科技成果项目介绍表

科技成果项目介绍 （2004年6月8-12日 中国?宁波） 姓 名 王刚 性别 男 职 称 讲师 单 位 上海交通大学塑性成形工程系 wanggang@sjtu.edu.cn 手机、电话 (021)62813430-8309 E-mail 项目名称 钛合金波形膨胀节超塑成形新技术 项目介绍： 本项目为生产钛合金波形膨胀节一种新技术，利用钛合金在工业供货状态就具有超 塑性的特点，以钛合金高能束焊接（等离子弧焊、激光焊和真空电子束焊）而成的焊接 筒体作为成形坯料。采用超塑气压胀形和轴向加载的复合成形方法成形钛合金波形膨胀节。成形过程由胀形、合段和充满等三阶段组成，这样可以使超塑胀形后工件的壁厚分 布均匀，壁厚减薄率较小。 据调查，波形膨胀节总的市场规模为每年6亿元人民币。本项目主要预期占领钛合 金波形膨胀节市场，而且由于技术优势，还可以分得部分不锈钢波形膨胀节市场份额， 预计可能有的市场份额约为每年5000万元人民币。波形膨胀节属于一种技术附加值很高 的产品，据市场调查，利润率可达到50%以上。尤其是钛合金膨胀节，其技术附加值会 更高。 本项目有以下优势： 1. 波形膨胀节应用领域广泛，企业有应用钛合金波形膨胀节的强烈愿望； 2. 钛合金膨胀节采用其他工艺生产难度很大，本技术的开发属国际国内首创， 具有显著的技术经济效益； 3. 波形膨胀节产品本身的技术附加值很高； 4. 本项目投资较少； 注：如有图片或加页请附后，并于4月25日前报基金会。 一、项目简介 1 项目开发的目的意义 波形膨胀节作为一种良好的变形补偿元件，已在化工、石油、电力、冶金、造船、 核能、字航等各工业部门得到了广泛应用。随着科学技术的发展，大尺寸、高参数膨胀 节在工程上应用已屡见不鲜，特别是近几年来，国内膨胀节制造技术的不断提高和压力 容器标准、规范内容发生了较大的变化。膨胀节制造已形成产业，在国内外有专业制造 工厂。 在各工业部门管道中使用的波形膨胀节中通过的多为含有腐蚀介质成份的流体。国 内广泛采用1Crl8Ni9Ti钢制造的波形膨胀节，发生腐蚀破坏的现象普遍存在。根据调研， 在炼油、化工、船舶行业, 膨胀节失效的一个主要原因是腐蚀穿孔，如大港油田炼油厂， 一百多个膨胀节每年就需更换将近三分之一，给生产造成了一定的影响。为解决此问题， 哈尔滨市科委将〈〈钛合金波形膨胀节批量制造新技术〉〉作为攻关课题，本课题已经申 报了国家发明专利。 2 用途和应用领域 在化工、石油、电力、冶金、造船、核能、字航等各工业部门管道中使用的波形膨 胀节中通过的多为含有腐蚀介质成份的流体。国内广泛采用1Crl8Ni9Ti钢制造的波纹管膨胀节，发生腐蚀破坏的现象普遍存在。尽管从工艺操作上，结构上做了改进后，得到 一些缓解，但其根本问题并未解决。在北京、金山、四川、辽阳、扬子等地引进的石化 装置、化纤装置中，压力容器和换热设备用膨胀节不仅有大波高、大波距冲压成形膨胀 节，而且还有相当多的小波高。小波距薄壁单层或多层膨胀节。据不完全统计，辽阳化 纤公司引进法国德希尼布及斯贝西姆的聚酯装置、聚丙烯装置，多层膨胀节约占膨胀节 数量的80％以上。近年来，国外采用提高材质档次，如用钛合金和Inconel625、Incoloy800等Ni基合金来代替不锈钢。因而，针对国情开发耐温、耐蚀新材料膨胀节制造工艺成为 了研究的目标。 具体地，使用装置情况有： 2.5万吨／年丙烯晴冷却器膨胀节Φ400mm，耐压 4.7MPa，壁厚3.5mm； 30万吨／年合成氨装置多层膨胀节Φ448mm，耐压 4.5MPa，壁厚2mm： 高压冲洗水换热器膨胀节Φ600mm，耐压3.5Mpa; 汽提塔膨胀节耐压3MPa，厚8～18mm; 重油裂化气火管废热锅炉多层膨胀节Φ468mm，耐压5Mpa； 2 重油裂化气火管废热锅炉多层膨胀节Φ470mm，耐压4Mpa; 5万吨／年丙烯晴冷却器膨胀节2Φ000mm，耐压7MPa，壁厚70mm； 聚酯装置膨胀节Φ800mm，耐压5MPa，壁厚30mm；6万吨／年乙二酯装置中循环水换热器Φ1050mm，耐压 4.4MPa，壁厚25mm： 高压换热器膨胀节Φ2350mm，耐压3.05MPa，壁厚8mm； 汽提塔膨胀节Φ2350mm，耐压2.9MPa，壁厚8mm； 30万吨／年合成氨装置甲烷进料加热器Φ1067mm，耐压2.95MPa： 汽提塔膨胀节Φ2400mm，耐压2.9MPa，壁厚13mm。 钛合金波形膨胀节的用途有以下两方面： （1）与钛制压力容器相配合。目前，与钛制压力容器相配合的波纹管和膨胀节均由 塑性较好的TA系列纯钛板用液压成形或机械成形等方法制成，不仅成品率低，成本高， 合金品种也受到限制，无法生产在室温下塑性较差的钛合金。超塑成形方法将使钛合金 波纹管和波形膨胀节的应用达到一个新的台阶。 （2）在含有腐蚀介质的场合代替不锈钢和耐蚀合金膨胀节。采用钛合金波形膨胀节 代替不锈钢波形膨胀节可有效地解决不锈钢波形膨胀节易腐蚀的问题，不足之处是材料 成本较高。不过虽然一次性投资高一些，但从长远来看，可减少经常更换膨胀节的劳动 强度和维修经费，减少了停产时间，应具有良好的经济效益。 二、钛合金波形膨胀节制造工艺 1 波形膨胀节简介 波形膨胀节是结构紧凑，柔性优良的变形补偿元件，其不仅用作吸收热位移和地基 不均匀沉降产生的机械位移，而且可用作消除机械振动，降低噪声等。目前已广泛应用 于各工业部门的管线、工艺配管、机、泵和压力容器等设备上。 各种膨胀节均以波纹管为基本元件，装配各种附件后组成。最通用的波形膨胀节基 本结构见图1。 1加强环；2波纹管；3导向螺栓；4内筒；5固定螺栓 图1 波形膨胀节基本结构 3 内（衬）筒。又称导向筒，用于减小流体对波纹管内表面冲刷和流体的压力损失， 主要用于输送高流速流体的管道。安装带有内衬筒的膨胀节时，需根据介质流向焊于设 备壳体或管道上的焊缝，位于流体上游，切勿装反。 均衡环。用来增强波谷和侧壁耐压能力并使各波压缩位移均匀的“T”形截面圆环。 导向螺栓。又称限位螺栓，连接在膨胀节上，主要用于限制波纹管在正常工作状态下的 位移范围。一旦主固定支架失效，限位螺栓承受全部内压推力，防止波纹管过度伸长。 固定螺栓。用于防止波纹管在运输过程中因颠簸而损坏。在现场当膨胀节安装完毕 后即需拆去。 波纹管是波形膨胀节中最重要的元件，本文以后所提到的波纹管也指波形膨胀节， 二者不再区分。 2 波纹管制造技术的发展 1）波纹管的传统制造工艺 自波纹管一百多年前在工业领域应用以来，其制造方法经历了一系列的发展过程， 最初波纹管用滚压成形和机械胀形方法制造，经过一段时期后，为改善精度并降低成本， 采用了液压成形法，这两种成形方法至今仍然是应用最广泛的波纹管（波形膨胀节）成 形方法。对成形的波纹管的应用的最大限制是成形所需的工具非常昂贵，对不同尺寸的 波纹管，需要不同的模具。由于此种限制，另一种类型的波纹管，即焊接波纹管在第二 次世界大战末期开始生产，但这类波纹管不能承受内压。 目前，波纹管制作方法有以下五种： （1）液压成形。包括多波一次成形和单波连续成形。（2）机械成形。包括滚压、胀压和旋压成形。（3）化学沉积成形。（4）电沉积成形。（5）焊接成形。 其中，液压成形和机械成形是制造波纹管和金属软管的常用工艺方法；最后两种方 法主要用于制造微型波纹管和弹性元件。 液压成形是利用泵注入管坯中的介质压力（油或水），迫使管坯在限制模块中胀形， 而后拆去模块间的定位撑，利用油压机或其他有关类似作用的设备，压缩管坯至所需的 最终长度，拆去模块，便得成形的波纹管。液压成形的特点是：成形过程中，管坯受压 均匀，减薄量适中，管坯的纵缝在成形过程中始终受成形压力考验。液压成形分为多波 一次成形和单波连续成形两种方式。单波连续成形原理如图2所示。管坯通过形轴上的密封圈密封后，压力油从芯轴中心孔向两道密封圈之间，在推模作用下形成波峰，如此 反复。多波一次成形则采用固定密封的方法成形。多波一次成形的过程原理如图3所示。该图显示的是常温下液压成形过程，但对于高温超塑条件下的整体成形有一定的借鉴作 用。成形时，先往管坯中充入液体，达到一定压力后，模块间的管坯薄壳发生鼓胀，见 图3a，此时停泵保压，拆去模板之间的定位撑，启动油压机，轴向压缩管坯，同时开泵 增压，见图3b，管坯的端盖和模块在油压机的轴向推压下继续移动，波形不断扩大，直 至模板全部靠紧，即合模，见图3c，合模后，一般再升压0.1MPa左右，保压10~15min， 即可卸压、拆模、取件，成形结束。 机械成形包括滚压成形、机械胀压成形和机械旋压成形三种方式。 4 滚压成形原理如图4所示，是将管坯置于成形机内，借工作轮的旋转，在工作轮与 管坯的接触面上产生摩擦力，并依靠该力带动整个管坯的回转，再借工作轮的向下进给， 即在管坯上逐渐形成凸起，即初波。同时整形轮逐渐轴向靠拢，与缓慢进给的工作轮相 应，最终在管坯的周向滚制出U形波纹。滚压成形每次可以滚成一个或多个波纹。 机械胀压成形是在管坯内预先装有圆形内模，该模具是由若干分瓣的模块组合而成， 内模的中央有一个靠油缸推动上下运动的锥体。当锥体下行时，对块体产生侧压力，在 该力的推动下，模块使管坯受胀压而成波形，锥体上行后模块靠弹簧力复位。 机械旋压成形主要是用来生产螺旋波纹管。它的模具是由工作膜片和隔片组成的。 管坯进入旋转的模具以后，在膜片和隔片的作用下，使管坯在径向和轴向均受到一定挤 压，产生塑性变形，逐渐地成形为螺旋形波纹管。 化学沉积成形方法是在镍磷酸酯溶液中对波纹状芯轴径进行镀敷，然后溶化去掉芯 轴而制成波纹管，该波纹管材料为镍磷酸化合物。该工艺适用于加工特殊形状的波纹管， 具有较高的拉伸强度，但延展性差，在震动场合易破碎。此外这种波纹管耐腐蚀性能强， 尤其在碱液中比不锈钢好，并具有弹性好，滞后小，性能稳定可靠的特点，宜作弹性敏 感元件、密封元件和补偿元件；电沉积成形方法是用一种在芯轴上沉积99.85%纯镍，然后分离芯轴的波纹管成形方法。用纯镍制得的波纹管柔软而富有弹性，密封性好，适用 于高真空场合。此工艺还适用于制造小型、异型波纹管。 焊接方法是先将板料冲裁成波纹状圆片，再焊接成波纹管。其特点是：轴向补偿量 相当大，最大可达波纹管全长的80%。但是不耐压，且制作成本较高，多用于尺寸较大， 补偿量大的低压波纹管。 1 管坯 2 芯轴 3 密封圈 4 推模 5 导相杆 6 弹簧 7 模片 图2 单波连续成形原理图 5 图3 多波一次液压成形过程 a) 鼓胀凸起 b) 轴向压缩 c) 合模 1 管坯 2 工作轮 3 整形轮 图4 滚压成形原理 2） 钛合金波纹管超塑成形新工艺 钛合金由于其优越的力学性能、一定的形状记忆功能和耐腐蚀性能，成为一种新型 的波纹管制造首选材料。其材料性能如工作温度、循环应力、耐腐蚀性等均适合制造波 形膨胀节。缺点是在室温下制造工艺性不好，采用传统方法制造波纹管的难度很大。沉 积成形波形膨胀节只能生产镍材，液压成形，滚压成形和机械胀形的共同特点是冷加工， 采用这些方法制造波纹管设备复杂，废品率高，成本高。正因为如此，使钛合金波形膨 胀节的使用受到极大的限制。到目前为止，所用的波纹管或波形膨胀节基本上都是用塑 性较好的纯钛生产的，如美国Jefferson实验室使用的氦容器，在两端装有纯钛制波纹管， 在高能离子加速器上使用的焊接钛合金波纹管等。由于成本高，制造技术不过关，钛波 纹管还只能在航空航天等高科技行业使用，化工炼油等行业使用极少。到目前为止，只 有极少的文献报道钛制波纹管的生产和使用。尚无钛合金波纹管使用的报道。 针对钛合金波形膨胀节传统生产方法所存在的缺点，哈尔滨工业大学首次开发了钛 合金波形膨胀节轴向加载/超塑成形复合工艺，解决了这一难题，为钛合金波形膨胀节大 规模应用奠定了基础。 6 超塑性成形是一种金属特种塑性成形技术。超塑性是指材料在特殊条件下低流动应 力、变形无缩颈、呈现超高的延伸率，某些材料的延伸率可以达到百分之数千，可以像 塑料中空吹塑一样进行气压成形。因此有的称之为“塑料一样的金属”。此外，超塑性材 料还具有高的应变速率敏感性，其流动应力和应变速率的关系用下式表示 m，,,K, 式中，m称为应变速率敏感性指数，m>0.3。 特殊条件是指材料具有稳定的等轴细晶组织、恒定的变形温度（一般大于材料绝对 熔点的1/2）、低的应变速率（一般在1×10-4-1s左右）。在这种条件下，金属的板材和管 材可以采用气压胀形的方法来成形。主要的工业用超塑性材料有钛合金、铝合金和双相 不锈钢。目前超塑性成形已经在航空、航天、化工、汽车、高速列车、纺织、船舶等许 多工业部门得到成功应用，获得了极为可观的技术经济效益。 钛合金是一种难变形材料，它的室温变形抗力大，塑性较差。但是它又是一种天然 的超塑性材料。所谓天然是指许多钛合金在工业供货状态就有稳定的等轴细晶组织。就 现在的研究结果而言，α钛合金、β钛合金和α+β钛合金均不同程度地可以实现超塑性， 其中尤以α+β钛合金为最佳，Ti-6Al-4V的延伸率可以达到1000%以上。 因此采用超塑性胀形工艺制造钛合金波形膨胀节的可行性就毋庸置疑。采用适当的 工艺装备，制造出合理可靠的模具，采用氩气的压力胀形和轴向加载的复合超塑性 工艺就可以成形出“U”型和“Ω”型波形的膨胀节。 哈尔滨工业大学所发明的钛合金波形膨胀节成形方法如下： 采用钛合金高能束焊接（等离子弧焊、激光焊和真空电子束焊）而成的焊接筒体作 为钛合金波纹管超塑成形坯料，所以钛合金波纹管的直径只取决于超塑成形机的能力， 波纹管直径在50-1800mm。采用超塑气压胀形和轴向加载的复合成形方法，这样在变形 过程中变形区的金属能得到补充，使壁厚分布均匀。成形过程由胀形阶段、合模阶段和 充满阶段等三阶段组成，这样可以使超塑胀形后工件的壁厚分布均匀，壁厚减薄率较小。 钛合金波纹管超塑成形示意图如图5所示。超塑胀形过程如下：（1）胀形阶段：压力机不动，充氩气于管坯内，使管坯产生合适的塑性变形，即使管坯微微地鼓起来，能使中 间模板固定在筒体上。（2）合模阶段：开动压力机向下，压合各模块。（3）充满阶段：继续加压并保压一段时间，使成形的波纹管各处全部贴紧模具。 7 1 压头 2 炉体 3 上模 4 中模 5 下模 6 管坯 7 成形件 8 上盖板 9 底板 10 通气管 11 支撑架 图5 钛合金波纹管超塑成形示意图（左侧：初始状态；右侧：完成状态） 三、项目经济可行性分析 1 国内外市场需求的调查、研究和预测（技术、产品） 1）使用地与使用领域 波形膨胀节作为一种良好的变形补偿元件，已在化工、石油、电力、冶金、造船、 核能、字航等各工业部门得到了广泛应用。使用地有大庆石化总厂，兰州石化厂，辽阳 化纤公司， 应城化肥厂，鄂西化工厂，辽河油田，大庆油田，塔里木油田，宝钢，抚钢， 包钢，唐钢，各核电站等。 2）具体用途 2.5万吨／年丙烯晴冷却器膨胀节Φ400mm，耐压 4.7MPa，壁厚3.5mm；30万吨／年合成氨装置多层膨胀节Φ448mm，耐压 4.5MPa，壁厚2mm：高压冲洗水换热器膨胀 节Φ600mm，耐压3.5Mpa;汽提塔膨胀节耐压3MPa，厚8～18mm;重油裂化气火管废热锅炉多层膨胀节Φ468mm，耐压5Mpa；重油裂化气火管废热锅炉多层膨胀节Φ470mm，耐压4Mpa;5万吨／年丙烯晴冷却器膨胀节2Φ000mm，耐压7MPa，壁厚70mm；聚酯装置膨胀节Φ800mm，耐压5MPa，壁厚30mm；6万吨／年乙二酯装置中循环水换热器 Φ1050mm，耐压 4.4MPa，壁厚25mm：高压换热器膨胀节Φ2350mm，耐压3.05MPa，壁厚8mm；汽提塔膨胀节Φ2350mm，耐压2.9MPa，壁厚8mm；30万吨／年合成氨装置甲烷进料加热器Φ1067mm，耐压2.95MPa：汽提塔膨胀节Φ2400mm，耐压2.9MPa，壁厚13mm。 3）总的市场规模与预计我们可能有的份额 根据调查，估计波形膨胀节总的市场规模为每年6亿元人民币。我们主要预期占领 钛合金波形膨胀节市场，而且由于技术优势，还可以分得部分不锈钢波形膨胀节市场份 额，预计我们可能有的市场份额约为每年5000万元人民币。当然这最终取决于市场开拓 情况。 8 2本项目完成后成本核算及批量投产的成本、售价预测 表1为项目完成后成本核算的技术经济指标数据表。 表1 项目完成后成本核算的技术经济指标数据表 说 序 号 数 据 名 称 数 据 明 1 生产特征 专业生产 2 产品对象 石化等行业 3 锻件品种数 一种多规格 4 锻件年产量（t/a）（件/a） 200件 5 100% 锻件组成% 6 锻件重量kg/件 2～30kg/件 最大锻件的尺寸和重7 Φ600mm和30kg 量（mm）和（kg） 8 锻件形状复杂程度 8.1 单件锻件的形状复杂 程度 8.2 锻件平均复杂程度 9 零件重量（kg） 2～30kg 10 毛坯重量（kg） 2～30kg 9 Φ600×500mm（壁厚11 毛坯尺寸（mm） 5mm） 12 材料消耗量（kg） 12.1 3～33kg/件 工艺材料消耗量 12.2 6600kg/年 生产材料消耗量 剪板机、卷板机、氩弧 13 设备 焊机、500吨超塑成形 机、激光焊机 14 生产率（件/h）、（t/h） 节拍生产率 0.125件/h 14.1 14.2 0.125件/h 平均生产率 15 人 员 数 15.1 15 总 人 数 15.2 9 工 人 数 16 面 积（m2 800 ） 16.1 600 厂房占地面积 16.2 400 厂房（车间）建筑面积 16.3 生产面积 440 17 总投资（万元） 18 固定资产投资（万元） 355 19 流动资金万元 85 20 模具寿命（件/套） 1000 10 21 能耗 21.1 电力安装容量（kW）、 （kVA） 1020 21.2 动力用电量（kWh） 20 21.3 加热用电量（kWh） 1000 21.4 生产用蒸汽量（MJ）（t） 氩气耗量（m321.5 ） 0.10罐/件 21.6 3 生产用水量（m） 3每小时水冷0.2 m/件 用水5吨 3燃料耗量（t或m） 21.7 其他能源及耗能工质（t21.8 3或m） 50元/件 22 辅助材料消耗量 23 工人技术等级 1500元/月 24 人员平均工资 16623.5元/件 25 成本（元）、（万元） a．材料费：11550元/ 350元/kg 成本子项 25.1 件 b．工资：1000元/件 电费1元/ c．动力费：2000元/件 kW 20万元/套 d．模具费：200元/件 按20年折旧 e．固定资产折旧：887.5 按设备费元/件 0.5% f．维修费：88元/件 g．管理费：100元/件 h．流动资金利息：213 年利率按5% 元/件 i．销售费：500元/件 j．废品损失：85元/件 废品率按 0.5% 固定成本 25.2 2788.5元/件 25.3 可变成本 18385元/件 25.4 经营费用 15736元/件 11 1000万元/年 26 销售收入（万元） 利润 27 667.53万元/年 27.1 毛利（税前利润） 27.2 净利（税后利润） 3. 国内外同类水平产品（设备）销售价成本调查与分析 波形膨胀节属于一种技术附加值很高的产品，尤其是钛合金膨胀节，其技术附加值 会更高。据市场调查，不锈钢波形膨胀节的利润可达到50%以上。表2为几种代表性不锈钢波形膨胀节的销售价格。 表2 不锈钢波形膨胀节的销售价格 规格 价格(元) Φ200mm，耐压1.6Mpa，补偿量120mm 2370 Φ400mm，耐压1.6Mpa，补偿量108mm 6560 Φ600mm，耐压1.6Mpa，补偿量120mm 9810 Φ600mm，耐压1.6Mpa，补偿量320mm 27700 而钛合金膨胀节由于技术难度很大，加之钛合金材料价格昂贵，市场上尚未形成通 用的认定价格。以直径600mm的钛合金波形膨胀节为例，其报价达到20万元人民币/个，而其产品成本不超过3万元。 4 社会经济效益分析（项目完成后的直接和间接社会经济效益一包括对 新增能力、产值、利税、创节汇、节约价值的评价等） 国内的钛合金膨胀节普遍采用机械胀形的方法制造。钛合金属于难变形材料，采用 机械胀形的方法制造膨胀节设备和机构复杂，废品率高，成本高，价格居高不下。超塑 性成形的方法是利用钛合金的天然的优良超塑性，只用外模，不用内模，用轴向加压和 气压胀形复合工艺制造出膨胀节。具有显著的技术经济效益。 12 在国际上首先开发利用超塑性成形技术制造钛合金膨胀节的新工艺。如以生产直径 600mm的钛合金“U”型多波膨胀节超塑性成形技术为目标。与机械胀形方法相比，降 低制造成本25%。若超塑性成形的钛合金波形膨胀节每只价格定为5余万元（普通加工方法报价约近20万元），初步估计，按初投产1台设备，年产量200只计算，年产值达1000万元，利润近600万元。 四、项目分析 本项目从技术上看，由于技术储备充分、设施保障完备，应有充分的保障。 本项目有以下优势： 1） 波形膨胀节应用地区和领域广泛，而且需求量较大；企业 有应用钛合金波形膨胀节的强烈愿望； 2） 本技术的开发属国际国内首创，具有显著的技术经济效益； 3） 波形膨胀节产品本身的技术附加值很高； 4） 钛合金膨胀节采用其他工艺生产难度很大； 5） 本项目在初期可只上马一台超塑成形机（用压力机改造而成），其它可外协生产； 6） 本技术可用于钛合金与不锈钢波形膨胀节的制造，适用范围广。 本项目存在的问题： 1） 超塑成形的钛合金波形膨胀节虽然已经经过国家质量检验监督中心检验合格， 但目前尚无工厂应用，无样板工程，市场开发存在一定的难度； 2） 本项目尚需设计与钛合金波纹管相配的法兰等辅件。 13