15[1].2压力管道用金属管件制造及产品性能要求

15.2 压力管道用金属管件制造及产品性能要求
15.2.1 综述
金属管件是压力管道的主要配件之一，应用在管道的转弯、分支、变径、对接及封口处。

其中，钢制对焊管件在我国已有多年的制造历史，自上世纪50年代吉化生产冲压弯头开始，70年代抚顺石油机械厂采用中频加热扩径推制弯头工艺批量生产弯头，到80年代初期吉林江机建东工业公司采用液压胀形工艺批量生产三通的约30年里，我国钢制对焊管件从单一品种起步，完成了多品种的发展；并在制造工艺上实现了从起步、发展到相对完善的过程。

自上世纪80年代中期以来，我国金属管件产量不但可以满足国内工程的需要，还大量出口，目前我国已成为金属管件制造的大国。

随着国内管件制造业的发展，管件制造工艺也在不断进步。

日前，我国金属管件制造商所采用的制造工艺基本上与国外同行一致，可以说是同步的，部分制造厂在某些方面的工艺水平已达到行业领先的程度。

但与国外同行相比，国内管件制造商存在的差距主要有两点，一是先进装备不如国外，而且现有装备的自动化程度较差,加之以零散订单为主的生产方式，生产率偏低；另一点是在工艺、质量及现场管理上的细节上还须完善，比如产品的外观质量等。

这也是我国管件制造商今后应努力提高的方向。

另外，我国的压力管道用钢材方面与国外工业先进国家尚有差距，一些特殊的材料国内尚无钢厂生产，这也导致了我国管件制造业对特殊材料的管件难以采购材料而无法加工的现象。

本节主要介绍相关产品标准中所列的钢制对焊管件(包括无缝管件和焊缝管件)、锻制管件(包括承插焊管件和螺纹管件等)的制造工艺（主要是成形工艺）、影响产品质量的因素、检验、质量控制要求、常用的产品标准规定、型式试验等。

不包括非标管件以及有色金属管件、铸造管件、卡套式管接头、扩孔式管接头等其它管件。

15.2.2 钢制管件的种类及规格
(1) 钢制管件的种类
① 无缝和焊缝的对焊管件
产品标准中所列的钢制对焊管件的品种包括弯头、三通、四通、异径管（也称大小头）、管帽、弯管、翻边短节、支管座等。

常用的弯头按弯曲角度分为45°弯头、90°弯头和180°弯头；按弯曲半径分为长半径弯头（R≈1.5DN，即弯曲半径约为公称通径的1.5倍）和短半径弯头（R≈1.0DN，即弯曲半径约为公称通径的1倍）；其中，90°长半径弯头中还有异径弯头。

另外，根据配管走向的需要，还会有特殊角度的弯头，如60°、88°25″的弯头等。

三通和四通有等径和异径之分，等径三通和四通的接管端部均为相同的尺寸；异径的三通和四通的主管接管尺寸相同，而支管的接管尺寸小于主管的接管尺寸。

异径管有同心和偏心之分，同心异径管的大端直径和小端直径为相同的一条轴线；偏心异径管的大端直径和小端直径则为平行的两条轴线，小端直径的一侧与大端直径的外边缘平行。

弯管按弯曲角度和弯曲半径定货，一般要求在弯管的两端带有直管段，弯曲半径通常最小为管子外径的2.5～3倍（R ≥2.5D ～3D ）。

钢制对焊管件产品标准涉及到的产品种类见表15-1。

表15-1 钢制对焊管件的种类 品种
类别
45°长半径
等径 90°长半径
异径 90°短半径
180°长半径
弯头 180°短半径
等径
三通 异径
等径
四通 异径
同心
异径管（大小头） 偏心
管帽 椭圆型
长型
翻边短节 短型
支管座
弯管
常用钢制对焊管件的产品照片见图15-1所示。

图15-1 常用的钢制对焊管件
② 锻制管件
锻制管件主要包括承插焊管件和螺纹管件；对焊管件或混合连接形式的管件有时也采用
锻制工艺制造，如厚壁的小三通、支管座等，同样，混合连接形式的管件有时也可采用钢管制造。

a. 承插焊管件
产品标准中所列的承插焊管件的品种包括45°弯头、90°弯头、三通、四通、45°斜三通、双承口管箍、单承口管箍、管帽、活接头、支管座等。

其中，三通和四通有等径和异径之分；双承口管箍同样有等径和异径之分，异径的双承口管箍还有同心和偏心之分。

产品标准涉及到的承插焊管件的种类见表15-2。

表15-2 承插焊管件的种类 品种
类别 45°
弯头 90°
等径
三通 异径
等径
45°斜三通 异径
等径
四通 异径
等径
同心 双承口管箍 异径
偏心 单承口管箍
管帽
活接头
支管座
常用的承插焊管件的产品照片见图15-2所示。

图15-2 常用的承插焊管件
b.螺纹管件
产品标准中所列的螺纹管件的品种包括45°弯头、90°弯头、三通、四通、双接口管箍、单接口管箍、管帽、管塞、内外螺纹接头、活接头、支管座等。

与承插焊管件相同的是，三通和四通有等径和异径之分；双接口管箍有等径和异径之分，异径的双接口管箍还有同心和偏心之分；管塞分为方头、六角头和圆头三种型式；内外螺纹接头分六角头和无头两种型式。

常用的螺纹管件种类见表15-3，产品照片见图15-3。

表15-3 螺纹管件的种类
品种类别
45°
弯头
90°
等径
三通
异径
等径
四通
异径
同心
双接口
管箍
偏心
单接口
方头
管塞
六角头
圆头
管帽
六角头
内外螺纹接头
无头
活接头
支管座
图15-3 常用的螺纹管件
c.混合连接形式的管件
混合连接形式的管件包括锻制管件中的接管形式为承插焊和螺纹混合的三通、四通、弯头、管箍，以及承插焊、螺纹和对焊支管座，还有对焊、承插焊和螺纹的连接形式中任意一种或两种方式连接的缩径管等。

此类管件的特点是可按接管要求加工成不同的连接形式，以满足配管设计的要求。

其中，缩径管的变径范围大于异径管，也有等径和异径之分。

支管座和缩径管的产品照片见图15-4所示。

（a）支管座 （b）缩径管
图15-4 支管座和缩径管
(2) 钢制管件的规格
管件的规格主要包括直径和接管壁厚（或等级）。

管件的直径通常用公称尺寸（或称公称通径，米制单位的符号为DN，后接以毫米表示的数值）表示，它是为了引用方便经过圆整的数值，是管道直径通用的标记。

除了公称尺寸外，也有用管件外径或内径直接以毫米单位表示的。

在使用一些国外标准时，会遇到以英制单位表示的产品的公称尺寸（符号NPS，后接以英寸表示的数值）。

需要说明的是，不同标准之间或同一标准之内，虽然公称尺寸相同，但可能外径尺寸是不同的。

有的相差很小，如GB/T12459中DN80的外径尺寸，Ⅰ系列为88.9mm，Ⅱ系列为89mm；有的相差较大，如GB/T12459中DN600的外径尺寸，Ⅰ系列为610mm，Ⅱ系列为630mm。

表示管件的接管壁厚的方式较多，常用的有管表号（schedule number，缩写为SCH，后接数值）、标准壁厚（STD）、加厚壁厚（XS）、特加厚壁厚（XXS）、公称压力（PN）等，也有将接管壁厚直接用毫米表示的。

对于承插焊管件和螺纹管件也有用压力等级代号2000、3000、6000、9000表示的，同时相关标准给出了各等级与管子壁厚的关系。

目前，常用的管件产品标准中，列出的公称尺寸范围在DN6-DN2000之间。

15.2.3 钢制管件制造的工艺技术
(1) 制造技术简介
钢制管件制造涉及的主要是压力加工技术，此外还有焊接、热处理、切削、无损检测、表面处理等。

管件的压力加工过程也是管件的成形过程，主要依据金属材料的塑性变形特性完成。

其过程大致可分为热加工和冷加工两种方式，在这两种方式中又可分为不同的压力加工工艺。

管件压力加工常用的工艺方法及应用实例见表15.4。

表15-4 管件压力加工常用的工艺方法及应用实例
压力加工方式压力加工工艺应用实例
扩径热推主要用于碳钢、合金钢弯头的制造
热压主要用于DN300以上的三通制造、厚壁弯头的制造、管帽的制造以及焊缝弯头的单片压制
缩径或扩径热压用于异径管的制造
热卷
主要用于厚壁焊缝异径管的制造
热翻主要用于翻边短节的制造
热弯
用于弯管的制造
热加工
热锻/热冲压用于承插焊管件和螺纹管件等的锻件的制造
冷推
主要用于不锈钢弯头的制造
液压胀形用于DN400以下三通的制造
缩径或扩径冷压用于异径管的制造
冷卷用于异径管的制造
冷压主要用于管帽的制造、焊缝弯头的单片压制冷加工
冷弯用于小口径不锈钢弯管的制造
某一种材料的管件所采用的压力加工工艺，视其材料特性、装备情况、制造技术和制造成本综合考虑。

例如，常用规格的碳钢弯头通常采用扩径热推工艺，低碳钢材料（常用的牌号有20、A106 B）在加热至一定温度后仍具有一定的钢性和良好的韧性，在扩径弯曲的变形过程中不易产生缺陷，具有很高的成品率；采用的设备为专用的弯头推制机，已有工厂专门生产这种设备；热推弯头的制造技术在我国已有30余年的历史，制造设备已相对完善，加热方法不断改进，芯棒的制造水平也得到很大提高；碳钢弯头采用热推制造工艺可以连续生产，适应该产品批量大的特点，而且可以免除后续的热处理工序，降低了能耗和成本。

而对于厚壁不锈钢弯头来说，如用热推工艺制造，因其材料的热强度高，故对芯棒材质的要求很高，通常用的感应装置也很难达到成形所需要的温度，且这种产品的订货数量较少，故多采用热压工艺制造。

反映行业技术水平高低的制造工艺应是不断进步的，有长远规划考虑的制造商需要投入一定的资源进行技术研发，进而提高制造水平、降低生产成本，扩大市场占有份额，促进行业技术进步。

(2) 工艺流程简介
图15-5钢制管件制造的主要工艺流程图
钢制管件制造的主要工艺流程如图15-5所示（流程图中带底纹的文字为视需要而采用的工序），按先后工序予以简要说明。

①下料
管件所用材料主要为管子、板材和棒材，根据材料特性和产品所用坯料的形状选择下料方法。

坯料的形状、尺寸和其它要求根据不同产品的工艺规定进行。

对于管子，常用的下料方法有带锯床或弓锯床切割、气割、等离子切割。

对于板材，常用的下料方法有气割、等离子切割、冲床冲切。

对于棒材，常用的下料方法有带锯床或弓锯床切割、冲剪切割。

②成形（焊接）
对所有管件的制造工艺来说，成形是其不可缺少的工序。

因不同产品的成形工艺不尽相同，需要的篇幅较长，将在第15.2.4节中另外予以描述。

这里，对部分成形工序中所包括的加热及焊接作一概略介绍。

a.. 加热
对采用热成形方法制造管件而言，为满足成形工艺中对材料变形的要求，成形时需要对坯料进行加热。

加热温度通常视材料和工艺需要确定。

热推弯头或热弯弯管成形时，通常采用中频或高频感应加热的方法，也有采用火焰加热的方法。

这种加热方式是与弯头或弯管成形过程同步进行的连续加热，管坯在运动中被加热并完成成形过程。

热压弯头、热压三通或锻件成形时，通常采用反射炉加热的方法、火焰加热的方法、感应加热的方法或电炉加热的方法等。

这种加热是先行将管坯加热到所需要的温度，再放入模具中压制或锻制成形。

b. 焊接
带焊缝的管件包括两种情况，一种是用焊管制造的管件，对管件制造厂来说，采用焊管的成形工艺与采用无缝管的成形工艺基本相同，管件成形过程不包括焊接工序；另一种是由管件制造厂完成管件成形所需要的焊接工序，如单片压制后再进行组装焊接成形的弯头、用钢板卷筒后焊接成管坯再进行压制的三通等。

管件的焊接方法常用的有手工电弧焊、气体保护焊以及自动焊等。

制造厂应编制焊接工艺规程用以指导焊接工作，并应按相应规范要求进行焊接工艺评定，以验证焊接工艺规程的正确性和评定焊工的施焊能力。

从事管件焊接作业的焊工应通过质量技术监督部门的考试并取得相应资质证书方可从事相关钢种的焊接工作（根据一些行业的规定，用于一些行业的焊接管件要取得行业规定的焊工考试和焊接工艺评定，如船用管件的焊接要取得相应船级社的焊工考试和焊接工艺评定）。

③热处理
热处理工序是管件制造的重要组成部分。

通过加热、保温及冷却的热处理步骤，消除成形过程产生的加工硬化、残余应力、金属变形缺陷等，使成形后管件的金属组织、性能发生变化，恢复到变形加工前的状态或使其性能得到改善和提高。

常用的热处理装备为反射炉、电炉等；通常的控制方式为炉内的热电偶通过传感器连接
到温度-时间自动记录仪的控制装置上进行。

不同的管件产品标准中对热处理的规定不尽相同。

并非所有经过变形的管件均要进行热处理，通常，对于低碳钢材料的管件其最终成形温度不低于723℃（再结晶温度）时，可不用进行热处理，因在此温度条件下其最终的组织状态基本上是正火状态，低于这一温度或高于980℃时应进行热处理；合金钢或不锈钢材料的管件不论采用冷成形或热成形，均应进行热处理。

对热处理的常规检验一般通过硬度试验完成。

④表面处理
管件的表面处理通常采用喷砂、抛丸、打磨、酸洗等方法进行，以清除产品表面的锈蚀，划痕等，使产品达到光滑的表面，满足后续加工、检验的要求。

对采用抛丸进行表面处理的管件，其表面硬度会略有增加。

⑤切削加工
切削加工是完成管件的焊接端部、结构尺寸、形位公差加工的工序。

对有的管件产品切削加工还包括内、外径的加工。

切削加工主要通过专用机床或通用机床完成；对于尺寸过大的管件，当现有机床能力无法满足加工要求时，还可以用其它方法完成加工，例如大口径弯头采用的气割后打磨的方法。

管件的外观、尺寸检验通常在切削加工后进行。

⑥无损检测
无损检测是检验材料和管件加工过程可能出现的缺陷的重要工序。

多数管件产品标准中对于无损检测的要求进行了规定，但要求不尽一致。

除满足产品标准规定和订货要求进行无损检测外，一些对质量控制较为严格的制造厂还根据材料、加工工艺和内部质量控制规定制定无损检测要求，以保证出厂产品的质量。

实际工作中管件无损检测合格等级的判定应根据订货要求或标准的明确规定。

因管件的表面基本上为原管、板或锻件状态，对管件表面质量的无损检测（MT、PT）而言，如无明确等级要求可按Ⅱ级，但不论合格等级如何规定，对于夹层和裂纹这种不易判定深度的缺陷均应视为不合格。

对管件内部质量的无损检测（RT、UT、）而言，如无明确等级要求射线检测应按Ⅱ级（例如焊缝的检测），超声波检测应按Ⅰ级。

为防止热处理过程中产品可能出现的缺陷的情况，管件最终的无损检测应在热处理之后进行。

我国管件制造厂无损检测通常使用的是JB/T 4730规范。

从事无损检测工作的人员应按有关规定取得相应资格。

⑦表面防护
对碳钢、合金钢管件的表面防护通常采用涂漆的方法，对不锈钢采用酸洗后钝化的方法（对于全部表面切削加工的不锈钢管件，可不必钝化处理）。

管件表面防护的主要目的是防腐，同时也达到产品外表美观的效果。

通常，订货方对表面防护提出具体要求，制造厂按订货方的要求完成管件表面的防护。

⑧标志
标志是产品不可或缺的组成部分，是实现可追溯性要求的依据。

通常，产品标准中对标
志内容和方法进行了规定。

管件的标志内容一般包括制造厂商标或名称、材料等级、规格以及订货要求的其它内容。

标志的方法包括永久性标志，如钢印、雕刻、电蚀等；非永久性标志，如喷印、标签等。

⑨其它
除上述常规的制造工艺流程以外，为控制原材料质量，制造厂还应完成原辅材料的检验，确保所用材料的正确；为满足订货或材料的特殊要求，还应进行如金相组织、晶间腐蚀、铁素体等检验和试验，保证提供的产品满足顾客的使用要求。

15.2.4 钢制管件的主要成形工艺
管件的成形采用冲压、挤压、弯曲、扩径、缩径、胀形、拉伸、锻造、焊接、切削加工等工序完成。

根据不同管件的成形需要，采用其中一种、两种或两种以上成形工序进行。

以下对不同品种的管件按常用的成形工艺分别予以概略介绍。

(1) 无缝管件的成形工艺
无缝管件指使用无缝管或钢板制造的不带焊缝的管件。

近几年，由于焊管制造水平的提高，在工程设计中一些焊管制造的管件也经常使用，特别是薄壁不锈钢焊管制造的管件所占比例迅速提高。

因焊管管件成形所采用的工艺与无缝管件大致相同，故这里所述的无缝管件成形工艺也适用于焊管制造的管件。

① 无缝弯头
弯头是用于管道转弯处的一种管件。

在管道系统所使用的全部管件中，所占比例最大，约为80%。

通常，对不同材料或壁厚的弯头选择不同的成形工艺。

目前，制造厂常用的无缝弯头成形工艺有热推、冲压、挤压等。

a. 热推成形
热推弯头成形工艺是采用专用弯头推制机、芯模和加热装置，使套在模具上的坯料在推制机的推动下向前运动，在运动中被加热、扩径并弯曲成形的过程。

热推弯头成形的示意图见图15-6。

1-模具2-坯料3-加热装置4-正在成形的弯头
图15-6热推弯头成形示意图
热推弯头的变形特点是根据金属材料塑性变形前后体积不变的规律确定管坯直径，所采用的管坯直径小于弯头直径，通过芯模控制坯料的变形过程，使内弧处被压缩的金属流动，补偿到因扩径而减薄的其它部位，从而得到壁厚均匀的弯头。

热推弯头成形工艺具有外形美观、壁厚均匀和连续作业，适于大批量生产的特点，因而
成为碳钢、合金钢弯头的主要成形方法，并也应用在某些规格的不锈钢弯头的成形中。

成形过程的加热方式有中频或高频感应加热（加热圈可为多圈或单圈）、火焰加热和反射炉加热，采用何种加热方式视成形产品要求和能源情况决定。

b. 冲压成形
冲压成形弯头是最早应用于批量生产无缝弯头的成形工艺，目前，在常用规格的弯头生产中已被热推法或其它成形工艺所替代，但在某些规格的弯头中因生产数量少、壁厚过厚或产品有特殊要求时仍在使用。

弯头的冲压成形采用与弯头外径相等的管坯，使用压力机在模具中直接压制成形。

冲压弯头成形的示意图见图15-7。

1-上模 2-端模 3-内芯 4-弯头 5-下模
图15-7 冲压弯头成形示意图
如图所示，在冲压前，管坯摆放在下模上，将内芯及端模装入管坯，上模向下运动开始压制，通过外模的约束和内模的支撑作用使弯头成形。

与热推工艺相比，冲压成形的外观质量不如前者；
冲压弯头在成形时外弧处于拉伸状态，没有其它部位多余的金属进行补偿，所以外弧处的壁厚约减薄10%左右。

但由于适用于单件生产和低成本的特点，故冲压弯头工艺多用于小批量、厚壁弯头的制造。

冲压弯头分冷冲压和热冲压两种，通常根据材料性质和设备能力选择冷冲压或热冲压。

c. 冷挤压成形
冷挤压弯头的成形过程是使用专用的弯头成形机，将管坯放入外模中，上下模合模后，在推杆的推动下，管坯沿内模和外模预留的间隙运动而完成成形过程。

图15-8为某制造厂的
不锈钢弯头在挤压前和挤压后的照片。

（a）挤压前 （b）挤压后
图15-8 冷挤压弯头成形
采用内外模冷挤压工艺制造的弯头外形美观、壁厚均匀、尺寸偏差小，故对于不锈钢弯头特别是薄壁的不锈钢弯头成形多采用这一工艺制造。

这种工艺所使用的内外模精度要求高；对管坯的壁厚偏差要求也比较苛刻。

d. 其它的成形方法
除上述三种常用的成形工艺以外，无缝弯头成形还有采用将管坯挤压到外模后，再通过管坯内通球整形的成形工艺。

但这种工艺相对复杂、操作麻烦，且成形质量不如前述工艺，故较少采用。

②无缝三通
三通是用于管道分支处的一种管件。

对于采用无缝管制造三通来讲，目前通常所采用的工艺有液压胀形和热压成形两种。

四通的成形工艺与三通相似，故不再介绍。

a. 液压胀形
三通的液压胀形是通过金属材料的轴向补偿胀出支管的一种成形工艺。

其过程是采用专用液压机，将与三通直径相等的管坯内注入液体，通过液压机的两个水平侧缸同步对中运动挤压管坯，管坯受挤压后体积变小，管坯内的液体随管坯体积变小而压力升高，当达到三通支管胀出所需要的压力时，金属材料在侧缸和管坯内液体压力的双重作用下沿模具内腔流动而胀出支管。

液压三通成形的示意图见图15-9。

（a）胀形开始 （b）胀形中 （c）胀形结束
图15-9 液压胀形三通成形示意图
三通的液压胀形工艺可一次成形，生产效率较高；三通的主管及肩部壁厚均有增加。

因无缝三通的液压胀形工艺所需的设备吨位较大，目前国内主要用于小于DN400的标准壁厚三通的制造。

其适用的成形材料为冷作硬化倾向相对较低的低碳钢、低合金钢、不锈钢，包括一些有色金属材料，如铜、铝、钛等。

b. 热压成形
三通热压成形是将大于三通直径的管坯，压扁约至三通直径的尺寸，在拉伸支管的部位开一个孔；管坯经加热，放入成形模中，并在管坯内装入拉伸支管的冲模；在压力的作用下管坯被径向压缩，在径向压缩的过程中金属向支管方向流动并在冲模的拉伸下形成支管。

整个过程是通过管坯的径向压缩和支管部位的拉伸过程而成形。

与液压胀形三通不同的是，热压三通支管的金属是由管坯的径向运动进行补偿的，所以也称为径向补偿工艺。

热压三通的成形过程见图15-10所示。

由于采用加热后压制三通，材料成形所需要的设备吨位降低。

热压三通对材料的适应性较宽，适用于低碳钢、合金钢、不锈钢的材料；特别是大直径和管壁偏厚的三通，通常采用这种成形工艺。