冷彎成形技術(shù)在鋼制波紋管中的應(yīng)用

文/陳婉君，劉化民·吉林大學(xué)輥鍛工藝研究所

鋼制波紋管是一種具有獨(dú)特波紋結(jié)構(gòu)的管道，可以有效提高管道的剛性，承受外部載荷或內(nèi)部壓力時具有較好的變形能力，被大量應(yīng)用在液體、氣體、顆粒物等的輸送上。此外，波紋鋼管還具有良好的耐磨性、抗腐蝕性，在橋梁、管線、地下綜合管廊、海綿城市等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

鋼制波紋管成形方式包括冷彎成形、旋壓、機(jī)械脹形、液壓脹形等，其中冷彎成形工藝管坯受壓均勻，減薄量適中，能滿足高效、高精度的要求，已成為金屬鋼制波紋管成形的重要方式。

鋼制波紋管種類

鋼制波紋管可以分為分片裝鋼制波紋管（圖1）、整管鋼制波紋管（圖2）和螺旋鋼制波紋管（圖3）三大類。一般冷彎成形工藝有：單張成形、成卷成形、連續(xù)成形和聯(lián)合成形。

圖1 分片裝鋼制波紋管

圖2 整管鋼制波紋管

圖3 螺旋鋼制波紋管

⑴分片裝鋼制波紋管。采用兩片及以上波紋板件組裝，使用高強(qiáng)螺栓拼接而成，具有板片薄，重量經(jīng)，便于運(yùn)輸存放，施工工藝簡單，工期短等優(yōu)點。鋼板材質(zhì)一般常用為Q235B， 高填方或大跨徑時采用Q345B；截面形狀一般采用圓形、橢圓形、馬蹄形等，主要用于公路橋涵、鐵路、市政工程和倉儲等領(lǐng)域。目前，分片裝鋼制波紋管成形工藝為單張波紋板在彎弧機(jī)上彎弧—加工安裝螺栓孔—現(xiàn)場拼裝。缺點是效率低，彎弧兩端帶有直邊，產(chǎn)品一致性差、安裝連接困難等。

⑵整管鋼制波紋管。將鋼板或者鋼帶焊接成管形，再利用冷彎加工成環(huán)形鋼制波紋管，兩端焊接法蘭，用高強(qiáng)螺栓連接緊固，法蘭之間用石棉或橡膠墊圈密封，具有強(qiáng)度高、管節(jié)薄、重量輕、工期短等優(yōu)點。鋼板材質(zhì)一般常用為Q235B，截面形狀一般為圓形。整管鋼制波紋管的特點是外形美觀。密封方便，同時波紋可以增加管道的柔性，使得整個管道在不同方向上彎曲和伸縮，從而適應(yīng)不同的安裝位置和環(huán)境。缺點是需要整管運(yùn)輸，成本高。

⑶螺旋鋼制波紋管。螺旋鋼制波紋管1896 年發(fā)明于美國，是歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)使用100 多年的節(jié)能環(huán)保管材，一般采用涂覆量為600g/m2的雙面鍍鋅鋼板，經(jīng)機(jī)械壓波紋，卷邊咬口成形。主要應(yīng)用在地下排水、城市排污、公路涵洞、多功能共用管廊、打井管、 灌溉溝渠、礦井逃生通道等領(lǐng)域，具有強(qiáng)度高、柔性好、重量輕、施工快、壽命長、生態(tài)環(huán)保性能穩(wěn)定、工程綜合造價低等特點，可作為排水管的最新替代產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的整裝鋼制波紋管不同，螺旋鋼制波紋管的波紋是螺旋形狀的，因此可以承受更大的壓力和熱應(yīng)力。螺旋鋼制波紋管的特點是波紋形狀獨(dú)特，具有良好的柔性和彈性，可以在不同方向上彎曲和伸縮。此外，螺旋鋼制波紋管內(nèi)壁光滑，不易積垢，具有較好的防腐蝕性能和長壽命。螺旋鋼制波紋管大都采用連續(xù)成形，工作效率高，適合大批量生產(chǎn)，但是，投資比較大，而且占用面積也比較大。

冷彎成形技術(shù)

冷彎成形技術(shù)屬于連續(xù)局部冷加工工藝，是通過多架次對彎角處金屬施加外力，使其產(chǎn)生彎曲變形而制成預(yù)定形狀的工藝。與熱彎成形相比，冷彎成形在生產(chǎn)效率、生產(chǎn)能耗和產(chǎn)品質(zhì)量上均更優(yōu)。

冷彎成形技術(shù)作為一種高效經(jīng)濟(jì)的成形方法，在波紋鋼管的生產(chǎn)制造中得到廣泛應(yīng)用。通過調(diào)整冷彎成形設(shè)備（圖4）的參數(shù)，可以控制成形的彎曲半徑、角度和長度，從而獲得各種形狀的波紋鋼管。冷彎鋼制波紋管具有與熱成形鋼制波紋管相同的性能，如抗壓縮性、抗振性、可撓性，但成本更低，質(zhì)量更穩(wěn)定，因此深受鋼制波紋管行業(yè)的青睞。

圖4 冷彎成形設(shè)備

冷彎成形技術(shù)的優(yōu)點

⑴高效。冷彎成形工藝不需要加熱材料，因此具有較高的生產(chǎn)速度，可以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，生產(chǎn)效率可達(dá)沖壓工藝的10 倍以上。

⑵成本低，材料利用率高。大規(guī)模生產(chǎn)情況下，冷彎成形的成本少于沖壓，模具使用壽命卻高于沖壓。一套組合式輥片可以生產(chǎn)出不同規(guī)格的冷彎型鋼。材料利用率高，相比沖壓成形，冷彎成形省料15%～30%。

⑶節(jié)能環(huán)保。冷彎成形工藝能耗較低，無需消耗大量能源，有利于環(huán)境保護(hù)。

⑷近凈成形?？稍诰€集成預(yù)沖、割、焊、攻牙、鉚等多種加工工序，實現(xiàn)產(chǎn)品的近凈成形，不再加工或僅需少量加工，就可用作機(jī)械構(gòu)件。

國內(nèi)冷彎型鋼生產(chǎn)狀況

生產(chǎn)現(xiàn)狀

二十世紀(jì)五六十年代，我國開始生產(chǎn)冷彎型鋼，主要用于農(nóng)機(jī)領(lǐng)域。二十世紀(jì)八十年代，冷彎型鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)實施，產(chǎn)品也開始應(yīng)用于客車、汽車、電器、建筑門框等行業(yè)。截至目前，全國冷彎型鋼產(chǎn)量達(dá)到了1 億噸/年，且近十年來冷彎型鋼產(chǎn)量的年增長速度接近30%，產(chǎn)值數(shù)千億元；全國冷彎型鋼企業(yè)超過5000家，主要集中在沿海地區(qū)，從事冷彎行業(yè)的人員多達(dá)百萬；當(dāng)前正在建的大型冷彎型鋼機(jī)組超過50 套；冷彎型鋼產(chǎn)品種類數(shù)量超過3000 種，包括簡單的開閉口斷面型鋼、異形復(fù)雜斷面型鋼、寬幅波紋板型鋼、帶孔型鋼等，由小到大，由薄到厚，規(guī)格齊全，基本形成系列化。

存在的問題

雖然我國冷彎型鋼行業(yè)經(jīng)過了將近 70 年的發(fā)展，也取得了很多的成就，但是仍然存在如下問題。

⑴冷彎型鋼的產(chǎn)量和使用比例均較小。我國的冷彎型鋼產(chǎn)量占粗鋼產(chǎn)量的比重不足4%，而同時期歐美發(fā)達(dá)國家占比達(dá)到了10%～20%。我國冷彎型鋼使用量占鋼結(jié)構(gòu)用鋼量的7%，國際平均使用量為15%，美國冷彎型鋼占鋼結(jié)構(gòu)用鋼量的比例更是達(dá)到了驚人的70%。

⑵冷彎型鋼發(fā)展地域分布不均衡。我國絕大多數(shù)的冷彎型鋼企業(yè)聚集在長三角和珠三角等發(fā)達(dá)沿海地區(qū)。而具有巨大市場潛力的西部地區(qū)、西南地區(qū)和西北地區(qū)很少，東北地區(qū)的冷彎型鋼行業(yè)長期低迷，急需市場開發(fā)。

⑶專用鋼材開發(fā)落后。我國的專用鋼材不能滿足用戶需求，會出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，如材質(zhì)不穩(wěn)定，硫雜質(zhì)含量超標(biāo)、尺寸公差過大等，同時在高強(qiáng)塑性的細(xì)化晶粒鋼和純凈鋼方面存在著質(zhì)量差異。

⑷與發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)產(chǎn)品品種規(guī)格少，產(chǎn)品質(zhì)量堪憂。冷彎型鋼生產(chǎn)企業(yè)不但企業(yè)規(guī)模偏小，產(chǎn)業(yè)集中度也很低，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，競爭激烈。缺乏大型、微型或有特種要求的專業(yè)化配套型鋼，國內(nèi)能夠制造技術(shù)含量較高的產(chǎn)品的企業(yè)不多，產(chǎn)能很低，大部分企業(yè)尤其是中小型企業(yè)只能生產(chǎn)低端建筑型材。

冷彎成形鋼制波紋管在各行業(yè)的應(yīng)用

海綿城市的應(yīng)用

在海綿城市建設(shè)中，冷彎成形鋼制波紋管可以作為雨水收集系統(tǒng)的主要管道，將城市屋頂、道路等地表雨水收集起來，通過管道輸送到雨水處理設(shè)施進(jìn)行處理和利用，見圖5；作為雨水滲透設(shè)施的構(gòu)件，如滲透井、滲透溝等，將雨水引入地下，提高地下水位，緩解水資源短缺問題，見圖6；用于生態(tài)廊道與綠地系統(tǒng)的建設(shè)，如生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)、濕地公園等，提供生態(tài)修復(fù)和景觀效果；作為海綿城市基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)件，如海綿廣場、海綿道路等，增加城市的透水性能，減少內(nèi)澇風(fēng)險。

圖5 排雨污水鋼管

圖6 波紋鋼管蓄水池

相比鑄鐵管和混凝土管，冷彎鋼制波紋管具有材料成本低、高強(qiáng)度和輕質(zhì)、良好的抗腐蝕性能、施工簡便、使用壽命長等優(yōu)點。

對于較短的管道或不需要彎曲的場景，整管鋼制波紋管更加適用，其強(qiáng)度更高，密封性更好。但是，在需要彎曲的管道系統(tǒng)中，分片裝鋼制波紋管更加實用，因為分片裝鋼制波紋管可以根據(jù)需要組合成不同長度和角度的管道，更加靈活。對于一些特殊情況，如需要在現(xiàn)場制造管道的場景，螺旋鋼制波紋管則更加適用，螺旋鋼制波紋管可以在現(xiàn)場制造成不同長度和角度的管道，適用性更高。

地下綜合管廊的應(yīng)用

在地下綜合管廊工程中（圖7），冷彎成形鋼制波紋管可用于排水系統(tǒng)的排水溝和排水管；可用于通風(fēng)系統(tǒng)中的通風(fēng)管路，保障空氣流通和排出有害氣體；可用于地下綜合管廊的防火系統(tǒng)防火管道；還可用于地下綜合管廊的電纜保護(hù)系統(tǒng)，制成各種形狀和尺寸的電纜保護(hù)管道。

圖7 地下綜合管廊

鋼制波紋管通常比鋼筋混凝土管廊更適用于小型管道和短距離輸送，具有良好的柔性和密封性，可以適應(yīng)地面的變化和管道的彎曲。同時，鋼制波紋管的制造和安裝成本相對較低，可以節(jié)省工程成本，而且運(yùn)輸方便，安裝快，施工精度高。

在涵洞工程中，冷彎成形鋼制波紋管可以用于涵洞的排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)（波紋管可以制成各種形狀和尺寸的拱頂和側(cè)壁支撐結(jié)構(gòu)）、防護(hù)系統(tǒng)（保護(hù)涵洞結(jié)構(gòu)免受水流和泥沙的沖擊和侵蝕），見圖8。

圖8 波紋鋼管涵洞

冷彎鋼制波紋管用于涵洞，具有良好的抗振性能和防滲性能。相比混凝土涵洞，鋼制波紋管使用壽命長（大于100 年），施工周期短、難度小、造價低，抗變形能力強(qiáng)，通車后維護(hù)成本低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和使用優(yōu)勢。

而且，由于軸向波紋的存在，可以將荷載引起的應(yīng)力應(yīng)變沿軸向和徑向共同擴(kuò)散，更大程度地消散荷載的應(yīng)力集中。特別是在寒冷的凍土、軟土、膨脹土、濕陷性黃土等地區(qū)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。鋼制波紋管涵洞對供熱管道具有避免管道位移的作用，因此，加熱管道的除銹也是鋼制波紋管涵洞壽命的保證，除銹方法有工藝除銹、機(jī)械除銹和化學(xué)除銹。

實踐證明，用鋼制波紋涵管代替鋼筋混凝土進(jìn)行涵洞施工，在施工周期、施工造價、環(huán)保意義等方面都有其不可比擬的優(yōu)越性，且用金屬波紋涵管進(jìn)行涵洞施工，可大大提高道路行車的舒適度與安全性，避免道路中涵洞的“錯臺跳車”現(xiàn)象，有效解決了西北及我國寒冷地區(qū)霜凍對管涵結(jié)構(gòu)的破壞問題。

水利農(nóng)業(yè)的應(yīng)用

水利農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源開發(fā)、利用和管理的重要組成部分。冷彎成形鋼制波紋管在水利農(nóng)業(yè)建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用，主要包括以下幾個方面。

⑴灌溉渠道：鋼制波紋管可作為灌溉渠道的主要構(gòu)件，將水庫、河流等水源引入農(nóng)田，滿足農(nóng)作物生長所需水分。

⑵排水系統(tǒng)：鋼制波紋管可作為農(nóng)田排水系統(tǒng)的主要管道（圖9），將多余的水排放到河流、水庫等地，防止農(nóng)田積水。

圖9 波紋鋼管倒虹吸

⑶水庫與蓄水池：鋼制波紋管可用于水庫與蓄水池的建設(shè)，提供穩(wěn)定的水源供應(yīng)，見圖10。其高強(qiáng)度和輕質(zhì)的特點使得管道在水庫與蓄水池的建設(shè)過程中具有較長的使用壽命和較低的維護(hù)成本。

圖10 波紋鋼管水庫泄洪

⑷節(jié)水灌溉技術(shù)：鋼制波紋管可應(yīng)用于滴灌、噴灌等，提高灌溉水的利用率，節(jié)約水資源。

⑸水土保持工程：鋼制波紋管可用于水土保持工程的建設(shè)，如抗滑堤、筑壩等，防止水土流失，保護(hù)農(nóng)田生產(chǎn)環(huán)境。

⑹漁業(yè)養(yǎng)殖：鋼制波紋管可用于漁業(yè)養(yǎng)殖場的建設(shè)，如養(yǎng)魚池、蝦塘等，提供穩(wěn)定的水源供應(yīng)，改善養(yǎng)殖環(huán)境。

⑺農(nóng)田水利設(shè)施維護(hù)：鋼制波紋管可用于農(nóng)田水利設(shè)施的維護(hù)，如疏浚河道、清淤渠道等，確保農(nóng)田水利設(shè)施正常運(yùn)行。

⑻水資源監(jiān)測與管理：鋼制波紋管可用于水資源監(jiān)測與管理系統(tǒng)的建設(shè)，如水位觀測站、水質(zhì)監(jiān)測站等，為決策者提供準(zhǔn)確的水資源數(shù)據(jù)，指導(dǎo)水利農(nóng)業(yè)政策制定。

在水利和農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，選擇冷彎鋼制波紋管的類型主要考慮以下幾個方面。

⑴使用條件和要傳輸?shù)牧黧w：傳輸清水或稍帶懸浮物的流體，一般選擇分片裝鋼制波紋管或整管鋼制波紋管；傳輸含有較多懸浮物的流體，為防止堵塞，應(yīng)選擇螺旋鋼制波紋管。

⑵管路安裝條件：管路空間較小且有較多轉(zhuǎn)向，應(yīng)選擇體積小、轉(zhuǎn)向性能好的分片裝鋼制波紋管；管路空間較大且管道較直，可以選擇體積大、經(jīng)濟(jì)性更高的鋼制波紋管。

⑶經(jīng)濟(jì)性：從成本考慮，一般分片裝鋼制波紋管<整管鋼制波紋管<螺旋鋼制波紋管。所以，如果項目經(jīng)濟(jì)性要求較高，應(yīng)優(yōu)先考慮分片裝鋼制波紋管或整管鋼制波紋管。

⑷技術(shù)要求：分片裝鋼制波紋管和整管鋼制波紋管的技術(shù)難度和成本較低，螺旋鋼制波紋管的技術(shù)難度和成本較高。所以從技術(shù)角度，分片裝鋼制波紋管和整管鋼制波紋管更易實現(xiàn)。

煤礦坑道的應(yīng)用

在煤礦坑道領(lǐng)域，鋼制波紋管的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在管道的強(qiáng)度、抗振性和耐腐蝕性方面。煤礦坑道環(huán)境惡劣，空間受限，對管材的要求較高，冷彎成形鋼制波紋管正好滿足這些要求。冷彎成形鋼制波紋管的強(qiáng)度可以達(dá)到普通鋼管的3 ～5 倍，可以承受較大的應(yīng)力，解決了煤礦坑道中管道常面臨的高壓、重載的狀況。同時，冷彎成形鋼制波紋管具有良好的抗振性能和耐腐蝕性能，可以在地質(zhì)條件復(fù)雜、經(jīng)常發(fā)生地震等自然災(zāi)害的地區(qū)使用，確保煤礦坑道的安全運(yùn)營。此外，冷彎成形鋼制波紋管的安裝和維護(hù)成本較低，能夠有效降低煤礦坑道的運(yùn)營成本。因此，冷彎成形鋼制波紋管在煤礦坑道領(lǐng)域具有廣闊的市場前景。

在煤礦坑道中的應(yīng)用，鋼制波紋管的選擇需要考慮以下因素：煤礦坑道內(nèi)要傳輸?shù)慕橘|(zhì)一般為壓縮空氣、水等，不存在較多的固體懸浮物；同時，煤礦坑道內(nèi)空間狹小，管路多彎路。因此，分片裝鋼制波紋管由于體積小，轉(zhuǎn)向性能好，更易于在狹小空間和多彎管路中鋪設(shè)，整管鋼制波紋管和螺旋鋼制波紋管不太適用。綜上，對于煤礦坑道的應(yīng)用，分片裝鋼制波紋管是首選方案。

橋梁和隧道工程的應(yīng)用

在橋梁和隧道等工程中，冷彎成形鋼制波紋管展現(xiàn)了高強(qiáng)度、耐久性的特點。

在橋梁工程中，冷彎成形鋼制波紋管常用于橋墩和梁體的承重結(jié)構(gòu)，見圖11、圖12。由于公路橋梁跨度大、載荷重，對結(jié)構(gòu)管材的強(qiáng)度要求高，冷彎成形鋼制波紋管的強(qiáng)度可以達(dá)到普通鋼管的3 ～5 倍，完全滿足橋梁結(jié)構(gòu)的需要。同時鋼制波紋管具有一定的可塑性，可以吸收動態(tài)載荷的沖擊，提高結(jié)構(gòu)安全性。

圖12 大跨徑波紋鋼板管拱通道

在隧道工程中，冷彎成形鋼制波紋管常用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，如造拱、錨桿等。隧道內(nèi)環(huán)境惡劣，對管材強(qiáng)度和耐久性都有較高要求。冷彎成形鋼制波紋管不僅強(qiáng)度高，而且通過表面處理具有良好的耐腐蝕性，可以長期運(yùn)行維持結(jié)構(gòu)安全。同時，冷彎成形鋼制波紋管自身重量輕，易運(yùn)輸安裝，也方便在隧道這種空間狹窄場所施工。

公路建設(shè)的應(yīng)用

目前，我國公路建設(shè)步伐加快，上萬公里的高速公路和普通公路需要大量結(jié)構(gòu)安全管材，這為冷彎成形鋼制波紋管的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

冷彎成形鋼制波紋管在公路應(yīng)用中的選擇主要根據(jù)以下幾點考慮：承載能力要求較大，建議選擇整管鋼制波紋管或螺旋鋼制波紋管，這兩種類型的鋼制波紋管壁厚較厚，能更好地承受較大的軸向壓力和徑向壓力；承載能力要求不大，分片裝鋼制波紋管也可以滿足要求，而且成本較低；管徑較大，整管鋼制波紋管和螺旋鋼制波紋管由于制作工藝限制，最大管徑會受到一定限制，這時只能選擇分片裝鋼制波紋管。如果管徑在一定范圍內(nèi)，任何類型的鋼制波紋管都可以滿足要求。

綜上，公路應(yīng)用鋼制波紋管的選擇需要根據(jù)工程的具體情況進(jìn)行綜合判斷。一般來說，小管徑、承載能力要求不大的情況下，分片裝鋼制波紋管是首選；大管徑或承載要求高的情況下，整管鋼制波紋管或螺旋鋼制波紋管會更加適用。

中藥材人參是一種補(bǔ)氣藥，為五加科植物人參的干燥根和根莖。

存在的問題

冷彎成形技術(shù)在鋼制波紋管行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，但其仍存在一定的問題和困難。

⑴產(chǎn)品幾何參數(shù)難以控制。冷彎成形是一種連續(xù)加工工藝，其過程中產(chǎn)生的變形難以精確控制和預(yù)測，使得產(chǎn)品的幾何尺寸和形狀難以嚴(yán)格控制，這限制了冷彎鋼制波紋管在一些要求高精度和嚴(yán)格公差領(lǐng)域中的應(yīng)用。

⑵生產(chǎn)效率仍有提高空間。當(dāng)前的冷彎成形設(shè)備和技術(shù)還無法實現(xiàn)高效、全自動化的大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)效率和工藝水平還有提高的空間。

結(jié)束語

展望未來，冷彎成形技術(shù)在鋼制波紋管行業(yè)中具有廣闊的發(fā)展前景。

⑴優(yōu)化設(shè)備和工藝：提高鋼制波紋管的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，縮短產(chǎn)品交付周期。

⑵開發(fā)新材料：研發(fā)更易加工和成形的新材料，擴(kuò)展冷彎鋼制波紋管的應(yīng)用范圍。

⑶智能化和精密化：應(yīng)用先進(jìn)的檢測與控制技術(shù)，實現(xiàn)冷彎成形過程的自動化、精密化和智能化，提高產(chǎn)品的幾何精度和質(zhì)量。

⑷應(yīng)用新技術(shù)：采用連續(xù)成形在線輥彎技術(shù)，實現(xiàn)等曲率單片裝波紋板自動化生產(chǎn)。

冷彎成形技術(shù)作為一種高效、環(huán)保的制管技術(shù)，其在鋼制波紋管行業(yè)中發(fā)揮的作用將日益凸顯。相信隨著材料、設(shè)備及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，冷彎成形技術(shù)定會為鋼制波紋管的制造和應(yīng)用做出更大貢獻(xiàn)。