第7章　异径接头

7.1　概述

异径接头（Reduce）又称大小头，主要用于管道中改变钢管直径和管道偏离的要求，异径接头是长输管道中不可缺少的压力管道元件之一，用于不同管径管道的过渡。

异径接头按有无折边分为带折边异径接头和无折边异径接头；按有无焊缝分为直缝异径接头和无缝异径接头；按是否对称分为同心异径接头和偏心异径接头。异径接头按成形方式分为三辊卷制成形、整体热压成形和分体热压成形。表1-7-1是异径接头成形方法。

异径接头的基本尺寸应符合GB/T 12459《钢制对焊无缝管件》、GB/T 13401《钢板制对焊管件》、SY/T 0609《优质钢制对焊管件规范》、SYT0510《钢制对焊管件规范》的要求；强度及其结构尺寸计算应遵循GB 50251《输气管道工程设计规范》、GB 50253《输油管道工程设计规范》、ASMEB31.8《输气和配气管道系统》、SYT0510《钢制对焊管件规范》等设计规范的要求。

7.2　三辊成形异径接头

异径接头的三辊成形是采用钢板作为原材料，利用专用卷板机的压辊的压力，迫使钢板发生弯曲变形，形成圆锥形状、无折边的异径接头的方法。

图1-7-1（a）为异径接头展开时的扇形坯料，图1-7-1（b）为卷制的异径接头。三辊成形只需要专用的卷板机即可，图1-7-2是异径接头三辊成形的加工，卷板机由三个钢辊、驱动系统、液压系统、控制系统组成。

7.2.1　三辊成形异径接头工艺流程（见图1-7-3）

7.2.2　三辊成形异径接头制作工序

（1）原材料验收　按标准和图纸进行原材料的验收。

（2）下料　按下料单图纸要求尺寸切割扇形坯料。

（3）预弯　先将钢板在专用设备对两端进行弯曲，并用模板实测弯曲的弧形，以满足筒体弧度的要求。

（4）卷制

①对预弯后的筒体板进行卷制加工，并用模板实测弧度。

②按坡口形式加工异径接头纵焊缝坡口。

③对口间隙为（2±1）mm。

④卷圆后，用手工焊点固纵缝，焊点30～50mm。

（5）焊接及探伤　从卷板机上取下筒体，按焊接工艺要求将对口处焊接牢固，并按技术要求进行探伤。

（6）管口整形　将焊后的锥形筒体再次放入卷板机上进行校圆，使得筒体各处直径误差不超出标准要求。

其他工序按常规方法的要求进行。

7.3　整体成形异径接头

整体成形异径接头采用的是缩径成形，即采用冲压方法，在压力机和模具的配合下使管坯一开口端直径缩小成形，形成两端带有折边的异径接头。

缩径前、后工件端部直径的变化不宜过大，否则端部材料会因受压缩变形剧烈而起皱折（有的工装可在坯料内插入芯棒以阻止起皱折）。因此由较大直径缩成较小直径的口径，有时会需要多次缩径。

图1-7-4为整体热压成形异径接头，图1-7-5为整体热压成形异径接头工作原理示意图，图中1为压模，连接于压力设备，用于管坯压制；2为外部支撑模，用于压制时支撑受压的管坯，避免管坯失稳起皱；3为钢管或筒节坯料；4为异径接头成形模，用于产品的成形；5是内部支撑模，用于控制小端的成形。

7.3.1　整体成形变形程度的计算

（1）总缩径系数

K缩=dn/D　　（1-7-1）

式中　dn——异径接头小端的最后直径，mm；

D——管坯的直径，mm。

（2）每一工序的平均缩径系数

Ki=d1/D=d2/d1=…=dn/dn-1　　（1-7-2）

式中　d1，d2，…，dn——第1次，第2次，……，第n次缩径外径。

缩径次数

n=lgK缩/lgKi　　（1-7-3）

缩径系数与模具的结构形式关系极大，模具的结构形式见表1-7-2和图1-7-5（图中为总组合结构），还与材料的厚度和材质有关，材料厚度小，则系数要相应加大；管坯温度高，则系数相应减小。表1-7-2给出了部分材料和不同模具形式的平均缩径系数。

一般第一道工序的缩径系数采用

K1=0.9Ki

以后各次工序

Kn=（1.05～1.1）Ki

采用冷成形时，可在压制工序间增加退火工序，以减小缩径系数，减少缩径次数。

（3）缩径后材料厚度的变化　缩径时小端厚度略有增厚，通常不予考虑，在精确计算时，小端厚度按下式计算

冷缩径时，一般要产生比缩径模尺寸大0.5％～0.8％的弹性恢复。

（4）缩径管坯的计算　由于缩径前后的材料损失不大，根据变形前后体积不变的原则来计算管坯的尺寸，即

式中　H0——管坯高度，mm；

H1——管坯不变形部分的高度，mm；

H2——管坯压缩部分高度，mm。

D——管坯中径，mm；

d——小端中径，mm；

（5）缩径力的计算　无内、外支撑的缩径力为

P=K［1.1πDtσS（1-d/D）（1+μcotα）/cosα］　　（1-7-6）

式中　P——缩径力，N；

t——管坯厚度，mm；

D——管坯直径，mm；

d——缩径后小口直径，mm；

μ——模具与管坯接触面的摩擦因数；

σS——材料的屈服强度，MPa；

α——模具的圆锥角度，（°）；

K——速度系数，在曲柄压力机上工作时K=1.15。

对于直径不小于8in的带折边异径接头，其折边长度一般取该端直径的1/10，但建议不小于40mm；直径小于8in的带折边异径接头的折边长度应符合技术标准要求。

7.3.2　整体热成形异径接头工艺

（1）整体热成形异径接头工艺流程（见图1-7-6）

（2）整体热成形异径接头制作工序

①原材料验收。按标准和设计要求进行原材料的验收。

②下料。按下料单图纸要求尺寸切割矩形坯料。

③预弯。先将钢板在专用设备上对两端进行弯曲，并用模板实测弯曲的弧形，以满足筒体弧度的要求。

④卷制

a.对预弯后的筒体板进行卷制加工，并用模板实测弧度。

b.按坡口形式加工异径接头纵焊缝坡口。

c.对口间隙为（2±1）mm。

d.卷圆后，用手工焊点固纵缝，焊点30～50mm。

⑤焊接与检测。从卷板机上取下筒体，按焊接工艺要求焊接对口处，并进行无损检测。

⑥管口整形。将焊后的圆形筒体再次放入卷板机上进行校圆，使得筒体各处直径误差不超出标准要求。

⑦其他工序按常规方法的要求进行。

7.4　分体成形异径接头

异径接头分体成形工艺是近几年发展起来的异径接头成形新工艺，是在三辊式无折边异径接头的基础上通过对大端直径缩口、小端直径扩口，在两端形成要求长度的等径直管，变成带折边的异径接头。

由于是在三辊式无折边异径接头的基础上通过对大端直径缩口、小端直径扩口的变形，缩径、扩径前后工件端部直径的变径系数在0.85以上，可以通过一次大端缩径和小端扩径来实现带折边异径接头的成形，端部材料不会因受压缩变形而起折皱，也不会因受拉伸厚度减薄太大。当直径变形量较大时，可以采用局部加热的方式提高变径系数。

图1-7-7为分体热压成形异径接头用模具，该套模具由内模1和外模2组成，锥形筒节放置在外模2上并找正，通过火焰或中频加热给要缩径的部分局部加热，到技术要求温度后，启动压力机，带动内模1下压。图1-7-8（a）为分体热压成形异径接头加工时的大端缩径，筒节与内模1一起向下运动，直到筒节脱离模具2，提起模具1，筒节与模具1分离；小端扩径时筒节和外模2不动，内模1下压，直到与筒节分离。通过大端缩径、小端扩径就形成了带折边的异径接头。

由于带折边异径接头的折边长度不超过D/10，故分体成形异径接头的变径系数在0.85以上，很容易通过一次变形达到技术要求的尺寸。

变形后的异径接头，其大端壁厚增厚，小端壁厚减薄，增厚率和减薄率与变径系数、加热温度及壁厚有关。

7.4.1　分体热成形异径接头工艺流程（见图1-7-9）

7.4.2　分体热成形异径接头制作工序

（1）原材料检验及验收　钢板的厚度、规格根据需要直接定制，进厂后按照验收程序，检验合格后投入生产线。

（2）下料　采用等离子数控切割机将钢板按需要尺寸和形状切割，得到异径接头坯料。

（3）卷板与焊接　将切割好的钢板送入卷板机，卷成锥形筒状，再用自动焊机焊接成筒节。

（4）无损检测　运用X射线对筒节焊接处进行无损检测。

（5）加热缩径与扩径　用操作机将异径接头坯料筒节送进热处理炉加热至规定温度，分别送入压力机的异径接头缩径模具和扩径模具中分别压制，得到异径接头半成品。

（6）管端整形与切割　将异径接头取出后，先对不符合尺寸要求的部位进行整形，再用切割工具对异径接头毛坯各管口按图纸要求切割，去掉毛坯余量。

（7）热处理　为了恢复和改善材料的力学性能，将毛坯件放入加热炉进行热处理，使异径接头达到技术条件要求的理化性能指标。

（8）检验及包装　热处理后还需要进行除锈、无损探伤、坡口磁粉探伤、防腐、尺寸及外观检验，包装标识。

7.4.3　带折边异径接头分体成形与整体成形相比的优势

①采用两端热变形，简化了成形工艺及模具，提高了生产率。

②一端采用一次局部加热成形，降低了能源消耗，提高了异径接头的质量。

③采用通用成形工艺，提高了内、外模的通用性。