大直徑異形三通彎頭制造工藝的優(yōu)化與提高

路 明 陸中華 聶公闊 丁 略

（貴州盤江煤電多種經(jīng)營開發(fā)有限公司，盤州 553536）

在煤礦生產(chǎn)中，瓦斯治理一直是一個關(guān)乎安全與環(huán)保的重大課題。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，煤礦的瓦斯治理不僅關(guān)乎生產(chǎn)安全，更與降低碳排放、實現(xiàn)綠色發(fā)展緊密相連。在流體輸送系統(tǒng)中，管件連接特別是大直徑異形三通彎頭的連接，通常采用現(xiàn)場焊接方式。然而，由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜且施焊條件較差，焊接質(zhì)量難以得到保障，從而導(dǎo)致安全隱患。管件還必須具備良好的密封性、耐腐蝕性及足夠的機(jī)械強(qiáng)度。特別是在大直徑異形三通彎頭的制造過程中，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度要求高，傳統(tǒng)的加工方法往往難以滿足現(xiàn)代工程的需求。

1 大直徑異形三通彎頭工藝生產(chǎn)制造

異型彎管件不同于直管件，沒有單獨(dú)能夠切割的直管機(jī)，在切制過程中需要將工件提前穩(wěn)定好，再利用直管機(jī)或者三維激光切割機(jī)進(jìn)行切割。彎頭的設(shè)計需要根據(jù)實際的管道尺寸和形狀進(jìn)行。這一步驟涉及使用SolidWorks 等計算機(jī)輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）軟件繪制彎頭的展開圖，包括彎頭的側(cè)面投影、接縫線等細(xì)節(jié)。對于多節(jié)彎頭，還需要明確彎頭的曲率半徑，以便進(jìn)行精確放樣。在設(shè)計完成后，需要根據(jù)管道直徑、半徑、保溫層厚度等參數(shù)，通過特定的公式計算出大面彎頭或彎頭小面的下料比例。意大利博利馬（BLM）集團(tuán)的LT14和LT24 激光切割機(jī)因其多功能性、高精度和高生產(chǎn)效率而被廣泛使用。這些設(shè)備能夠處理直徑25～355 mm 的管材和型材，適用于大直徑異形三通彎頭的生產(chǎn)。將設(shè)計好的彎頭模型放置在激光切割機(jī)的工作臺上，啟動激光切割程序。激光切割過程中，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)自動調(diào)整激光功率和掃描路徑。激光切割完成后，需要對切割面進(jìn)行必要的后處理，如打磨、拋光等，以達(dá)到預(yù)期的表面質(zhì)量。

2 大直徑異形三通彎頭特性

2.1 圓弧處變扁

在彎曲過程中，彎頭圓弧部分發(fā)生明顯的扁平化，形成橢圓形截面[1]；管材受到的徑向壓力分布不均，導(dǎo)致材料向內(nèi)側(cè)流動不足，出現(xiàn)外側(cè)材料無法完全填充彎曲造成的空間的情況。這種變扁會降低管件的承壓能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，影響流體流動的平滑性。

2.2 圓弧外側(cè)管壁減薄

彎曲過程中，彎頭圓弧外側(cè)的管壁厚度明顯減小，甚至可能低于設(shè)計或安全標(biāo)準(zhǔn)。小半徑彎曲時，管材外側(cè)受到拉伸，內(nèi)側(cè)受到壓縮，導(dǎo)致外側(cè)管壁減薄。管壁減薄會顯著降低管件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐壓能力，增加泄漏和破裂的風(fēng)險。

2.3 圓弧外側(cè)開裂

在彎頭的圓弧外側(cè)出現(xiàn)裂紋或開裂現(xiàn)象，主要原因有管材本身的質(zhì)量問題（如熱處理不當(dāng)）、彎曲過程中的過大應(yīng)力或潤滑不足導(dǎo)致的摩擦力增加。開裂會嚴(yán)重破壞管件的結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致泄漏和失效，是嚴(yán)重的安全隱患。

2.4 圓弧內(nèi)側(cè)起皺

彎頭圓弧內(nèi)側(cè)出現(xiàn)皺紋或起皺現(xiàn)象，主要原因為彎曲過程中內(nèi)側(cè)材料受到壓縮而無法順利流動，或者是芯棒支撐不當(dāng)、壓模力不足等工藝問題。內(nèi)側(cè)起皺不僅影響管件的美觀性，還可能影響流體流動的順暢性，降低管件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3 異形三通彎頭制造工藝缺陷分析

3.1 坡口加工與組對問題

在異形三通彎頭實際生產(chǎn)中，支管的外斜坡部位若被加工成內(nèi)斜坡部位并與主管頭垂直搭接，焊后很容易出現(xiàn)明顯的未焊透問題。對于同徑三通彎頭，開口不良會造成相貫線連接形成“V”字形，在連接時也易產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力過大，降低焊縫強(qiáng)度[2]。在插入式三通彎頭的制造中，若支管插入主管內(nèi)過長，會阻礙介質(zhì)流動，減小主管的有效截面積，導(dǎo)致操作誤差。

3.2 焊縫質(zhì)量與位置問題

異形三通彎頭的接頭焊縫位于主管與支管相交的相貫線上，形狀和位置復(fù)雜，焊縫質(zhì)量控制難度較大。若加工精度不高或焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，易導(dǎo)致未焊透。焊接前未清理坡口及附近的雜物，或焊接過程中操作不當(dāng)，都會加速焊縫冷卻，產(chǎn)生氣孔和夾渣等缺陷。

3.3 材料與應(yīng)力問題

焊接高強(qiáng)鋼或特殊合金時，易出現(xiàn)冷裂紋等缺陷，需特別考慮焊接材料和工藝。異形三通彎頭因結(jié)構(gòu)特點，如開口尺寸不均勻或間隙過大，易導(dǎo)致應(yīng)力集中，增加裂紋風(fēng)險。這種應(yīng)力集中會在焊接或熱處理中出現(xiàn)。

4 異形三通彎頭制造工藝優(yōu)化對策

4.1 精確加工坡口

支管坡口的加工應(yīng)精確控制，避免內(nèi)坡口導(dǎo)致的未焊透問題。采用機(jī)械加工或高精度切割設(shè)備，確保坡口角度、尺寸和表面質(zhì)量符合設(shè)計要求[3]。對于同徑三通彎頭，應(yīng)特別注意開口的形狀和尺寸，避免形成“V”字形接頭。同徑三通彎頭常用于管道分支、匯合、調(diào)節(jié)流量和切換流向等場合，其材質(zhì)應(yīng)與管道主體材質(zhì)相同，以保持系統(tǒng)的統(tǒng)一和穩(wěn)定。對于腐蝕性介質(zhì)，必須遵循操作規(guī)程，避免安裝不當(dāng)引發(fā)事故。同徑三通彎頭的布局應(yīng)便于操作和檢修，以便及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。

在組對過程中，應(yīng)確保主管和支管的同軸度和垂直度，采用專用夾具或定位裝置，固定支管和主管的相對位置，確保焊接過程中的穩(wěn)定性。異形三通彎頭生產(chǎn)所使用的坡口加工方法包括利用磁力切割機(jī)沿管壁切割、在鋼板上采用半自動切割機(jī)切割以及使用坡口機(jī)切割鋼板坡口。對于厚度大于16 mm 的鋼板可以開雙坡口，要求嚴(yán)格采用半自動切割機(jī)操作，禁止手工切割。切割后需進(jìn)行檢查，確保對角線誤差、鈍邊偏差、角度偏差、間隙偏差均在規(guī)定允許范圍內(nèi)，并要求坡口面溝槽不超過1 mm。在坡口加工和組對過程中，應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控和檢驗，及時發(fā)現(xiàn)和糾正問題，確保工藝質(zhì)量符合要求。

4.2 提高坡口加工精度

第一，異形三通彎頭采用先進(jìn)坡口加工設(shè)備和技術(shù)。坡口機(jī)械（上海）有限公司生產(chǎn)的平板系列坡口機(jī)包括滾剪、銑邊坡口機(jī)。這些設(shè)備可加工出平整無毛刺坡口，無須二次打磨[4]。在加工過程中，管子會被液壓缸固定，兩邊充入液體向內(nèi)凸脹，然后從適當(dāng)位置切除凸起，打成坡口，并且要經(jīng)過2 次噴丸處理。異形三通彎頭制造工藝優(yōu)化如圖1 所示。

圖1 異形三通彎頭制造工藝優(yōu)化

第二，定期校驗和維護(hù)加工設(shè)備。在焊接前，徹底清理坡口及其附近的油、銹、水分等雜物，保證焊接區(qū)域的清潔度。坡口加工需先清理油污、銹蝕和水分，用布擦拭至98%的清潔度。預(yù)處理用#80 石英砂噴砂，角度為45°，距離為150～200 mm，同時用#80 砂輪片打磨至粗糙度不大于1.6 μm，確保去除率在95%以上。焊接時，根據(jù)焊條直徑和材料厚度調(diào)整速度，如對接焊縫速度為20～30 cm·min-1、角焊縫速度為15～25 cm·min-1，直徑3.2 mm 焊條電流為100～130 A。用99.99%純度的保護(hù)氣體覆蓋焊縫及其兩側(cè)50 mm 范圍，流量為15～20 L·min-1。確保坡口清潔度，實時監(jiān)控調(diào)整焊接參數(shù)，全程監(jiān)控并采用無損檢測、目視檢查和尺寸測量等手段，及時處理缺陷。不合格焊縫返修或重焊，確保質(zhì)量達(dá)標(biāo)。建立焊接質(zhì)量管理體系，培訓(xùn)和考核焊接人員，提升技能和質(zhì)量意識。

4.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

在異形三通彎頭設(shè)計中，需考慮應(yīng)力集中和變形問題。通過合理設(shè)計，如增加過渡圓角、優(yōu)化開口形狀等，降低應(yīng)力集中，減少焊接變形[5]。熱處理異形三通彎頭時，應(yīng)嚴(yán)格控制熱處理工藝參數(shù)，消除焊接殘余應(yīng)力，加強(qiáng)無損檢測技術(shù)的應(yīng)用，嚴(yán)格控制原材料、焊接材料、焊接工藝等，確保焊縫及兩側(cè)50 mm范圍得到有效保護(hù)。采用分層、分區(qū)開挖的施工規(guī)劃，實現(xiàn)隨層支護(hù)，保證圍巖支護(hù)加固的及時性。

計算分析鉆孔爆破、開挖出渣和錨噴支護(hù)各工序的施工強(qiáng)度及耗時，合理安排各工序的循環(huán)方式和時間間隔。通常根據(jù)裝藥量體積公式，先求出每循環(huán)進(jìn)尺所需用藥量Q為

式中：q為單位體積的用藥量，mg·cm-2；s為用藥區(qū)域的面積，cm2；L為用藥層數(shù)；η為用藥倍數(shù)。

針對掏槽孔，采用楔形掏槽方式，深度為1.2 m，以提高效率。使用長度為32 mm 的藥管，同時控制藥量，確保安全經(jīng)濟(jì)。對于周邊眼，采用松動爆破技術(shù)，淺孔1.0 m，使用低猛度炸藥，減少對彎頭損傷。針對特殊部位，優(yōu)化變形監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，使用激光測距儀和反射棱鏡實現(xiàn)折線測距，建議預(yù)警值為12 mm。采用焊接工藝提升三通彎頭制造質(zhì)量和效率，降低成本和風(fēng)險。

5 結(jié)語

大直徑異形三通彎頭制造過程中，傳統(tǒng)工藝存在坡口精度不足、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。為解決這些問題，采用噴砂、打磨等預(yù)處理方法清理坡口及其附近區(qū)域，有效去除了表面氧化層和污染物。在焊接過程中，根據(jù)焊縫位置和要求，合理調(diào)整了焊接速度和電流大小。改進(jìn)后的制造工藝在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出色，大幅降低了焊接成本，提升了構(gòu)件的整體性能，延長了構(gòu)件的使用壽命。