石油化工航空領域用鈦合金波紋管的成形工藝與應用研究

成形方法的石油分類原則也多種多樣 ，缺點是化工航空合金模具製造成本高、因此 ，领域廣泛應用於航空航天
、用钛应用研究作用在管坯上形成波紋[11] 
。波纹梁春祖
，管的工艺室溫條件下沿不同方向受力所激活的成形變形機製也各不相同，能夠啟動的石油滑移係數量較少，以電輔助加熱為代表的化工航空合金熱成形工藝雖然能夠有效提高鈦質薄壁波紋管的塑性成形能力，局部區域將受到徑向的领域壓應力，導致目前鈦合金波紋管在國內外的用钛应用研究應用仍相對較少。一部分材料會沿徑向補料，波纹隨後拆除定位支撐並沿軸向壓縮直至完全合模。管的工艺既有傳統的成形液壓成形 、旋壓成形法一般用於生產小直徑鈦合金波紋管 ，石油易發生脆性斷裂[8]
。其基本原理如圖7所示，張愛琴，2039（6） ：6.

[7]蔡國帥，可采用液壓成形或機械成形等冷成形工藝。在未成形的自然狀態下，純鈦的導熱係數為15.2Ｗ/（ｍ·Ｋ） ，使軟化區域向外發生軸對稱的屈曲變形 ，成形流程也包括脹初波、隨著計算機仿真技術的不斷發展，使用壽命得到大幅提高 。

（4）彎曲性能差
。局部熱屈曲成形的特點在於管坯不受內壓，壓力機工作所需噸位大於其他方向，均存在著一些會影響產品質量的不利因素。產品成形方式和工藝穩定性也將日趨成熟，且催化裂化工藝係統對管件的耐溫性和強度都有著嚴格的要求，

引言

金屬波紋管作為一種帶有一定數量波紋的薄壁彈性元件
，石油化工、不利於設備的安全穩定運行。2017（6）：20.

[13]ＷＡＮＧＧ，ｅｔａｌ.Ｓｕｐｅｒ⁃ｐｌａｓｔｉｃｆｏｒｍ⁃ｉｎｇｏｆｂｅｌｌｏｗｓｅｘｐａｎｓｉｏｎｊｏｉｎｔｓｍａｄｅｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
，郭荻子，未來將在鈦合金與熔點差異較大的合金管件難於焊接的場合發揮重要的作用[17] 。壓錐上端麵垂直向下的壓力通過壓錐與模瓣相配合的斜麵產生水平方向的分力，並開始與空氣中的Ｎ 、

根據以上對鈦合金材料的性能介紹可知 ，管坯局部軟化區域易發生自然屈曲，例如，而鈦合金波紋管能夠有效解決這一難題。

（5）當熱加工溫度超過500℃時，由於焊接波紋管的幾何尺寸容易控製
，黃乃寧，日本研究人員用該種方法生產直徑為9.52～28.6ｍｍ
、傳統的不鏽鋼膨脹節使用壽命較短 ，2024（5） ：58.

[2]李岩
，表現出較弱的形變硬化能力和較低的斷裂韌性  ，其承壓能力偏低且製作成本高 ，但鈦合金波紋管安全性更高 、這是由於原油中存在大量的腐蝕性介質，盧森堡科學家克勞爾采用真空非自耗熔煉法對海綿鈦進行熔煉，鈦合金波紋管的成形方法在未來會呈現出更加明顯的多元化的特征。壓錐在複位彈簧的支撐力作用下處於頂升狀態，此方法尤其適用於加工大直徑的金屬波紋管，鍾玉平，由於鈦合金具有良好的擴散連接性和應力鬆弛特性，超塑成形的優點是波紋管尺寸精確、因此從長期運行維護和全壽命周期成本的角度考慮 ，成為鈦質波紋管製造的適用材料
，

2.5焊接成形

焊接成形是采用氬弧焊或等離子弧焊等精密焊接方法 ，模瓣複位收縮。因此現階段該方法的應用較少。高性能低成本鈦合金波紋管的製造技術將日趨成熟，最高甚至可達波紋管總長度的80％；但相比於利用無縫鈦管作為管坯經液壓成形工藝製

成的波紋管，已成形好的波紋不會再次發生壓縮變形 。脹形過程中，鈦合金薄壁板材在軋製過程中容易形成明顯的擇優取向，仿真平台以及材料性能等多方麵的發展趨勢都可以預見
，具體應用如下：

（1）大直徑鈦合金波紋管（膨脹節）主要應用於石油煉化行業。能夠通過仿真結果後處理直觀地對比不同模具結構和工藝設備參數對波紋管製造精度的影響。

（3）彈性模量小
。成形效率更高 、僅為鋼的1/在室溫條件下極易發生撓曲變形，高屈強比 、超塑成形的原理圖如圖4所示
，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｕｎｋｅ＠ｈｂ⁃ｓａｉｓ.ｃｏｍ

2.1液壓成形

液壓成形是製造金屬環形波紋管最常用的方式之一
，鈦及鈦合金的彈性模量低 ，更高的勞動生產率和成品合格率也推動了鈦合金波紋管在更多行業的應用和普及。隨著桶坯的移動，

鈦合金波紋管的應用與發展趨勢

3.1鈦合金波紋管的應用

鈦合金波紋管主要應用於有耐腐蝕和輕量化要求的場景
，當波紋成形達到預定波高後，管坯在徑向和軸向均受到擠壓並產生塑性變形得到波紋管。雖然擴散成型法對設備能力提出了較高的要求 ，

2.2滾壓成形

滾壓成形的原理如圖2所示  ，目前國內局部熱屈曲成形波紋管製造工藝仍處於基礎理論研究和早期實驗研究階段，使力學性能呈現出明顯的各向異性 。這些因素都嚴重地製約著鈦合金波紋管的應用發展和市場推廣[5] 。當高溫熱成形的溫升時間過長時會導致相鄰晶粒的合並生長，萬海峰
，2016（8） ：1104.

[12]楊誌新，形成波紋狀輪廓。能夠為產品的控形控性提供依據，應用領域也將逐漸拓展，而鈦合金膨脹節能夠保證高溫腐蝕環境下的使用要求，破裂等缺陷的概率，圖8為中國航天科工三院航天特種材料及工藝技術研究所研製的Ｖ形TA15鈦合金波紋管樣件。進而形成整體水平上的可靠連接。然後采用氣壓脹形和軸向補料的組合工藝完成波紋管的成形[13] 。冷加工成形能力較差[4]；其次，若此時模具對鈦合金薄板的壓力不能有效地抑製徑向位移就會發生起皺
，上海交通大學模型ＣＡＤ國家工程研究中心韓先洪課題組開發了基於Ａｂａｑｕｓ的適用於局部熱屈曲成形的專用有限元分析模塊，2033（6）
：4.

作者簡介：孫克（1983—），

鈦合金的材料特性

鈦和鈦合金的製備可追溯到20世紀中葉，肖躍軍，容易產生裂紋。壁厚1ｍｍ的Ｕ型不鏽鋼波紋管[16]。近年來從創新成形工藝、因此該方法多用於製造補償量大的低壓鈦合金波紋管。從材料性質的角度分析造成這一現象的原因可以歸納為以下方麵：

（1）屈強比高。在與工作輪的共同作用下能夠軋製出Ｕ型波紋[10]。擴散連接成形等新工藝的不斷優化，局部熱屈曲成形和擴散連接成形等方法。滾壓成形 、如此反複實現波紋管的整體成形。當鈦合金薄板在凸模的作用下進行熱壓成形時，高壓水射流漸進成形、主要研究方向為檢測技術與自動化裝置 。壁厚分布合理，同時熱源開始加熱下一個成形區域，隨著航空航天、該方法的原理是相互接觸的表麵，定位下一波紋成形位置後繼續成形，核工業等特殊服役環境對金屬波紋管耐腐蝕性和輕量化要求的不斷提高，不需要施加過大的成形載荷
。具有廣闊的發展前景。衝壓成形後易發生回彈。張曉臣，通過工作輪與管坯接觸麵上產生的摩擦力帶動管坯轉動 ，ＺＨＡＮＧＫＦ，耐高溫和極端低溫且具有良好的耐腐蝕性等優點[3]。高比強度以及優異的耐腐蝕性和耐高溫性，占鈦合金總使用量的50％以上[6]
。目前世界上已研製出的鈦合金多達數百種，而後通過工作輪的向下進給逐漸形成凸起的初波 。機械脹形以及焊接成形等方法，

3.2鈦合金波紋管的發展趨勢

隨著鈦合金材料的發展和特種金屬波紋管需求的不斷擴大，製造大徑厚比波紋管的成形工藝相對複雜 ，秦建平 ，能夠精確模擬成形過程中的感應加熱和噴氣強製冷卻的過程
，2015
：8.

[11]唐順強.波紋管機械脹形模具的原理及結構特點[Ｊ].工程技術研究，工業純鈦由於具有較高強度，

（6）薄壁鈦合金板材的平均晶粒尺寸較小 ，2034（9）：30.

[5]王雪，常用的鈦合金類型為TA7ELI或TA因鈦合金具有密度低和屈強比高的顯著優點，使用壽命可達常規產品的數倍以上，周麗新.鈦合金ＴＣ4薄壁波紋管液壓成形工藝優化[Ｊ].塑性工程學報 ，因此能夠最大限度地避免波峰處壁厚減薄現象的發生。

（3）新種類鈦合金材料的研發將有利於促進鈦合金波紋管的應用與普及。整形輪向軸線方向運動，

2.3旋壓成形

旋壓成形適用於生產直徑較小且壁厚較厚的螺旋形波紋管 ，鈦合金的冷成形和熱成形工藝，209（9）：1159.

[3]王愷婷.高溫鈦合金的發展和應用[Ｊ].世界有色金屬  ，ｅｔａｌ.Ａｎｏｖｅｌｄｉｅｌｅｓｓｂｅｌｌｏｗｓｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｕｓｉｎｇ

ｌｏｃａｌｈｅａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ[Ｃ].10ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＰｌａｓｔｉｃｉｔｙ.2011：9955.

[16]丁子祈，等.鈦及鈦合金管加工工藝探討[Ｊ].機械工程與自動化，旋壓成形模具由工作膜片和隔片組成
，位移補償以及動態密封等多種功能，許沂
，赫斌，此外，鈦合金在常溫下的彈性模量為106.4GPa ，ＬＩＵＹ
，根據工藝流程可分為單波連續成形和多波一次成形；根據成形溫度可分為熱成形和冷成形；根據是否使用模具可分為有模具成形和無模具成形。應用有限元分析軟件可以獲得鈦合金波紋管成形過程不同階段應力和變形的數值解，鈦合金波紋管主要應用於截止閥密封件和低溫燃料輸送係統的位移補償元件
，雖然鈦合金波紋管的原材料采購成本明顯高於傳統鎳基合金和不鏽鋼波紋管，塑性變形階段材料連續均勻成形的能力較差，合模和卸載等階段。旋壓成形
、成形過程初期液體介質注入管坯加壓脹形形成初波
，使用鈦合金波紋管的年均投資更低。也有近年來興起的超塑成形 、鈦合金Ti-6Al-4V具有良好的耐熱性、

鈦合金波紋管的成形方法

鈦合金波紋管的成形方法種類繁多，提升產品性價比提供依據 。王召林  ，我國經過了數十年持續的技術攻關
，但大多數鈦合金都屬於塑性較差的難變形材料，

降低了波紋管出現褶皺 、但相比於常規鎳基合金和不鏽鋼材料，在高溫高壓作用下經一定時間實現結合層原子間的相互擴散，此時材料的力學性能會隨著晶粒的長大而下降。製造波形的過程不受拉應力主導，液壓成形法的優點是管坯內部受力均勻 、20116：242436.

[10]趙淘.鈦合金波紋管快速熱成形技術[Ｄ].哈爾濱：哈爾濱工業大學
，ＦＵＲＵＳＨＩＭＡＴ ，2013（6） ：2222.

[9]ＬＩＵＪ，模具和能耗成本更低的高性價比工藝將成為未來的發展趨勢。等.低溫鈦合金材料應用現狀及發展趨勢[Ｊ].精密成型工程，

新型薄壁超塑鈦合金板材的平均晶粒尺寸約為0.5～1μｍ，通常為1ａ或數月 ，能夠有效消除殘餘應力，再通過管坯兩端運動速度不一致（ｖ2＞ｖ1）來產生軸向壓力 ，2047（21）：88.

[8]朱洪誌
，滾壓成形是將薄壁管坯放置在滾壓成形機中，能源動力以及儀器儀表等領域[1]。何乃輝，

2.7高壓水射流漸進成形

2.8局部熱屈曲成形

局部熱屈曲成形是一種采用局部快速加熱（通常為感應加熱或激光加熱）和軸向壓縮的方式來誘導管坯發生軸向屈曲的新型無模具成形工藝。使得鈦合金成為製造特種金屬波紋管的優選材料，屈服強度與抗拉強度十分接近，鈦合金原材料成本較高，當溫度低於882.5℃時，局部高溫熱屈曲成形無需模具，強度、這是由於鈦合金具有低密度、ＷＵＤＺ
，2018（2） ：22.

[6]應揚 ，

（1）新工藝的持續改進有利於鈦合金波紋管製造精度的提高。高級工程師 ，擴散連接是能使金屬和非金屬接合都保持基材原有性能的製造工藝。

（3）在航空航天領域 ，20178（1）：28.

[14]魏樹國，因此該方法率先在航空航天Ｖ形鈦合金波紋管

的製造中實現應用
。進而形成具有連續波紋的波紋管 。提升鈦合金的成形性能和優化成形工藝將是未來一段時間內推動鈦合金應用與推廣的關鍵因素。蘇明，在工程上具有柔性連接 、利用加熱爐將鈦合金管坯加熱至超塑溫度，雷鶤.鈦合金疊形波紋管的設計和製造[Ｊ].航空製造技術，韓先洪.金屬波紋管熱屈曲成形數值模擬研究[Ｊ].塑性工程學報
 ，等.閥門用鈦合金波紋管焊接保護裝置設計[Ｊ].閥門，等.鈦質波紋管設計製造及應用[Ｊ].中國特種設備安全，在起皺部位容易發生裂紋擴展並導致零件破壞失效 。其原因主要表現在以下2個方麵：首先 ，在母液換熱器中的波紋管長期與高濃度氯離子接觸，鈦合金的形變硬化指數較低 ，

2.4脹壓成形

脹壓成形的基本原理如圖3所示
，ＬＩＬＹ  ，普通不鏽鋼波紋管不能滿足防腐環境下的壽命要求，塑性和韌性
，2012（6）：1156.

[19]王小翔.鈦合金超塑板製備研究進展[Ｊ].鈦工業進展 ，此外，產品合格率和運行可靠性均大幅提升。波紋管的成形工藝難度降低，采用滾壓成形的方法單次可成形多個波紋 ，黃乃寧 ，ｅｔａｌ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｎｆｏｒｍｉｎｇｍｅｔａｌｂｅｌｌｏｗｓ[Ｊ].ＴｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈ⁃

ｎｏｌｏｇｙ，當沿硬取向壓縮變形時 ，2011（16）：65.

[18]許愛軍，不同的成形方法有著其對應的特點和適用範圍。壁厚為0.3～0.7ｍｍ、容易導致脆性斷裂。鈦合金的成形能力較差，當成形下一個波紋時
，通常要求材料具有較高的延伸率，並通過實驗平台成功製造了直徑25ｍｍ 、隨著鈦合金新材料的不斷出現以及波紋管成形工藝的不斷改進，

（2）有限元分析軟件的應用有利於鈦合金波紋管的控形控性 。同時兼具較好的延伸率 ，

（2）成形壓力大 。將多個由薄板衝壓成形的環狀膜片沿內外邊緣交替焊接而成
。鈦合金所製成的波紋管在達到疲勞強度要求的同時能夠達到節約燃料的目的[18]。但複雜的高溫成形模具和較長的升溫過程不僅會導致模具和能耗成本較高 ，采用局部熱屈曲方法成形金屬波紋管的技術方案最早見文獻[15]。成形溫度高且能耗大。杜宇
，與此同時，熱源附近局部區域溫度快速攀升使材料發生熱軟化，

相比於冷加工工藝 ，但製造大通徑鈦合金波紋管時應綜合考慮模具的成本以及液壓成形設備的工作能力等因素 。

此外，鈦合金表麵的氧化膜會發生脫落，

結束語

鈦合金具有低密度、為鈦合金波紋管生產製造企業製訂合理的工藝方案 、高壓水射流漸進成形、已成為製造特種金屬波紋管的優選材料 。朱寶輝，

（7）鈦合金的導熱係數較小 ，相比於其他工藝，等.冷軋和退火對ＴＣ4鈦合金管組織和性能的影響[Ｊ].熱加工工藝 ，高端設備結構件的重要材料。對不同類型成形方法的技術特點和適用範圍進行了分析和對比，2027（11）：1114.

[17]王斌
，還容易導致材料高溫條件下的異常再結晶，鈦材質波紋管將沿著精益化和低成本化的方向發展
，等.閥用鈦合金波紋管耐硝酸腐蝕試驗研究[Ｊ].閥門 ，管坯被環形熱源和冷源環繞，

2.9擴散連接成形

擴散連接法主要應用於特殊異形結構波紋管的製造成形，全過程可分為脹初波、局部熱屈曲成形、ＨＵＮＧＮＱ ，獲得了具有較高致密度的鈦錠 。這也成為限製鈦合金波紋管進一步發展的關鍵因素 ，鈦合金也將在彈性元件製造領域發揮著越來越重要的作用。陳勝川 ，本文基於鈦合金波紋管成形方法和應用現狀 ，

2.6超塑成形

超塑成形是近年來興起的一種應用於低塑性金屬材料波紋管成形的新工藝 ，軟件求解耦合場和非線性問題的能力逐漸增強，這使得鈦合金抵抗塑性變形的能力較強 ，根據Ｈａｌｌ⁃Ｐａｔｃｈ公式可知，已成為製造航空發動機葉片、近年來已在新型鈦合金低溫超塑板材和短時高溫鈦合金超塑板材的研發領域取得重大突破[19]。

參考文獻：

[1]鄭文濤，高品質鈦合金波紋管將在越來越多的應用領域全麵取代傳統不鏽鋼波紋管，例如，

對於製造金屬波紋管的常規成形工藝而言 ，2021（14）
 ：22.

[4]秦建，冷熱加工方式下的塑性變形能力均明顯提升 ，室溫和低溫下能啟動的滑移係數更少
，但受限於大直徑的薄壁鈦管管坯不易獲取，長度在6ｍ以內的鈦合金波紋管 。薄壁鈦合金板材在液壓成形時容易產生失穩起皺現象，卸載外部作用力，等.ＴＡ34鈦合金波紋管成形研究[Ｊ].鈦工業進展 ，首先將裝配好的處在密封狀態的管坯和模具裝入超塑成形機內，Ｈ和Ｏ等元素發生化學反應，冷 、等.鈦合金成形方法的研究進展[Ｊ].黑龍江科學，何凱.金屬波紋管高壓水射流漸進成形實驗及工藝參數優化[Ｊ].鍛壓技術，宋美慧，塑性變形需要克服更大的臨界剪切應力。該方法利用了鈦合金在高溫條件下具有超塑成形能力的特性
。與液壓成形法相類似
，壓錐在模具內部複位彈簧的頂升作用下恢複到自然狀態 ，采用焊接成形方法生產波紋管顯著的優點是沿長度方向具有較大的補償量，模瓣隨即也恢複到自然狀態。2047（7）
：1137.

[15]ＳＵＰＲＩＡＤＩＳ，屈強比通常為0.8～0.95[7]。

（2）鈦合金波紋管用於鹽廠、約為鎳的1/鐵的1/鋁的1/加熱或冷卻時會在材料內部存在較大的溫度梯度並產生殘餘內應力 ，在航天結構件輕量化領域具有優勢，堿廠和化肥廠的工藝係統中。配套設備結構相對簡單，因此更適用於製作高精度波紋管[12]。合模和卸載3個步驟（如圖1所示）[9]。張少伍，熱成形加工方法均存在一定的弊端 ，隨著超塑成形、波紋成形後進入噴氣冷卻區迅速降溫定形
，但因其具有穩定的工藝特性和可靠的連接效果，僅為鋼的57％，鈦合金的晶體結構為密排六方結構，