秦 建 鐘玉平 張愛琴 張小文 佘東升

(1． 鄭州機(jī)械研究所有限公司 鄭州 450001）

（2．中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 洛陽 471000）

（3． 中國石化海南煉油化工有限公司 海口 578101)

作為對受熱管道和設(shè)備進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵部件，波紋管膨脹節(jié)對整個艦船蒸汽管路的安全運(yùn)行方面起著至關(guān)重要的作用。隨著近些年來我國海洋裝備的迅猛發(fā)展，設(shè)備部件的服役環(huán)境愈加苛刻，除需要波紋管本身自身減重外，還要求波紋管本身能夠耐海水及海洋氣氛腐蝕等性能[1～2]。由于鈦及其合金不僅擁有較好的綜合力學(xué)性能，還兼具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，鈦及鈦合金波紋管近年來在海洋裝備方面應(yīng)用日益廣泛，且需求也在逐年增加。但限于鈦及其合金的采購成本較高，同時其自身的彈性模量低、變形回彈大、形變強(qiáng)化率高等冷加工成形特點(diǎn)限制了鈦質(zhì)波紋管的使用。目前國內(nèi)外的鈦及其合金波紋管研究較少[3～5]，在設(shè)計和成形等方面還需借鑒于奧氏體不銹鋼的計算數(shù)據(jù)，對設(shè)備服役過程的安全性帶來隱患，文中對鈦質(zhì)波紋管的常用選材、疲勞設(shè)計、成形方法及應(yīng)用領(lǐng)域及前景等方面進(jìn)行了相應(yīng)的綜述，以期為鈦質(zhì)波紋管的進(jìn)一步開發(fā)與應(yīng)用提供一定的設(shè)計依據(jù)及理論基礎(chǔ)。

1 鈦的分類及特點(diǎn)

鈦在工業(yè)上應(yīng)用主要分為兩類：純鈦和鈦合金。鈦及鈦合金耐腐蝕性能較好，相比傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼，鈦及其合金在含有氧化性、氯離子及堿液的介質(zhì)中表現(xiàn)出更高的耐腐蝕性能，例如在130℃、含量為70%的NaOH溶液中，其腐蝕速率僅為0．18mm/年。發(fā)展至現(xiàn)在鈦及其合金已經(jīng)在冶金、造紙、造船、海水淡化等多個領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用[6]。

對于鈦合金材料來講，由于比強(qiáng)度大，綜合性能優(yōu)越，同時其具有較為優(yōu)良的耐腐蝕韌性和耐熱性，最初是在航空中得到應(yīng)用。但限于鈦合金屈強(qiáng)比較高、冷加工回彈大、形變強(qiáng)化率高的特點(diǎn)，在室溫下無法進(jìn)行波紋管成形，只能通過將其加熱至高溫狀態(tài)下，利用其超塑性的特點(diǎn)進(jìn)行成形。從目前的研究水平來看，常規(guī)的鈦及鈦合金均能夠?qū)崿F(xiàn)不同程度的超塑性，其中α+β鈦合金的超塑性最佳，比如TC4在高溫下其延伸率可達(dá)到100%，因此對于高比強(qiáng)度的鈦合金波紋管，TC4可以認(rèn)為是較為理想的材料。

表1為目前用來制作鈦質(zhì)波紋管的TA2和TC4的化學(xué)成分、力學(xué)性能及工藝性能。

表1 TA2、TC4化學(xué)成分、力學(xué)性能及工藝性能

2 鈦質(zhì)波紋管疲勞壽命

目前關(guān)于波紋管的疲勞壽命設(shè)計方面國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)研究，在EJMA、GB/T 12777等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定的相應(yīng)的設(shè)計疲勞公式，但這些疲勞公式的建立是基于奧氏體不銹鋼的相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算得出，對于相應(yīng)的設(shè)計疲勞公式是否適用于鈦質(zhì)波紋管的設(shè)計制造還沒有確切的結(jié)論。

在眾多波紋管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，僅在ASME B31．3的附錄X302．1．3疲勞分析中對新材料的波紋管設(shè)計疲勞公式計算給出了相應(yīng)的規(guī)定，所謂的新材料就是設(shè)計材料不是奧氏體不銹鋼或者波紋管成形后進(jìn)行了熱處理。陽船舶材料研究所段玫等參照相應(yīng)規(guī)定計算出純鈦加強(qiáng)U形波紋管疲勞壽命公式為[7]：

式中：

Nc——設(shè)計疲勞壽命；

1.5.1 DNA引物 設(shè)計mecA基因引物[7]，序列長度533bp。 上游引物（5’3’）：AAAATCGATGGTAAAG GTTGGC；下游引物（5’3’）：AGTTCTGCAGTACCGGATTTGC。

St——許用應(yīng)力范圍。

陳勇等人使用奧氏體不銹鋼波紋管的疲勞壽命公式對純鈦無加強(qiáng)U形波紋管的疲勞壽命進(jìn)行了計算[8]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王剛[9]等人僅對TC4無加強(qiáng)U形波紋管疲勞壽命進(jìn)行了實(shí)測，在波紋管成形前未對其疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估。表2為不同制造商鈦質(zhì)波紋管的波形參數(shù)、設(shè)計及實(shí)際疲勞壽命[7～10]。

表2 鈦質(zhì)波紋管設(shè)計參數(shù)及疲勞壽命

3 鈦質(zhì)波紋管的焊接加工

鈦質(zhì)波紋管加工制造主要有三處承壓關(guān)鍵焊縫，即管坯縱縫、波紋管成形后與左右端管的連接焊縫。對于小尺寸的波紋管的管坯縱縫，在波紋管成形時可選取無縫管進(jìn)行壓力成形制造，避免由焊接熱影響帶來的母材及焊縫韌性的降低。尤其是在大直徑的波紋管焊接制造中，波紋管成形前的管坯需要采用板材卷圓之后焊接而成，因此要求管坯的縱縫需要有良好的綜合力學(xué)性能。波紋管與左右端管的連接工程上常采用鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，這主要是由于鎢極氬弧焊具有較好的工程適用性，焊接工藝窗口較為寬泛，焊接熱輸入較小且焊接質(zhì)量相對穩(wěn)定，焊接成本較低，是大多數(shù)波紋管制造商選擇的焊接方法。對于管坯的縱焊縫來講，由于管坯焊接之后需要進(jìn)行壓力成形，變形較大，因此需要次焊縫在具有良好強(qiáng)度的同時兼具有較好的韌性和一定的延伸量，因此管坯的縱縫焊接是波紋管制造過程中最為關(guān)鍵的工序。

3.1 鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊由于熱源相對穩(wěn)定、焊接過程易操作，同時設(shè)備采購成本較低等特點(diǎn)是企業(yè)焊接純鈦波紋管管坯的常用焊接方法，其焊接質(zhì)量一般優(yōu)于手工電弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊。但鎢極氬弧焊由于焊接電弧較寬，焊接熱源分布較為分散，在焊接過程中往往會造成焊接熱影響區(qū)晶粒的過度長大，造成塑性和強(qiáng)度的降低，焊接熱源的分散也為焊接過程的保護(hù)帶來困難，因此對于需變形率較大的波紋管采用鎢極氬弧焊進(jìn)行縱縫焊接往往不能帶來理想的效果，同時采用鎢極氬弧焊焊接鈦合金時也會造成鈦合金自身超塑性的消失，導(dǎo)致高強(qiáng)鈦合金波紋管無法成型制造。

3.2 等離子弧焊

等離子弧焊與鎢極氬弧焊均屬于非熔化極氣體保護(hù)電弧焊，但與鎢極氬弧焊不同之處在于其通過添加噴嘴對電弧起到了壓縮及拘束效應(yīng)。相比鎢極氬弧焊，等離子弧焊通過電弧壓縮效應(yīng)具備能量更為集中的焊接熱源，非常適用于鈦合金的焊接。鈦質(zhì)波紋管管坯較薄，在焊接過程中往往采用熔透型方式進(jìn)行焊接。由于等離子弧焊接電弧能量集中，焊接過程中焊縫及焊接熱影響區(qū)較窄，晶粒粗化不明顯，促使等離子弧焊縫具有良好的綜合力學(xué)性能，且使用等離子弧焊焊接鈦合金后仍會保留原材料的超塑性[11～13]。相比激光焊和電子束焊，等離子成本較低，是焊接變形曲率較大波紋管的理想經(jīng)濟(jì)的焊接方法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王剛等人[14]等人使用等離子對TC4管坯進(jìn)行了焊接，使用超塑成形工藝對其進(jìn)行成形，試驗(yàn)結(jié)果表明，等離子焊縫在927℃下具有良好的超塑性，并成功制造了高強(qiáng)TC4材料的U形波紋管。

3.3 電子束焊

電子束是鈦合金焊接的理想方法，在焊接過后焊接接頭仍然具有超塑特性。這主要是由于電子束熱源的高度集中，在焊接過程中焊縫較窄，冷卻速率較快促使其焊縫及熱影響區(qū)組織具有較小的晶粒組織，因此焊接接頭具有良好的綜合力學(xué)性能；由于焊接過程中在真空室下進(jìn)行，因此焊縫和焊接熱影響區(qū)不會被空氣玷污，焊后性能要遠(yuǎn)高于其他的焊接方法。但由于電子束焊接熱源過度集中，因此其對焊接裝配間隙及錯邊要求較高，焊縫與母材過渡不平滑，在波紋管成形時容易在焊趾處造成局部的應(yīng)力集中，導(dǎo)致成形失敗；真空室的大小也會對波紋管的尺寸帶來一定的限制。

3.4 激光焊

激光焊的能量密度與電子束焊相當(dāng)，但相比電子束，激光焊最大的特點(diǎn)是能夠在大氣中進(jìn)行焊接，并能夠獲得與電子束相類似的組織。其與電子束焊接相同，焊前對工件的裝配間隙及錯邊有很高的要求，焊接工藝窗口較窄，在焊接鈦質(zhì)管坯時常采用熔透式進(jìn)行焊接。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王剛等人[15]使用激光焊對TC4材料進(jìn)行了焊接，并考察其焊接接頭超塑性性能，試驗(yàn)結(jié)果表明其焊縫組織為細(xì)晶針狀馬氏體組織，在超塑性成形過程中向α+條狀α+β組織轉(zhuǎn)變，焊縫最大延伸率達(dá)到154%，且最大膨脹量約為母模的1．54倍。

4 鈦質(zhì)波紋管的成形方法

波紋管的成形方法有多種，適用于奧氏體不銹鋼波紋管的成形方法也適用于鈦質(zhì)波紋管的制造。目前針對鈦材質(zhì)的波紋管成形方法主要有以下6種方法。

4.1 液壓成形

液壓成形是大多數(shù)波紋管成形的常用方法，也適合用于純鈦波紋管的液壓成形加工。液壓法是利用油壓或者其他類似設(shè)備通過對管坯中介質(zhì)進(jìn)行施壓，然后在外部成形模具的拘束下進(jìn)行漲形最后得到規(guī)定尺寸波紋管的方法。液壓成形具有管坯受壓均勻、減薄量適中的特點(diǎn)。對于特殊結(jié)構(gòu)的波紋管可以采用分布多次液壓成形方法。

4.2 滾壓成形

滾壓成形是預(yù)先將管坯置于成形機(jī)內(nèi)，然后利用工作輪旋轉(zhuǎn)后與管坯產(chǎn)生摩擦力來帶動整個管坯旋轉(zhuǎn)，之后工作輪與整形輪協(xié)調(diào)配合運(yùn)動壓制出U形波紋。滾壓成形效率相對較低，常用于加工直徑較大的波紋管。近年來也有部分企業(yè)利用此原理進(jìn)行直徑小于100 mm鈦波紋管的成形。

4.3 旋壓成形

旋壓成形主要用于鈦質(zhì)螺旋波紋管的生產(chǎn)。螺相比其他成形方法，旋壓模具相對復(fù)雜，分別為工作膜片和隔片。旋壓成形中膜片和隔片相互旋轉(zhuǎn)并擠壓管坯形成螺旋形波紋管。對于直徑較?。?0mm以內(nèi)的）的波紋光常采用此方法進(jìn)行生產(chǎn)。

4.4 漲壓成形

該方法需要在管坯內(nèi)預(yù)先放置多瓣的圓形內(nèi)膜，通過置于內(nèi)膜中央的錐體體在向下運(yùn)動后產(chǎn)生的側(cè)壓力而使管坯受脹形成波紋，錐體在上行后模塊依靠彈簧力進(jìn)行復(fù)位。但是液壓成形、滾壓成形、旋壓成型及漲壓成形均屬于冷加工方法，只適用于成形塑性較好的純鈦波紋管。

4.5 焊接成形

焊接成形常用于無法采用液壓成形的波紋管的制造，該方法是通過精密焊接技術(shù)把多個薄環(huán)狀膜片內(nèi)外邊緣交替焊接而成的帶橫向波紋的鈦質(zhì)波紋管。焊接波紋管的壁厚和其他波形尺寸相比其他方法易于控制，因此常用于精密型波紋管的制造。焊接波紋管軸向補(bǔ)償量較大，甚至能達(dá)到波紋管全長的80%。但其承壓裕度較小，制造成本高，常用于低壓下非標(biāo)尺寸且補(bǔ)償量大的鈦質(zhì)波紋管。焊接方法一般使用激光焊或者微束等離子弧焊。

4.6 超塑成形

超塑成形是利用鈦合金高溫下的超塑性而形成波深參數(shù)較大的鈦合金波紋管。此種方法制造波紋管的直徑大小主要取決于超塑性成形機(jī)的能力，直徑范圍一般在50～800mm。超塑性成形過程相對復(fù)雜，需要超塑氣壓脹形和軸向加載的協(xié)同作用，成形主要有以下三個階段：

1)脹形階段：首先在管坯內(nèi)充入氬氣，通過氣壓使管坯產(chǎn)生一定的塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)置的中間模塊在筒體上固定。

2)合模階段：隨后壓力機(jī)對各模塊進(jìn)行壓合。

3)充滿階段：壓力機(jī)繼續(xù)施壓并保壓使波紋管的波形部分各處全部貼緊模具。該方法下的波紋管尺寸精確、殘余應(yīng)力小，但成形過程能耗較多，工件壁厚易不均勻。

5 鈦質(zhì)波紋管的應(yīng)用領(lǐng)域

鈦波紋管由于具有質(zhì)量輕、靈活性高、耐腐蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn)已經(jīng)在多個行業(yè)得到了應(yīng)用。

5.1 化工行業(yè)

在鹽廠、化肥廠等化工廠中鈦質(zhì)波紋管具有一定可觀的應(yīng)用前景。由于化工行業(yè)介質(zhì)腐蝕性較高，傳統(tǒng)的不銹鋼已經(jīng)不能滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求，采用鈦質(zhì)波紋管是目前發(fā)展的主要趨勢。尤其在含氯離子較多的設(shè)備中鈦質(zhì)波紋管就可有效地防止腐蝕的發(fā)生。

5.2 煉油行業(yè)

在煉油行業(yè)中使用最多的波紋管是波形膨脹節(jié)。煉油行業(yè)使用的波紋管對腐蝕性要求較高，其特點(diǎn)是直徑較大，波紋管容易被腐蝕，發(fā)生破損失效的情況也較多，其主要原因是腐蝕破壞。近些年來，隨著原油中腐蝕性介質(zhì)含量的增加，以及使用過程操作溫度的提高，波紋管的工作條件日益苛刻。部分波紋管膨脹節(jié)在運(yùn)行幾個月甚至數(shù)小時后就發(fā)生了腐蝕破壞，嚴(yán)重地影響了整體設(shè)備的安全運(yùn)行，降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。就此問題，日本部分企業(yè)已將鈦質(zhì)波紋管應(yīng)用于煉油行業(yè)中，各項(xiàng)性能試驗(yàn)均表現(xiàn)出滿意的效果。

5.3 航空航天業(yè)

鈦波紋管綜合性能良好，質(zhì)量較輕，最早就應(yīng)用于航空航天方面，目前在航空航天上使用的波紋管均是鈦及其合金制成。

5.4 醫(yī)療器械

由于鈦與人體組織具有較好的親和性，且鈦離子不易流失，因此近年來鈦質(zhì)波紋管在醫(yī)療器械方面也有很好的應(yīng)用前景。美國已有企業(yè)利用焊接手段制造小波距鈦波紋管容器用來作為蠕動泵裝置的藥物容器。

5.5 船舶行業(yè)

近年來隨著我國艦船行業(yè)的迅速發(fā)展，船體內(nèi)部的管路服役環(huán)境也愈加苛刻，管路結(jié)構(gòu)除要求具有一定的強(qiáng)韌性和剛度以外，還要求管路具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，鈦合金波紋管就能很好地滿足上述的要求，除此以外，鈦波紋管還具有質(zhì)量輕的特點(diǎn)，為船體的減重也帶來了益處。在軍工艦艇方面，由于鈦合金具有隱身性，同時在海水中鈦相比其他材料具有更高的耐腐蝕特性，采用鈦質(zhì)波紋管在某種程度上講具有一定的戰(zhàn)略意義。日本已經(jīng)有部分企業(yè)已經(jīng)在船體的水蒸汽潛熱設(shè)備使用鈦波紋管，國內(nèi)近年來在艦船上的鈦波紋管使用數(shù)量也在不斷加大。

6 結(jié)束語

雖然鈦及鈦合金波紋管與不銹鋼、鎳基合金波紋管相比造價較高，但其使用壽命卻可達(dá)常規(guī)材料波紋管的數(shù)倍，從長遠(yuǎn)和綜合經(jīng)濟(jì)效益來看，鈦質(zhì)波紋管具有可觀的應(yīng)用前景。

目前，由于成本的問題，鈦質(zhì)波紋管盡在航空、航天和高能物理等高科技行業(yè)使用，化工和煉油等行業(yè)使用較少；同時由于制造技術(shù)的不足以及設(shè)計依據(jù)較少，比如成形方法的工程應(yīng)用性、鈦質(zhì)波紋管在腐蝕及循環(huán)應(yīng)力下的疲勞壽命及復(fù)雜尺寸的波紋管設(shè)計等問題均限制了鈦質(zhì)波紋管的推廣應(yīng)用。部分企業(yè)為節(jié)約成本管路選擇常規(guī)的碳鋼-鈦復(fù)合板或不銹鋼，補(bǔ)償器材料選擇鈦材，但鈦與常規(guī)材料的異種金屬連接問題也缺少可靠實(shí)用的工程連接技術(shù)，尤其是對于受結(jié)構(gòu)尺寸限制無法用法蘭連接的結(jié)構(gòu)，異種材料的焊接也是亟待解決的問題。不過可以預(yù)見，隨著制造技術(shù)的發(fā)展及綜合考慮生產(chǎn)制造成本的降低，鈦質(zhì)波紋管會有越來越廣泛的應(yīng)用。