金屬波紋管液壓脹形技術應用和研究進展

李 響*

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院）

0 引言

波紋管是指具有波浪形凹槽的軸向可伸縮的柔性管件，金屬波紋管主要由波紋管波谷、波峰、波紋管直邊組成。根據材質不同可分為金屬波紋管（碳鋼、不銹鋼等）和非金屬波紋管（鋼質襯塑料），其中金屬波紋管主要作為彈性元件應用于化工、石油、航空航天、核電等行業，在溫差較大的管道上可實現位移補償、減震和連接等功能；根據層數不同可分為單層波紋管和多層波紋管[1]，例如雙層金屬波紋管內層采用合金材料，外層選擇不銹鋼材料。多層波紋管的補償效果優于單層波紋管。

波紋管截面形狀可分為C 形、U 形、S 形和Ω形等[2]。U 形金屬波紋管的軸向伸縮量大，但承受壓力的能力較弱，一般用于天然氣供氣管道及自來水管道等；Ω 形金屬波紋管常用于高溫高壓環境，并和加強環一起使用，但是軸向伸縮量不足；S 形金屬波紋管的截面波紋大于其他截面形狀的波紋管，使用時位移補償較好，能夠承受高壓，常用于高壓環境[3]。S 形金屬波紋管的截面結構如圖1 所示。

圖1 S形金屬波紋管截面結構

1 金屬波紋管液壓脹形技術概述

1.1 金屬波紋管液壓脹形工藝

金屬波紋管一般可采用液壓脹形工藝、沉積成形、機械加工、焊接、滾壓成形、電輔助成形等工藝進行加工[4]。其中，滾壓成形容易造成波紋管表面局部起皺，對于波紋管高度較大的波紋管可采用焊接工藝成形，但是焊接得到的波紋管無法承受高壓。沉積成形即3D 打印技術，但受打印材料成本，以及成形后的波紋管壁厚不均等原因影響，目前無法實現大批量生產。金屬波紋管采用液壓脹形技術加工質量較好，波紋管厚度分布均勻，同時可以節省材料，降低制造成本，因此，目前主要采用液壓脹形技術加工金屬波紋管。

金屬波紋管截面一般由同樣的波紋狀突褶和直邊組成。金屬波紋管的幾何形狀如圖2 所示，其中D1 為金屬波紋管管坯內徑，H為波紋管高度，R1 為波紋管波谷圓角半徑，R2 為波紋管波峰圓角半徑。計算金屬波紋管展開長度L時，可將波紋弧長沿中線展開求和，金屬波紋管的展開長度L=2×（H-R1-R2）+π×（R1+R2）。

圖2 U形金屬波紋管幾何形狀

金屬波紋管的實際制造生產工序包括金屬材料準備、板料劃線、板料下料、卷板機卷圓、圓坯縱縫點焊、圓坯校圓、無損檢測、管坯清洗、管坯加載固定、管坯整形、水壓試驗和管坯表面處理等。

金屬液壓脹形工藝就是將擠壓沖頭擠壓金屬管坯兩端，使金屬管坯內部形成密閉空間，然后將高壓液體注入金屬管坯內，在液體介質的壓力和擠壓沖頭周向擠壓作用下，使金屬管坯外表面材料在模具內腔中發生塑性變形貼合液壓脹形模具，然后保持金屬管坯內腔內的液體介質壓力不變，似金屬管坯兩側沖頭施加軸向壓力，在液壓脹形沖頭軸向壓力和液體介質內部壓力的作用下，管坯波峰逐漸形成，金屬波紋管在液壓脹形過程中先后經歷了初成形階段（利用液體介質提高內壓）、終成形階段、保壓階段（為減小波紋管回彈需保壓15 min 左右），最后擠壓沖頭移出獲得所需形狀的波紋管，U 形金屬波紋管的典型結構如圖3 所示。一般采用的液體為水和壓力油，利用液體施加壓力使管坯成形，可以減少應力集中程度，保證管坯均勻變形，成形后的管件厚度均勻，成形質量優異。適合成形加工的材料包括不銹鋼、銅合金、鋁合金等。液壓脹形工藝適用于管坯內徑小于4 m 的波紋管加工。

圖3 U形金屬波紋管典型結構

金屬冷成形時材料塑性變形容易產生起皺、破裂缺陷，有學者提出，在金屬變形時施加脈沖電流提高金屬晶粒的流動性，降低金屬變形抗力，提高金屬材料的成形性能，避免金屬成形后發生回彈，該技術稱為電輔助成形工藝，已在金屬旋壓成形、金屬沖壓成形、滾彎成形工藝中得到應用。因此，可將電輔助成形技術與金屬波紋管液壓脹形工藝相結合。當金屬波紋管液壓脹形時，所用的液體介質具有導電性，對液體介質加載脈沖電流，可以利用焦耳熱效應加熱金屬管坯，改變金屬管坯的材料性能，這就是金屬波紋管電輔助成形工藝過程。所以，對于采用變形困難材料的金屬波紋管可以結合電輔助技術改善管坯的成形性能，提高波紋管的抗拉強度。

1.2 金屬波紋管液壓成形工藝參數與缺陷控制

金屬波紋管由于工藝參數、結構等原因引起的缺陷包括波紋管彎曲、起皺和波紋管表面破裂等缺陷。圖4 所示為金屬波紋管液壓脹形產生的主要缺陷形式。波紋管的起皺缺陷主要是由于管坯內液體介質內壓不足，或是沖頭軸向進給過快導致，在塑性變形前的起皺可以保證有足夠材料補給給下一階段變形，塑性變形后的起皺則會導致波紋管失效，在金屬波紋管實際加工過程中需要避免形成起皺缺陷。

圖4 金屬波紋管液壓脹形主要缺陷形式

為了獲得質量優異的金屬波紋管，液壓脹形時需要控制各類參數，液壓脹形工藝中擠壓沖頭的進給速度、管坯尺寸、液壓脹形模具與液體之間的摩擦系數、液體介質壓力會影響金屬波紋管的最終成形效果。首先是液體介質壓力對波紋管充液成形的影響，如果液體介質內壓過小，管坯金屬流動性差，金屬材料無法與模具型腔充分貼合，也就無法得到形狀合適的金屬波紋管。當液體介質的內壓不足時，管坯金屬充分流動，但在初步變形時，波紋管波峰處容易起皺，進而導致管坯破裂，波紋管破裂的原因包括管坯液體內壓過大、沖頭軸向進給速度過慢，通常管坯縮頸的區域容易發生減薄和破裂。根據文獻[2-4]記載，金屬管坯的回彈量隨著液體介質的內壓增加而變大，金屬波紋管的最大減薄量也隨之增加，因此增大液體介質的壓力，管坯金屬會產生更大的回彈量，從而起皺變形。充液模具間隙也會影響金屬波紋管的成形質量，如果充液模具間隙較小，金屬波紋管的波峰無法充分變形，導致合模時波紋管波峰起皺，如果充液模具間隙過大，金屬管坯的流動性好，波紋管的波峰成形效果越好，金屬塑性變形完全，但也增加了減薄破裂的風險。

2 金屬波紋管液壓脹形研究進展

目前，學者對Ω 形波紋管和U 形波紋管進行了深入的研究，尤其關注金屬波紋管在加工過程中的參數優化和工藝缺陷問題。李慧芳[4]等對雙層Ω 形波紋管膨脹節進行研究，分析雙層Ω 形波紋管在液壓脹形過程中的應力應變分布和管坯壁厚減薄情況，發現雙層Ω 形波紋管液壓脹形過程中波紋管膨脹節的大圓弧處出現最大等效應力，波紋管波峰發生較大塑性變形，在停止施加內壓后，最大等效應力位于波紋管大圓弧和小圓弧的過渡處，此外，發現波紋管管坯的波峰減薄嚴重，減薄率高達19%。劉靜等[5]采用ABAQUS 軟件分析了不銹鋼多層波紋管的液壓脹形過程，研究了波紋管層數對金屬波紋管液壓脹形后的壁厚和波紋管波峰紋高度H的影響，發現隨著多層金屬波紋管的層數增加，波紋高度H以及波紋管的內徑也會隨之增大，增加金屬波紋管的外層數量可以減低金屬波紋管波紋外圓角破裂的概率。邢卓等[6]分析了金屬波紋管膨脹節直壁產生褶皺的原因，將波紋管與法蘭焊接時，波紋管和法蘭環焊縫的角焊縫出現焊接缺陷，金屬波紋管膨脹節通過角焊縫缺陷漏氣，從而在氣壓試驗時候膨脹節抽真空形成負壓形成褶皺缺陷。

生產過程中主要采用試錯法調整金屬波紋管充液成形參數，進而獲得成形質量合格的產品。但試錯法成本較高，試錯效率低下，因此，可采用有限元方法研究金屬波紋管的工藝參數對波紋管成形質量的影響規律。采用有限元分析方法可將離散化的變形過程簡化為有限單元的分析過程，對成形后的金屬波紋管的成形質量進行直觀分析。

3 有限元分析方法在金屬波紋管液壓脹形中的應用

液化金屬波紋管的充液脹形過程屬于多重非線性變化過程，其變形過程較為復雜，波紋管在受到載荷作用時也會發生大撓度變形。有限元方法是研究管坯液壓脹形工藝的有效手段，對金屬波紋管的充液成形過程進行仿真模擬，從而對金屬波紋管成形過程中的缺陷進行預測，并縮短波紋管零部件的開發周期。

對金屬波紋管進行有限元分析時，首先要建立有限元模型，包括波紋管加工擠壓沖頭、管坯、中間模具、上下端模具等組成[7]，圖5 為U 形金屬波紋管有限元模型。采用三維軟件進行建模，將三維模型導入至有限元分析軟件中，液壓脹形沖頭為剛性材料，并對模型進行簡化，選擇合適的單元類型，對模型進行網格劃分，再選用合適的材料（包括鋁合金、不銹鋼材料，皆為各向同性材料），然后設置約束條件，包括充液模具和管坯的接觸設置以及載荷設置，設置約束條件時要保證管坯不會發生該方向的變形，同時將液體介質內壓充分均勻施加在管坯內表面，模具和金屬管坯采用面面接觸，管坯兩端的沖頭在軸向施加異向的推力，從而提高液體介質的內壓，保證管坯充分變形。在設置接觸條件時，應考慮充液模具和液體介質之間的摩擦情況[8-9]。金屬波紋管的成形過程可分為5 個階段，即液壓沖頭進給、波紋管波峰初步變形、波紋管完全成形和液體壓力卸載。

液壓脹形領域的學者和技術人員利用有限元方法對金屬波紋管脹形工藝進行了全面的研究。沈陽工業大學鄭文濤等[10]利用仿真軟件建立鈦合金材質的金屬波紋管有限元模型，分析了液體介質壓力、液壓脹形模具的圓角半徑對波紋管的變化規律，發現外徑為21.5 mm 的鈦合金管坯的液壓脹形模具圓角半徑為4～10 t，液壓脹形模具的圓角半徑越小，波紋管的回彈量、減薄和波紋管的成形質量越好。彭赫力等[11]發現金屬波紋管液壓脹形時的液體介質內壓為40 MPa，液壓脹形模具的圓角半徑為5 mm 時，金屬管坯可以與脹形模具內腔完全貼合，同時成形后的波紋管厚度較為均勻，有限元模擬結果和試驗結果中的最大減薄率的準確率僅相差1.4%，說明有限元方法可以有效判斷金屬波紋管液壓脹形時可能產生的缺陷情況。

金屬波紋管的液壓脹形模具的外形尺寸和工藝也會對金屬波紋管的成形質量和力學性能產生影響。李慧芳等[12]研究了液壓脹形模具對金屬波紋管液壓脹形成形質量的影響，分析了液壓脹形模具的傾角、模具內腔厚度對波紋管波峰高度和波紋管波形輪廓的影響，發現隨著波紋管模具傾角的增加，波紋管波峰的回彈量增加。

根據金屬波紋管液壓脹形的有限元仿真結果，可以研究金屬波紋管的減薄率、應力應變分布、厚度分布，可以分析金屬管坯材質和尺寸、液體介質內壓、沖頭軸向進給速度、模具圓角半徑、不同內壓加載方式的參數和條件對金屬波紋管成形質量的影響規律。

4 結論

利用液壓脹形工藝加工金屬波紋管，液體介質壓力可以均勻施加在管坯上，保證了管坯厚度均勻變化，并利用電輔助加熱技術獲得成形質量良好、力學性能優異的金屬波紋管。金屬波紋管的層數、液體介質內壓、充液成形模具圓角、液體介質和模具間的摩擦系數、沖頭進給速度等工藝參數將會影響金屬波紋管最終的成形質量。采用有限元方法可對采用不同工藝參數的金屬波紋管液壓脹形過程進行全面分析，預測可能形成的起皺、破裂缺陷。