第10章 其他管件
除了弯管、弯头、三通和四通、异径接头、封头、法兰及绝缘接头等管道中常用的管件外，汇气管、支管座、波纹管等管件在流体管道中也发挥着不可或缺的作用。
10.1 汇气管
在天然气集输和分配、压力容器、化工、炼油设备及造船等制造业中，需要使用大量汇气管（windpipe）进行流体的汇集和分配输送，具有使用压力高、数量大的特点，是压力管道、容器设备中必不可少的重要构件之一。
汇气管就是在一整体的钢管或筒体（称为主管）上制造出若干个小于主管直径的支管，主管两端按技术标准要求和其他管线连接在一起。支管结构有两种形式，一种是传统的焊接结构，另一种是开口模压拔制结构。焊接结构即主管上的开口支管采用无缝钢管或锻制加厚接管与主管焊接，主管和支管为两部分，通过角焊缝焊接在一起，其特点是制造工艺比较成熟、简单，适用于压力比较低的汇气管和压力容器。拔制结构即对主管上开口位置以局部加热方式用模具在压力或拉力作用下拔出一个开口支管，支管与主管是一个整体，其过渡区为圆弧过渡形式；主管壁厚不仅要满足高压下的强度要求，还要为支管提供所有材质并满足开孔补强要求，因此，主管的筒体壁厚相对较厚。对于现有支管拔制工艺，由于受当前拔制工艺水平的限制，开口支管的拔制高度较低、支管壁厚较薄。但开口模压拔制结构汇气管在整体外观、结构受力和焊接接头缺陷的避免和检测等方面都远优于开口焊接结构。
作为压力管道设备中的重要设备，由于支管开口削弱了主管的整体强度，按照GB 50251《输气管道工程设计规范》、ASMEB31.8—1999《输气与配气管道系统》以及SY/T 0510—2010《钢制对焊管件规范》的要求必须进行补强设计。开口模压拔制结构汇气管，其开口计算应按等面积补强法进行设计计算，并对钢管或筒体、开口和过渡区补强面积的计算公式按相关标准的规定进行。
10.1.1 汇气管结构设计及强度计算
（1）主管结构 汇气管的主管根据其直径的大小，可以采用无缝钢管、直缝钢管或钢板卷制+组焊制成的筒节，其支管开口位置根据钢板或无缝钢管材料排板划线确定，也可根据具体的制造工艺确定，与三通不同，支管开口位置一般不是在主管的中间位置，不允许采用三通与钢管或钢板卷制的筒节组焊而成，也不允许采用螺旋钢管制作汇气管。
（2）支管和主管壁厚计算 传统的焊接结构和开口模压拔制结构对主管壁厚的要求不同，传统的焊接结构对于主管壁厚的计算由内压下的主管计算壁厚与开口补强计算所需的壁厚两部分组成。其计算应由GB 50251《输气管道工程设计规范》或ASMEB31.8《输气与配气管道系统》规定执行。而对于开口模压拔制结构，主管壁厚不仅要满足内压下的强度要求和开孔补强要求，还要为支管提供所需材料，因此，拔制工艺主管的筒体壁厚相对较厚。支管和主管的壁厚应按ASMEB31.8或GB 50251《输气管道工程设计规范》规定的直管壁厚公式进行计算确定，该公式为
式中 P——设计压力；
S——标准规定的钢材最低屈服强度；
t——计算壁厚；
D——主管或支管外径；
F——设计系数，按ASMEB31.8；
E——焊接系数；
T——温度系数。
汇气管的壁厚不应按照压力容器规定的计算公式进行计算。
（3）圆弧过渡区曲率半径的确定 由于开口模压拔制的汇气管，其受力最大位置在开口与钢管之间的圆弧过渡区，为了改善该区域的应力集中状况，降低其峰值应力，过渡区的曲率半径应按照ASMEB31.8的规定执行，即当开口直径小于或等于30in（762mm）时，最小半径不应小于0.05d（d为开口直径，下同），当开口直径大于30in时，最小半径不应大于1.5in；当开口直径大于或等于6in（152.4mm）时，最大半径不应大于0.10d+0.50in（12.7mm），当开口直径小于8in（203.2mm）时，最大半径不应大于1.25in。
开口与钢管之间的圆弧过渡区应用模压拔制成形，满足上述曲率半径规定值，不应采用焊接或机加工达到上述要求值。
（4）开口支管的拔出壁厚及高度 该高度值可以通过公式（1-10-2）计算确定，由于不同制造商的制造工艺不同，对在相同规格的钢管上开相同直径的孔，其支管接管拔出高度和壁厚是不相同的。按照设计要求支管壁厚和拔出高度紧密相关，拔出壁厚由强度设计确定，拔出高度不得小于以下两值之和的要求。
①满足ASMEB31.8或GB 50251规定的圆弧过渡区曲率半径的值。
②满足支管接管端机加工出的焊接坡口所需的高度要求，即
式中 d0——支管外径，mm；
δ0——支管实际壁厚（测量值为圆弧处主管外壁距离r0高度处的支管壁厚），mm。
（5）强度设计 模压拔制三通和焊接式支管连接口三通，在补强设计时应按照ASME B31.8附录F或GB 50251附录F的规定进行计算。
10.1.2 汇气管的制造
如上所述，由于支管开口削弱了主管的整体强度，按照GB 50251《输气管道工程设计规范》、ASMEB31.8—1999《输气与配气管道系统》以及SY/T 0510—2010《钢制对焊管件规范》的要求必须对主管进行补强，按照汇气管补强结构形式，汇气管分为焊接结构和开口模压拔制结构，其成形方法见表1-10-1。
表1-10-1 常用汇气管成形方法
10.1.2.1 整体加强式汇气管
整体加强式汇气管是采用增加主管的厚度来弥补支管开口削弱的主管整体强度，即采用提高主管壁厚的方法来抵消开口对主管整体强度产生的影响，如图1-10-1所示。
图1-10-1 整体加强式汇气管
采用整体加强势必增加主管的整体厚度，造成没支管开口的部分厚度变厚，大大地降低了材料的使用率；而且加大了坡口处的焊接量，直接影响着汇气管的整体安全性。
整体加强式汇气管制作过程如下。
（1）原材料检验与验收 原材料进厂后核查钢板、钢管的数量、规格与质量证明书是否相符，然后对质量证明书进行编号，并按技术要求送检。
（2）下料 按图纸要求长度，切割主管和支管。
（3）划主管、支管定位线、相贯线 在主管上划水平和垂直十字中心线，按开孔示意图在主管上划出各开孔位置线及相贯线；在各支管上按要求高度划出对应相贯线。
（4）检验 按图示位置及尺寸检验划线尺寸。
（5）开孔 按划线位置气割开孔，同时按接管与壳体之间的焊接详图气割坡口，并对气割面进行修磨。
（6）组焊 将修磨好的各支管分别放置在筒体上对应开孔位置，找正、点焊后，按施焊工艺卡进行组焊。
组焊完成后要进行热处理、无损探伤、防腐、尺寸及外观检验，包装标识等。
10.1.2.2 局部加强式汇气管
局部加强式汇气管充分避开了整体加强式汇气管壁厚过厚的特点，采用了局部加强的方式对开口部分进行补强，如图1-10-2所示。图中的加强环为加强部分，该加强部分的形状类似一环状披肩，其内弧面紧贴于主管与支管相连出的外延面上，通过焊接方式与主管和支管连接成为一个整体，共同形成对开口的加强。
图1-10-2 局部加强式汇气管
从图1-10-1和图1-10-2的对比看出，局部加强式汇气管在很大程度减小了主管的壁厚，主管与支管的焊接量也大大减小，但却增加了加强环外延处与主管连接的焊接量；同时对于焊接部分也不能采用射线和超声波的检测方法检测焊接缺陷。
局部加强式汇气管制作过程如下。
（1）原材料检验与验收 原材料进厂后核查钢板、钢管的数量、规格与质量证明书是否相符，然后对质量证明书进行编号，并按技术要求送检。
（2）下料 按图纸要求长度切割主管和支管。
（3）划主管、支管定位线、相贯线 在主管上划水平和垂直十字中心线，按开孔示意图在主管上划出各开孔位置线及相贯线；在各支管上按要求高度划出对应相贯线。
（4）划补强环切割线 根据图纸尺寸划补强环与支管的相贯线和补强环外轮廓线。
（5）检验 按图示位置及尺寸检验划线尺寸。
（6）开孔 按划线位置气割开孔，同时按接管与壳体之间的焊接详图气割坡口，并对气割面进行修磨。
（7）组焊 将修磨好的各支管分别放置在筒体上对应开孔位置，找正、点焊后，按施焊工艺卡进行组焊；将加强环套在支管上，压紧，与支管、主管点焊，然后按施焊工艺卡进行组焊。
组焊完成后要进行热处理、无损探伤、防腐、尺寸及外观检验、包装标识等。
10.1.2.3 整体拉拔式汇气管
整体拉拔式汇气管就是在主管上的开口位置以局部加热方式用模具在压力或拉力作用下拔出一个开口支管，支管与主管是一个整体，其过渡区为圆弧过渡形式，如图1-10-3所示。整体拉拔式汇气管的主管与支管为一整体，整体外观、结构受力和焊接接头缺陷的避免和检测等方面都远优于开口焊接结构。由于受当前加工工艺水平的限制，其存在原料钢管壁厚较厚、支管高度较低、拔制时加热次数多、温度不均匀等缺点。
图1-10-3 整体拉拔式汇气管
整体拉拔式汇气管由于成形方式远优于其他两种工艺，使其多用于高压力管道，具有较高的安全性和实用性。
整体拉拔式汇气管制作过程如下。
（1）原材料检验与验收 原材料进厂后核查钢板、钢管的数量、规格与质量证明书是否相符，然后对质量证明书进行编号，并按技术要求送检。
（2）下料 按图纸要求长度和工艺要求切割主管。
（3）划主管、支管定位线 在主管上划水平和垂直十字中心线，按工艺要求开孔尺寸（一般长轴:短轴=2:1、长轴在轴向的椭圆孔），在主管上划出各开孔位置线及尺寸线。
（4）检验 按图示位置及尺寸检验划线尺寸。
（5）开孔 按划定位置线气割开孔，对气割面进行修磨至光滑。
（6）加热、拉拔 把开完孔的工件固定在拉拔模具上，用一个或多个烤把烘烤孔的周边区域，加热时保证加热区的均匀，达到工艺要求温度后，把拉模放在钢管内，对准孔中心，升起拉杆，锁住拉杆，启动拉拔设备拉动拉杆，带动拉模从孔内拉出，就拉拔出图1-10-4所示的支口，当扩口直径太大时，可经过多次的拉拔得到工艺要求的最终尺寸。
图1-10-4 模拔后的汇气管
完成后要进行坡口、热处理、无损探伤、尺寸及外观检验、包装标识等。
10.2 支管座
在国外工艺配管领域，支管座在工程设计上已普遍采用；在国内，作为压力管道分支管道在一些工艺管道分支处的应用上也呈上升趋势。支管座又称凸台，是管道中用于分流或安装仪表、压力表、阀体等且与主管轴线垂直的补强型管件。尤其在高压、高温、厚壁、大口径管道中应用日益广泛，取代了传统的支管连接方法。
支管座与主管均采用焊接连接，支管座与支管或其他管（如短管、丝堵等）、仪表、阀门的连接采用对焊、承插焊、螺纹等多种形式，支管座分为：对焊支管座、螺纹支管座、承插焊支管座、短管支管座、斜接支管座、弯头支管座。
标准GB/T 19326在支管座的连接尺寸上确定主管管径范围为DN8～DN900，承插焊和螺纹支管座的支管接管范围为DN6～DN100、对焊支管座的支管接管范围为DN6～DN600。接管壁厚范围为STD、XS和SCH160。
10.2.1 支管座的特点
如图1-10-5所示，支管座作为一种替代异径三通、补强板、加强管节等支管在主管上直接开孔焊接的分支管件，具有本体的加强、与主管相连的环形坡口和漏斗状的内部结构等特点。为保证支管座充分加强，支管座本体除采用面积加强外，与主管连接部位的壁厚是变化的，与主管连接部分的壁厚与应力分布相适应。在与主管90°交点处具有最大应力，相对应的支管座在这一部分具有最大的壁厚，从此点开始支管座的壁厚随应力的降低而减小。支管座还具有与主管外形相配的环形焊接坡口，可以方便地与主管焊接。
图1-10-5 支管座
作为应用在管路分支上的管件，它与三通作用相同。与三通相比主要有以下优点。
①标准三通支管的变径范围一般为主管的一半左右，支管座的变径则不受限制，尤其适用于变径范围大于50％的分支连接。如DN650×DN15的变径，通常的三通是无法达到要求的，若采用支管座则非常适宜。
②支管座分支处的连接方式有对焊、承插、螺纹连接形式，方便设计选用。
③与三通连接必须产生三个环焊缝相比，支管座有两个环形焊缝，焊缝长度减少。特别是对主管尺寸大的分支连接来说，使用支管座焊接的工作量大大减少，节省时间。
④采购支管座所需的费用通常比采购三通的费用低50％～90％。
由于支管座的结构和应用特点，使其在管道工程中具有较大的应用范围，尤其是在变径过大的管道分支处更是如此。
支管座本体采用优质锻件、厚壁钢管或棒材，材料与管道材料相同，有碳钢、合金钢、不锈钢等，具体材质见GB/T 19326中表6的规定。
采用优质锻件时，支管座可以采用模压精锻的方法加工；厚壁钢管或棒材可以通过机加工的方法进行车削加工。
10.2.2 支管座车削加工工序
（1）原材料检验及验收 进厂后的锻件、厚壁钢管或棒材，按照标准验收程序，检验合格后投入生产线。
（2）下料 按照图纸要求的尺寸用切割机或锯床切割厚壁钢管或棒料，得到坯料。
（3）车外圆 用普通车床粗车坯料的外圆。
（4）精车外圆 把车好外圆的工件夹紧在车床上，找正，固定好，按图纸尺寸粗车、精车各端外圆及锥面外圆、外坡口。
（5）车或立铣偏心外圆 把专用偏心夹具固定在车床上或铣床上，再把工件固定在偏心夹具上，用顶锥顶紧工件（用车床时），车削锥面圆弧，再旋转180°车削另外半面圆弧。
（6）车内孔圆及螺纹 把车好外圆的工件夹紧在车床上，找正，固定好，用车刀精车内孔及内锥面或内螺纹。
（7）相贯线加工 按图纸要求钝边尺寸镗或磨削支管座与主管的相贯线圆弧。
加工好的工件还需要进行表面无损探伤、坡口磁粉探伤、尺寸及外观检验、包装标识等。
10.3 波纹管
波纹管（Bellows）是热力膨胀管道中的重要元件之一，用于预防管道由于热胀冷缩对管道产生的拉压力破坏管道，保证管道所受的轴向应力和应变在设计许可的安全要求内，保证管道的正常安全运行。
波纹管包括圆形波纹管、矩形波纹管和Ω形波纹管，形状如图1-10-6所示，其成形方法有：轴向加压下橡胶胀形、轴向加压下液压胀形、旋压工艺加工成形。波纹管的胀形系数主要取决于材料的塑性变形能力，一般情况下其允许值为1.3～1.5。如果胀形系数大于1.5，胀形时会出现细颈现象，因而需进行中间退火。波纹管的材料一般选用塑性变形能力好的黄铜、紫铜、铍青铜以及低碳钢、低碳合金钢、不锈钢等制造。
图1-10-6 圆形波纹管
波纹管的结构、设计、材料、试验、检验等应按GB/T 12777《金属波纹管膨胀节》中的要求进行。
波纹管常用成形方法见表1-10-2，当采用冷变形方法成形时，由于冷变形的变形抗力大，波纹管的相对壁厚较小才能满足成形力的需要；若采用热加工变形，则可最大限度地提高波纹管的壁厚。
表1-10-2 常用波纹管成形方法
除表1-10-2所列成形方法外，波纹管件还可采用爆炸成形、液电成形、电磁成形等变形方法进行制造。
10.3.1 波纹管轴向加压下橡胶胀形工艺
图1-10-7所示为双层不锈钢波纹管，其厚度为0.15mm。由于材料薄、变形量大，波纹部分的成形不能仅依靠材料的局部胀形变薄获得，因此采用轴向加压下的橡胶胀形，是一种有效的加工方法，这种新的加工方法是通过管料轴向的缩短来补偿成形波纹部分材料的不足，可使波纹管质量稳定，具有明显的技术经济效益。
图1-10-7 波纹管橡胶胀形工艺过程简图
1，2—外模；3—橡胶管；4—动作筒；5，6—内模块；7—卡环；8—橡胶块；9—拉杆
波纹管橡胶胀形工艺过程如图1-10-7所示，可分为以下几个步骤。
（1）装料 将橡胶管3套在内模块5、6上，如图1-10-7（a）所示。
（2）闭合外模 开动机床上的闭合按钮，将外模1和2闭合［图1-10-7（a）］，闭合时外模块与管料不要卡紧，以免影响成形过程中管料的轴向滑动。
（3）预胀形 启动左边动作筒，带动拉杆9，使橡胶块8发生弹性变形，将管料挤压成一个腰鼓行的环形包［图1-10-7（b）］。
（4）胀形 将左边动作筒退回，待橡胶块恢复原始位置后，再启动右边动作筒，使外模1受力，将环形包推挤压成所需的波纹形状［图1-10-7（c）］。
（5）卸半成品 松开外模块，退回原处，将胀形完毕的波纹移动一个要求的距离［图1-10-7（d）］，然后重复上述步骤依次成形其他波纹。
10.3.2 波纹管轴向加压下液压胀形工艺
波纹管类零件的生产除了橡胶胀形方法外，还常在专用胀形机上进行轴向加压的液压胀形加工。液压胀形波纹管工艺分为整体成形和单波连续成形两种方式。整体成形的生产效率高，可加工小直径（最小3mm）、多层（最多6层）、组合波形（如U形与矩形组合）等特殊要求的波纹管。缺点是波纹不能太长，产品规格变换困难。单波连续成形可以生产长度较长的波纹管，模具简单且数量少，产品规格变换灵活。但设备复杂，因要求密封性高，故不宜用焊管作坯料。
波纹管整体液压胀形工艺如图1-10-8所示，胀形前，将钢管装于弹性夹头6中，夹头端部应具有良好的密封结构，防止流体泄漏。模具槽为一半圆环，它们按产品要求形状排列，其间距应经试验确认。当压力油通入钢管内后，在压力作用下材料向半圆环槽内流动，在压力不变条件下，动模板5向右移动，推动模具槽逐渐合拢，使波纹管逐渐形成。成形后卸除液体压力，并松开弹性夹头，同时动模板恢复原始位置，并松开弹性夹头，波纹管即可取出。
图1-10-8 波纹管整体液压胀形示意图
1—定模板；2—右型芯；3—管坯；4—模具槽；5—动模板；6—弹性夹头；7—左型芯
10.3.3 波纹管径向扩径旋压成形工艺
扩径旋压是指利用旋压工具使空心回转体工件或管坯进行局部（中部或端部）直径增大的旋压成形方法，包括扩口、胀形和压筋工艺。
根据芯模形式的不同，生产中常采用外芯模和滚动模两种扩旋方法，当相对于材料塑性能力的变形量较大时，可采用外芯模扩旋工艺，较小时采用滚动模扩旋工艺。
当波纹管的扩径量适度时，可采用图1-10-9所示滚动模扩旋成形。滚动模4的工作型面与工件扩径部分的外型面一致，它起到外芯模的作用。先将管坯夹紧在机床的主轴圆盘1上，当主轴带动管坯旋转后，调节装有工作型面与工件扩径部分内型面一致的旋压轮2的支架位置到要求位置，给旋压轮逐渐施加径向压力，旋压轮即可由里向外径向进给，使管坯局部直径逐渐增大，直到与滚动模完全接触为止。抬起旋压轮2，进给旋压轮2和滚动模4到图纸要求位置，进行下一个波纹管节的旋压。
图1-10-9 波纹管滚动模扩旋示意图
1—主轴圆盘；2—旋压轮；3—橡胶管；4—滚动模
采用这种扩径方法，可用一套工具便能加工出直径尺寸不同而形状相同的工件，因此旋压工具的成本较低。若扩旋形状和尺寸均不相同的工件，则需要更换滚动模和旋压轮。
扩径旋压的成形方法主要受工件材料性能限制，如强度极限、屈服极限、延伸率等，当工件的扩径量过大时，会引起工件壁厚过度变薄，甚至造成工件破裂，因此应根据工件的扩径量分成若干道次旋扩成形。当扩旋低塑性和难加工金属材料时，通常需在加热条件下进行边加热边旋扩。当冷旋扩产生加工硬化时，需在旋扩工序中间加退火热处理。
扩径旋压时的主轴转速应根据扩径量的大小进行适当选取。
扩径时旋压轮的进给量主要取决于材料的性能。由于旋扩时，材料受拉力的作用，旋压轮的进给量比缩旋时可适当大些。
10.4 螺纹管件
螺纹管件广泛应用于螺纹连接管道上，多用于公称直径小于等于DN40的钢管及其元件之间，有时也用于公称直径大于DN40、小于等于DN150的元件间，介质最高工作温度不超过200℃螺纹管件分为高压管件和低压管件，低压管件用于公称压力不大于1.6MPa的输送水、油、空气、煤气、蒸汽等一般管道；高压管件用于公称压力不小于1.6MPa的石油、天然气套管上，用于流体输送管道的连接。
螺纹管件分为高压管件和低压管件，低压管件包括：等径和异径三通、异径四通、外接头管箍、内丝接头、异径外接头、异径内接头、异径弯头等，如图1-10-10所示。
图1-10-10 低压螺纹管件
螺纹管件的制造分高压螺纹管件和低压螺纹管件加工，由于两者所承受的压力不同，其原材料选用、半成品工艺、机械加工、热处理都大不相同。
高压螺纹管件一般采用锻件或厚壁钢管产品作为原材料，其主要产品为石油套管管箍（即内丝接头），螺纹形式为锥管螺纹，如图1-10-11所示，石油套管管箍的加工工艺流程如下。
图1-10-11 石油套管管箍
车端面→车外圆→镗孔→车内螺纹→检验→磷化包装。
为了达到技术要求的精度，车内螺纹时宜采用专用数控螺纹机床加工螺纹。
油套管接箍检验方法见表1-10-3。
表1-10-3 油套管接箍检验方法
低压螺纹管件一般采用钢管、锻件或铸件作为原材料，其锻造或铸造时应按照管件的结构形状制模，经锻、铸造出管件的半成品坯料，然后加工外形尺寸（当经精密锻、铸造时，可不进行外形加工），最后通过车床车削出锥管螺纹或碾丝机滚压出直或锥管螺纹。表1-10-4为一接箍螺纹加工标准工艺卡。
表1-10-4 接箍螺纹加工标准工艺卡
精密锻造低压螺纹管件加工工艺流程框图见图1-10-12。
图1-10-12 精密锻造低压螺纹管件加工工艺流程框图
低压螺纹管件的结构尺寸按GB 3289.1进行，技术条件按GB 3287进行，检验及验收按GB 3288进行。