一种超60mm壁厚大小口径管道管嘴的成形方法与流程

本发明涉及到一种超60mm壁厚大小口径管道管嘴的成形

方法，能满足我国第三代核电技术规范要求。

背景技术：

国内外正在运行的“二代加”核电站使用的超级管道母管外径为Φ812.8，壁厚46mm,热挤压各管嘴前要在管坯上加工预制孔，预制孔尺寸是根据管嘴热变形前后体积相等，母管直径与管嘴直径比值大于3.3、管嘴直径与管嘴壁厚比值小于11，管嘴预制孔均可加工圆柱孔或加工成侧壁斜度小于6°的锥孔，是否在母管上加工锥孔取决于管嘴高度，坯料够用就可简化，加工成圆柱形预制孔。

制造“二代加”核电站超级管道的管嘴，母管壁厚满足了管嘴外径、管嘴壁厚和管嘴高度尺寸用料的需要。因此对管坯预制孔的形状就没有限制了，母管加工预制孔的计算方法如下：

Kπh/4(d1²-d2²)≥πt1 (d2²―d²) （1）

式中：h-管嘴毛坯高度 ； d1- 管嘴毛坯外径 ； d2-管嘴毛坯内径 ，也同时设定为 预制孔的外径 ； d -预制孔内径； t1- 母管壁厚； K-是热损耗系数 取值1.03-1.2。

比较有技术难度的是如何保证管嘴的轴向内r2值。上述所有管嘴的轴向内r2值都满足一般金属材料在有模具限制的条件下，热弯90°最小折弯半径外r1是0.2t—0.3t(t是材料的壁厚)；这个轴向外r1也可以是模具给定值，那么管嘴的轴向内r2值为1.5r1。

现有技术的缺点：

我国设计的第三代核电站使用的超级管道各项技术指标都高于国外制造的正在运行的“二代加”核电站超级管道的技术指标，第三代核电站更安全，其超级管道的制造难度更大，“二代加”核电站超级管道制造技术已经达不到制造我国自主研发的第三代核电站超级管道的技术要求。我国自主研发的第三代核电技术，设计核电站的寿命是60年，其超级管道的管坯壁厚由“二代加”的45mm增加到60mm，壁厚增加了34.7%。各规格管嘴的壁厚分别增加6.5%，29.3%，58%，其中Φ114.3管嘴壁厚由8.55mm增加到13.5mm，这个管嘴的径壁比由“二代加”的13.45降到8.67。用同等壁厚的钢管热挤压管嘴，径壁比越小成形难度越大，其轴向内r2值越大；径壁比小于10的管嘴成形困难更大。

我国第三代核电站超级管道设计的每一回路有不同规格的管嘴，分布在三个相位（即0°、90°、180°或270°），其角度公差只有0.2%，4个管嘴之间的轴向距离公差总和为3mm。且径壁比11以下管嘴有两个，径径比小于3.3的管嘴也有两个。这些技术指标用制造“二代加”超级管道的技术是制造不出来的，必须探索制造我国自主研发的第三代核电超级管道管嘴的新方法。

技术实现要素：

本发明的目的：我国自主研发的第三代核电超级管道径壁比11以下，管嘴在热挤压成形过程中轴向内r2值比径壁比11以上管嘴在热挤压成形过程中轴向内r2值大20%—30%。径壁比小于11的管嘴成形困难更大。所以需要解决制造我国自主研发的第三代核电站超级管道的三个技术难题（以62mm壁厚的母管上热挤压Φ117.3mm管嘴为例 ）。

1.在62mm壁厚的母管上热挤压Φ117.3mm管嘴，由于管壁厚需要热挤压力大，管嘴内径只有Φ84mm，热挤压设备活塞杆要小于管嘴内径，且是运行在1000℃左右的高温环境，行程达到380mm，易于变形的问题。

2. 管道小口径厚壁高管嘴的轴向内r2值大，难加工、正品率低的问题。

3. 62mm壁厚母管生产中出现的母管直径与母管上管嘴直径的比值小于3.3、管嘴直径与管嘴壁厚比值大于10，管嘴在热挤压成形后轴向比径向高出很多的山峰形状的问题。

本发明的目的是这样实现的，一种超60mm壁厚大小口径管道管嘴的成形方法，

1.开发带有二级缸的热挤压设备，在母管内径只有745mm的空间很容易的连续热挤压出小口径、厚壁、高管嘴，达到我国自主研发的世界第三代核电站超级管道小口径、厚壁、高管嘴技术要求。

采用带有二级缸的热挤压设备，在保证390t热挤压力的条件下行程达到380mm。二级缸既能增大行程、又能在满足热挤压力的同时保证热挤压设备活塞杆的强度，以保证在母管内径只有745mm的空间连续热挤压出满足我国自主研发的世界第三代核电站超级管道的小口径、厚壁、高管嘴。

二级缸设备的优点：将行程分成二段，第一段为一级缸行程，一级缸活塞杆直径大，强度高热挤压力大，分配给一级缸的行程是运行在母管内孔；一级缸行程140mm。第二段为二级缸，二级缸Φ80mm活塞杆的行程为246mm,只进入母管孔型与管嘴中，在热挤压管嘴过程中被挤压的管嘴亦然成为二级缸的导向套，起到支撑作用。解决了单缸Φ80mm活塞杆行程大于280mm、最大压力390t时产生变形的问题。

二级缸Φ80mm活塞杆与凸模底座采用球冠式链接，链接定位精准、便捷。

2.在母管内壁加工球缺与圆柱体相贯的预制孔形方法如图1、图2所示，以Φ117.3管嘴毛坯为例，可以将第三代核电超级管道小口径厚壁高管嘴的轴向内r2值控制在母管壁厚的25%以内；

计算公式如下：

r2=k2r1 (2)

r2-管嘴的轴向内值；k2-取值为0.65，0.7，0.8。

用预制孔形体积求得预制孔形中d值：

Kπh/4(d1²-d2²)≥πt1 (d2²―d²)― V1 （3）

式中：h—管嘴毛坯高度 ； d1— 管嘴毛坯外径 ； d2—管嘴毛坯内径， 也同时设定为 预制孔的外径 ；d—预制孔内径 ； t1— 母管壁厚； K—是系数取值1.03-1.2 ； V1— 球缺体积。

V1=1/6πh1 (3r4²―h1²) （4）

式中：h1—球缺高 ； V1— 球缺体积 ； r4是球缺1/2底。

3. 在母管上加工圆柱孔，得到管嘴的实际形状如图3所示，轴向比径向高30%—33%。

计算公式如下：

Kπh/4(d1²-d2²)≥πt1 (d2²―d²) （1）

式中：h-管嘴毛坯高度 ； d1- 管嘴毛坯外径 ； d2-管嘴毛坯内径 ，也同时设定为 预制孔的外径 ； d -预制孔内径； t1- 母管壁厚； K-是热损耗系数 取值1.03-1.2。

r2=k2r1 (2)

r2-管嘴的轴向内值；k2取值为0.65，0.7，0.8；

4.在母管上加工椭圆锥孔的方法，如图4所示；即在母管外表面加工椭圆形预制孔，母管预制孔加工7°-12°的侧壁斜度，经过对预制孔孔型的仿真与试验优化，得到径径比小于3.5时加工预制孔尺寸计算方法。

图4中(D1+D2)/2=d ；t1— 母管壁厚；

1）如图2所示，按照公式（1）计算在母管上加工预制孔的直径d;

2）母管外表面加工椭圆形预制孔的长轴x= d1+a；（5）

式中：d1—管嘴毛坯外径，a—管嘴与母管相贯线高度的0.65 ;椭圆的短轴y= d1―b；（6）

式中：b—管嘴与母管相贯线高度的0.3。

按照以上方法研制出来的Φ359mm最大管嘴轴向与径向高度3%-5%之间。

本发明的优点：

1、热挤压设备设计为二级缸，一级缸行程≤140mm、二级缸行程120mm—260mm。解决了单缸Φ80mm活塞杆行程大于280mm、最大压力390t时产生变形的问题。

2、本发明能制造组合预制孔如图2所示，球缺高度≤1/2r。

3、本发明能热挤压直径Φ50mm—Φ800mm的管嘴。

4、本发明能热挤压椭圆锥孔Φ246mm—Φ860mm，7°≤预制孔侧壁斜度α≤70°的管嘴。

5、一次性顶拔成型Φ240mm以上的管嘴轴向与径向高度差≤5%。

6、确保顶拔管嘴的轴向内r2（见图3）符合设计要求。

7、充分利用母管有限的管嘴坯料，使顶拔的小口径厚壁高管嘴满足设计要求。

8、由于本项技术控制了大小管嘴的精准成型高度，使凹模高度设计得更合理，在保证管嘴高度的条件下，减轻了凹模的体积，节省投资，符合我国自主研发的第三代核电站超级管道要求。

附图说明

图1是二级缸千斤顶结构示意图；

图2是母管内壁加工球缺与圆柱体相贯的预制孔示意图；

图3是母管上加工圆柱孔管嘴示意图；

图4是母管上加工椭圆锥孔管嘴剖视图；

图4-1是母管上加工椭圆锥孔管嘴俯视图；

图5是本发明管嘴成型工装结构示意图；

1、凹模 2、母管 3预制复合孔、 4、凸模 5、热挤压设备 6、垫板 7、底模 8、感应加热器。

具体实施方式

实施例一

如图2预制复合孔形、图5超级管道复合孔型管嘴成型工装所示；加工椭圆预制孔，在图5工装上热挤压Φ117.3管嘴，以检验管嘴轴向内r2≥6的控制精准；

步骤1将加工好预制复合孔的母管2吊装到底模7上，母管2上预制复合孔3中心线的延长线对准底模7中心线延长线；

步骤2扣上凹模1，对正凹模1与母管2预制复合孔3中心；确认位置后上移；

步骤3组装热挤压系统：将热挤压设备5装在垫板6上，再将凸模4装到热挤压设备5上； 凸模4与热挤压设备5是轴孔配合；链接定位精准、便捷；

步骤4将组装热挤压系统送入母管2内，使凸模4的中心与母管2上预制复合孔3中心一致；

步骤5用感应加热器8的中心对准被加热母管2上预制复合孔3中心；

步骤6母管2上预制复合孔3被加热到850℃-1160℃；

步骤7移走感应加热器8,；将凹模1下移扣到底模7和母管2上，并压紧凹模1；

步骤8启动热挤压设备5，在母管中由一级缸和二级缸连续热挤压各种形状的管嘴，热挤压速度2—20mm/s；

步骤9热挤压设备5行程到位后，立即退回，避免热挤压系统在高温环境下长时间停留；

步骤10卸载凸模4和凹模1；

步骤11母管2自然冷却后测量管嘴尺寸，管嘴加热及成形的时间在1小时左右；此时管嘴的外径为Φ117.3mm，壁厚为14.5mm，高度为55mm，轴向内r2≥6达到了精度准。

实施例二

以Φ359mm最大管嘴为例：母管外表面加工椭圆形预制孔，预制孔侧壁斜度α为7°-12°如图4所示，在图5 所示的装备上热挤压管嘴，实施步骤与实施例一相同，以检验管嘴轴向内r2的控制精准。

本实施例只是加工预制孔的方式不同，因为管嘴大，凸模和缸体都大，选择用一缸，其它步骤和实施例一步骤相同，不再叙述。

试验结果表明：在母管外表面加工椭圆形预制孔，预制孔侧壁斜度α为7°-12°，然后热挤压Φ359mm最大管嘴，管嘴毛坯壁厚28.5mm管嘴毛坯高度80mm。母管管嘴轴向与径向高度差小于5%，有效的利用了母管材料，母管外表面加工椭圆形预制孔的方式，轴向内r2≥6，达到了精度要求。