用于感应弯曲成形具有大壁厚和大直径的耐压管的方法以及感应管弯曲装置与流程

本发明涉及一种具有权利要求1前序部分特征的、用于感应弯曲成形具有大壁厚和大直径的耐压管的、尤其是对发电厂用管和管道用管进行感应弯曲成形的方法以及一种具有权利要求8前序部分特征的、适合用于实施的感应管弯曲装置。

背景技术：

为了在压力下输送液态和气态介质，需要具有大壁厚以承受应力的钢管。这种要求例如适用于发电厂中热蒸汽的输送，在那里需要使管弯曲，以便使管道适配于已有结构条件；或适用于原油或天然气在长距离管道中的输送，在那里需要以规则的间距使用u形管，以便补偿由热引起的长度变化。为了实现大的通过量，需要大的开口横截面和相应大的管外径。本方法所涉及的管通常具有大于300mm的公称直径并且直径与壁厚的比值为10:1至100:1、通常为20:1至70:1。

这种感应弯曲成形方法早已知晓，例如由de2513561a1公开，并且不断被改进，以便在管具有大尺寸以及大壁厚的情况下也能制造尺寸非常稳定的弯管。尽管对于管弯曲而言预设弯曲角度的精确维持受到控制，但在管弯曲区域中仍留有两个不利的形状偏差。这一方面涉及椭圆度，即管横截面与期望圆形理想形状的偏差，另一方面涉及弯管外侧上的壁厚减少。

具有上述尺寸比例的圆管以约1％的椭圆度制造和供货。在实施感应弯曲过程后在弯管上的允许非圆度根据欧洲和北美标准为4％。更大的偏差是有问题的，因为基于通过弯管传输的介质的内部压力在管壁上出现局部不同的拉应力。在尤其是用于厚壁管的高压应用中，这种基于非圆度出现的附加负荷十分重要。基于几何偏差常常必须选择比仅基于流体压力计算所需更大的壁厚。

感应弯曲成形对管的另一不利影响在于在弯管外侧和弯管内侧上不同的壁厚分布。在围绕位于管纵轴线上的中性区弯曲时，管壁在待形成弯管外侧的区域中受到拉应力。由于弯管外侧比未变形管区段更长，因此不可避免地出现壁厚减少。相反，在弯曲时在弯管内侧上存在压应力并且基于必要的弯管长度缩短而产生壁厚增加。但这些不可避免的影响也导致对于高压应用的强度计算必须始终从最薄弱的壁(即弯管外侧上的壁)着手。出于该原因，整个管的壁厚必须选择得显著大于直线区段，以便在弯管中实现足够的强度。

技术实现要素：

本发明的任务在于，在成形时减少削弱弯管强度的几何变化、如椭圆度和壁厚减少。

根据本发明的解决方案通过一种具有权利要求1特征的用于感应弯曲成形的方法和一种具有权利要求8特征的用于实施该方法的感应弯曲装置来提供。

根据本发明的方法首先基于：在成形开始之前在管上人为施加椭圆度，即所谓的平椭圆形状。“平”表示椭圆(其相应于管横截面的形状)的长径轴线位于弯曲平面中。基于管的大质量和所需的弯曲臂的位置固定设置，感应弯曲成形在实践中只能在水平面中实施，因此长径轴线同时水平定向。

为了实现平椭圆度，根据本发明，管在加热之前和因此在进入成形区之前在压力机单元中通过压力柱塞和支座或通过两个彼此相对工作的压力柱塞被竖直压缩并且在水平方向上被侧向引导。

该压缩在此优选以与在对管类型相同的具有特定弯曲角度的弯管实施感应弯曲成形方法时出现的非圆度相同的非圆度进行。特别优选地，在实施管弯曲方法时连续调整椭圆度，使得首先以较小的预椭圆度加工，该预椭圆度朝向弯管中心增加，因为如果没有本发明的预处理过程在那里将出现最大的椭圆度。

通过在进入电感器之前作为平椭圆施加在管上的横截面形状，在管弯曲的起点、在其中心以及末端上的所有椭圆度都被消除，在此起点定义为沿进给方向看的前端部。因此在弯曲时——与传统成形相比以非常小的公差——获得横截面为圆形的管。明显的矛盾(即根据本发明虽然在管弯曲开始前人为制造椭圆度但在管弯曲起点处获得圆形横截面)在于压应力和拉应力在弯管中的内部分布。在没有本发明的措施时这些应力是椭圆度的原因，但它们在本发明预处理的影响下导致所有效果相互补偿。

根据本发明规定的、用于在感应弯曲成形时优化管几何形状的第二措施基于：至少转移在弯管内侧和弯管外侧上不可避免的不同壁厚分布，其方式是：将中性区向外部移动，尽管弯管内侧上的壁厚基于体积不变自然法则进一步增加，但这对弯管的强度和后期加工性没有负面影响。重要的是，该措施可减小外侧上的壁厚减少，即根据本发明获得比目前可能使用的同类管更大的壁厚。

在根据传统感应弯曲方法生产的90°弯管中壁厚减少为最大25％，更确切地说弯曲半径与管径的常见比例例如为1.5:1。根据本发明可显著减小壁厚减少、尤其是减半。这意味着在根据本发明的方法中弯管外侧上的壁厚比现有技术中大12.5％。这还意味着，在衬管壁厚相同时可实现更高的运行负荷，或甚至可在相同的运行条件下选择更小的原始壁厚。这又降低重量和节省成本。

在管感应弯曲成形时中性区的移动根据本发明这样实现：不同地加热弯管外侧和弯管内侧之间的管横截面，在此弯管外侧比弯管内侧较少地加热。基于较高的温度，弯管内侧上的变形阻力小于弯管外侧上的变形阻力，由此有目的地在弯曲时使中性区向弯管外侧移动。因此本发明有针对性地利用了为材料提供的成形温度间隔。

具有变化的温度曲线的成形根据本发明在弯曲角度的局部区域中进行。从起点直线区段起到该局部区域中采用过渡程序，在该过渡程序中移动从对称于管中心的初始位置逐渐向外进行。从该局部区域进入末端直线区段也采用过渡程序，在其中温度曲线再次逐渐对称校准。

所述局部区域在规定弯曲角度的约80％-90％上延伸。在此局部区域从起点直线区段起在弯曲角度的约1°-2°处开始并且在过渡到末端直线区段的过渡前方约1°-2°处终止。

根据本发明规定的温度曲线移动优选基于环形电感器在弯曲平面中的移动、尤其是向外移动，优选结合感应装置的电功率调整、即加热功率的变化。通过向外移动电感器，电感器在弯管内侧上比在外侧上更靠近管壁，因此在此进行更强的加热。相对于所使用的大于600mm的管径，约5－50mm的移动范围非常小。为了通过感应加热大壁厚，气隙、即在作为载流导体的环形电感器与管周面之间的距离不能太大。另一方面，在任何情况下都必须避免与管外侧的金属接触。电感器的直径优选为1.05mmdrohr加上25mm。因此，在具有drohr＝1000mm的管中产生75mm的理论移动行程，但实践中只有约50mm可用于实现侧向移动的温度曲线。

代替或附加于局部不同的加热，也可通过局部冷却实现有针对性的能量耗散。

在不接触的情况下测量温度作为弯管内侧和弯管外侧上的表面温度并且将这些值传输给控制装置。通过控制装置可改变温度分布，即，通过提高弯管外侧上的冷却功率和/或提高弯管内侧上的加热功率和/或沿横向方向改变电感器的位置。

在本发明方法的一种优选方案中规定一种既调节距离同时又调节功率的方法。由此可有针对性地影响弯管内侧和弯管外侧。在此，操作者可预先选择首先应调节弯管哪一侧的距离并且预设期望的表面温度连同允许的公差范围。随后控制装置自动改变电感器的位置，从而在弯管内侧和外侧之间对弯管实现期望的相对分布并且另外还调整电功率，使得达到绝对成形温度。

附图说明

下面参考附图详细说明本发明的细节。附图如下：

图1以示意图示出感应管弯曲装置；

图2以俯视图示出弯管；

图3示出图2中标记的横截面中的根据现有技术的横截面；

图4示出图2中标记的横截面中的根据本发明的横截面；

图5以横截面图示出弯管中心的不同壁厚分布；

图6以纵剖面图示出弯管中心的不同壁厚分布；

图7示出用于预椭圆化的压力机单元。

具体实施方式

图1示出感应管弯曲装置100，其包括位置固定的机座10，在该机座上设有用于管1的保持装置11。保持装置11在管的后端夹持管1并且固定地夹紧管。此外，保持装置11可沿管中心轴线2的方向(其同时表示进给方向)相对于机座10移动。所述进给通过液压单元12实现。

弯曲臂30可转动地支承在竖直弯曲轴线32上，在此可调节弯曲轴线32垂直于管中心轴线2的距离，以便预设期望的弯曲半径。在弯曲臂30上设置弯曲锁31，借助该弯曲锁可夹持并夹紧管1。

相对靠近电感器20和热流入区地设置在此未示出的冷却装置，当相应长度区段从成形区出来时，借助该冷却装置例如通过水冷却表面温度。

感应装置包括环形电感器20，该环形电感器以其中心定位于管中心轴线2的区域中。

上述特征也是已知的感应管弯曲装置的组成部分，而根据本发明一方面设置横向调节装置21，以便使电感器20能够横向于衬管1的纵轴线2移动。

另一方面设置压力机单元50，图7以从前方、即从机座10沿进给方向看的视图示出压力机单元的一种优选实施方式。在机架51中在上方和下方分别设置至少一个液压柱塞52、53，所述柱塞分别设有双锥体或旋转双曲面或其它凹入式旋转对称体形状的压辊54、55。通过这种形状，在管1的每一侧上仅借助一个辊就可在管1外圆周上的两条相互间隔开足够距离的线上实现负荷分布。由此避免在管外周面上基于过高表面压力的运行轨迹。液压柱塞52、53在一次调节后即朝向位于管中心轴线2上的中心以相同的行程运行，以致压辊54、55同时接触管周面并且随后也以相同的力引起变形。因此管在实施整个弯曲成形方法期间在竖直平面中保持对中。

在机架51右侧和左侧设置两个另外的液压柱塞56、57，它们在其端部上分别具有至少一个导辊58、59。因此管1也在水平方向上对中，从而其精确地在中心轴线2上通过设置在上方和下方的具有压辊54、55的柱塞52、53压缩并且不会出现偏心。通过侧面的液压柱塞56、57仅定位和保持导辊58、59，但其不向管施加变形力。侧面导辊58、59优选是凸球形或圆柱形，以便防止管1因成形而沿竖直方向固定在导辊上。

在水平和竖直轴线上的这种设置适用于在水平面中实施的管弯曲。

如图7所示，压缩仅在竖直方向上进行，使得管1的横截面呈椭圆形状，即长径轴线水平延伸。为了说明，图7以及下面详细解释的图3中的椭圆度被夸大地示出。实际所施加的非圆度在管弯曲的起点仅约为管直径的1％、在末端约为1.5％并且在中心达管直径的4％，因此肉眼几乎看不到。

压力机单元50的机架51构造成环状的，更确切地说在此意义中机架构造成本身封闭的、即连续的。外部形状在俯视图中优选为菱形，在每个角点上设置柱塞52、53、55、56之一。

图2示出具有起点直线区段2和末端直线区段4的弯管3。在图2中标记出三个不同的横截面a-a、b-b和c-c，横截面b-b设置在弯管3的中心，因为在那里弯管内侧和弯管外侧的壁厚偏差最大。

图3示出根据现有技术的感应弯曲方法产生的在图2中标记的位置的横截面。据此仅在区域a-a中、即未变形衬管1的末端直线区段4上的横截面仍然是圆形的。基于成形过程，作为弯管3中心的横截面b-b产生所谓的立椭圆度，这同时导致在c-c区域中、即过渡到起点直线区段2的过渡部上的平椭圆度。

相反，通过使用根据本发明的感应弯曲方法，对于所有三个横截面a-a、b-b和c-c均产生圆形形状，如图4所示。

图5以平面b-b中的另一横截面图示出弯管3上的不同壁厚分布。在弯管内侧3.2上的壁厚明显厚于弯管外侧3.1上的壁厚。表征中性区的竖直轴线3.3不在管横截面的中心，而是根据本发明朝向弯管外侧3.1偏移。这例如通过下述根据本发明的在成形区中不对称的温度分布来实现：

弯管外侧3.1850℃

弯管内侧3.21000℃

在此电感器移动行程仅偏心约10毫米。相对于其它几何尺寸这种小的调节行程已足够实现本发明的效果。

图6示出在弯管3的水平纵剖面图中的壁厚分布。中间的点划线表示管中心轴线2。中性区3.3平行于其延伸。在弯管内侧3.2和弯管外侧3.1的区域中的虚线表示在未变形管1上的壁厚。实线表示在实施弯曲成形后出现的壁厚。在此偏差也被夸大地示出。

下面示出在具有10mm标称壁厚的衬管中壁厚分布的示例：

a)根据现有技术的感应弯曲成形：

弯管外侧3.17.5mm(-25％)

弯管内侧3.215.0mm(+50％)

管内径变化(收缩)：-1.25mm

b)根据本发明的感应弯曲成形：

通过相应调整温度可使中性区3.3向内或向外移动。通常借助根据本发明的方法力求向外移动，以便使弱化减半：

弯管外侧3.18.75mm(-12.5％)

弯管内侧3.217.50mm(+75％)

管内径变化(收缩)：约-3.125mm

因此，弯管外侧3.1的弱化减半。同时在弯管内侧3.2上的壁厚增加虽然导致内径略微减小，但考虑到所使用管的大直径，由此产生的约2mm的净管横截面的减少可以忽略。