站的冷却系统以及新能源装备的流体输送系统。

这些应用通常涉及高温高压环境，对材料的耐热性和抗蠕变性能有特殊要求。

船舶和海洋工程是高端大口径弯头的重要应用领域。船舶海水管路系统使用大量铜镍合金和钛合金弯头。

这些弯头需要抵抗海水腐蚀，保证船舶和海洋平台的安全运行。例如，中国船舶重工集团公司第七二五研究所第八研究室成功研制的国内最大规格钛合金无缝管材2.5D弯管。

就满足了船舶海水管路系统的特殊需求。

未来大口径弯头成型技术将朝着智能化、精密化和高效化方向发展。新材料的应用、工艺参数的优化、模具设计的创新以及质量控制技术的提升。

都将推动大口径弯头制造技术不断进步。如沧州奥广机械设备有限公司等专业制造商，正持续加大研发投入。

推动大口径弯头成型工艺向更高效、更精密、更经济的方向发展。

大口径弯头成型工艺的研究与创新，不仅解决了实际生产中的技术难题，也推动了整个管道行业的技术进步。随着新材料、新工艺的不断涌现。

大口径弯头的制造技术将继续向着更高效、更精密、更可靠的方向发展。未来，随着数字化、智能化技术的深入应用，大口径弯头的成型工艺将迎来新的突破。

为工业管道系统提供更加优质的连接解决方案。