江克1 周玉1 陈明健2 毛之鉴3
1巢湖学院 安徽 巢湖238000 2合肥通用机械研究院 安徽 合肥230031 3中国石化扬子石油化工有限公司物资装备部 江苏 南京210048
摘要：U形管是工业管式加热炉辐射段管系核心管件，可通过三辊滚弯机冷弯和中频感应热弯成形。本文主要通过实验研究U形管成形后壁厚减薄率、椭圆度以及水平度的变化规律，对比分析其工艺优缺点。结果显示冷成形管壁厚减薄率较小，热成形管椭圆度较小。
关键词：管式加热炉；U形管；冷弯；中频感应；
1 引言
管式加热炉作为工艺加热炉，广泛使用于石油炼制、石油化工、煤化工、焦油加工、原油输送等工业，由于其辐射段炉管直接与火焰接触，管内被加热介质为气体或液体，易燃易爆，且具有腐蚀性，操作条件苛刻，成为装置长周期安全运行重要影响因素[1]。
大弯曲半径薄壁U形管作为DMTO开工进料加热炉和连续重整加热炉辐射段管系重要管件，考虑其高温运行环境，通常选用CrMo合金钢管进行弯曲制造。为保证设备长周期运行安全，一般选择进口欧洲或日本的钢管用于U形管的制造。关于大弯曲半径U形管成形工艺，有冷、热两种工艺可选，但目前针对大弯曲半径U形管具体的制造技术研究文献较少，制造厂商往往根据各自经验选择成形工艺及相应参数，其制造工艺技术层次不齐，对U形管质量影响较大。因此，研究对比大弯曲半径U形管的冷、热成形制造技术，提高U形管成形质量，对提升管式加热炉整体安全性意义重大。
本文通过弯曲受力分析与实验模拟成形的方法，研究U形管成形后壁厚减薄、增厚以及椭圆度变化情况，为管式加热炉大弯曲半径U形管的设计及制造提供参考。
2实验用钢管
实验用钢管材质ASTM A335 P9，钢管公称尺寸为Φ114.3×6.02mm，供应商为德国VAllOUREC & MANNESMANN TUBES。冷、热两种工艺模拟成形实验的弯曲半径及弯曲率均相同，分别为R=1525mm，R/D=13.3。
3 成形装置
U形管冷弯成形主要通过三辊滚弯机实现（如图1）。三辊滚弯机主要通过两个固定轴辊和一个弯曲轴辊的位移与旋转动作，使钢管产生局部塑性变形，并通过轴辊与钢管的之间摩擦力产生连续咬入力矩，从而实现钢管的持续弯曲及进给。具体成品U形管根据弯曲半径要求，需经过多道工序逐步调整形成。
U形管热弯成形主要通过中频感应热弯机实现（如图2）。底座推进钢管前进，通过主夹臂引导，在感应加热线圈区域产生塑性弯曲变形。由于弯曲半径跨度较大，钢管直径小，为保证U形管水平度达标，在中间部位添加辅助夹臂增强支撑。
图1 冷成形示意图 图2 中频感应热弯成形示意图
4 实验结果
4.1 弯管截面形状变化规律
从冷、热成形实验U形管距离起弯处30°、60°、90°部位分别截取3个面，对两种成形工艺钢管的横截面形状变化进行对比，结果如图3所示。冷弯成形U形管（L-30°、L-90°、L-150°）三个截面形状变化趋势相同，整体明显成近似椭圆形状，其短直径在法向，长直径在横向，其截面成形形状与受力分析结果一致。热弯成形U形管（R-30°、R-90°、R-150°）三个截面形状变化趋势同样相同，但基本保持钢管原始圆形状态。通过对比两种工艺成形的U形管横截面形状，可知热弯成形工艺在弯管截面变形控制方面效果更优。
图3 冷、热成形U形管30°、60°、90°截面形状对比
对冷、热成形实验U形管距离起弯处30°、45°、60°、90°、120°、150°截面部位进行外径检测，每个截面外径检测部位均选取4个，各截面外径检测值分布如图4、5所示。图4显示不同截面在4个检测部位的外径变化趋势一致，由于产生近似椭圆变形，不同检测部位的实测外径值均存在明显偏差，在法向（0°-180°）部位出现最小外径，在横向（90°-270°）部位出现最大外径，其截面最大椭圆度值为2.16%。图5显示6个不同截面在4个检测部位的外径偏差值均较小，截面最大椭圆度值仅为1.2%。对比结果显示冷弯管最大椭圆度值要比热弯管大，但相对ASME B31.3-2012[3]所规定的弯管椭圆度值上限值8%而言，冷弯管2.16%的最大椭圆度值完全能够满足设计使用要求。
图4 冷弯管不同截面外径分布规律 图5 热弯管不同横截面外径分布规律
4.2 壁厚变化分布规律
对冷、热弯U形管30°、45°、60°、90°、120°、150°共6个截面部位进行壁厚检测。每个截面均取8个壁厚检测点，各截面壁厚检测值分布如图6、7所示。弯曲外侧（0°）壁厚减薄，最大减薄率4.0%。弯曲内侧（180°）壁厚增厚，最大增厚率6.9%。弯曲外侧（45°、315°）壁厚减薄趋势与最外侧（0°）基本一致，内侧（135°、225°）壁厚增厚率明显低于最内（180°）侧。图7为热弯管各截面壁厚分布规律，弯曲外侧（0°）壁厚减薄，最大减薄率7.2%。弯曲内侧（180°）壁厚增厚，最大
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增厚率7.6%。弯曲外侧（45°、315°）壁厚低于内侧（135°、225°），壁厚减薄及增厚率均低于最外（0°）、内（180°）侧。
图8为两种成形工艺内、外侧壁厚变化对比情况。U形管冷、热弯成形后，其内侧壁厚变化趋势几乎一致，实测厚度值偏差很小，而外侧壁厚偏差则明显较大，热弯管实测厚度值低于冷弯管。对比两种成形工艺的壁厚变化情况，可知冷弯成形壁厚减薄率控制方面效果更优。
图6 冷弯管不同截面壁厚分布规律 图7 热弯管不同横截面壁厚分布规律
图8 冷热弯管不同横截面外侧壁厚分布对比
5 总结
1）冷、热弯U形管外侧减薄，内侧增厚，不同截面的壁厚分布规律基本一致。冷弯成形外侧壁厚减薄量明显小于热弯成形，减薄率控制效果更优。内侧增厚量两者几乎相近。
2）实验结果显示冷弯U形管截面变形比热弯U形管大，但实测椭圆度值均满足标准规定小于8%要求。两种成形工艺均能满足截面变形控制要求，热弯控制效果更优。
参考文献：
[1]钱家麟,于遵宏,李文辉等. 管式加热炉[M]. 北京：中国石化出版社，2003：1-3
[2]吴振亭,李顾红. 薄壁不锈钢管件滚弯成形工艺有限元分析[J].热加工工艺, 2009,38(5): 65-68.
[3] ASME B31.3-2012. Process Piping[S].
论文作者:江克1 周玉1,陈明健2 毛之鉴3
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/3
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