在海洋工程、石油化工、核電能源和艦船制造等領(lǐng)域，大口徑鈦管的需求正與日俱增。所謂大口徑，通常指直徑在100mm以上，甚至達(dá)到φ600-1300mm的超大規(guī)格管材。這些“工業(yè)血管”需要在深海高壓、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中服役數(shù)十年，對其成形工藝提出了極高的要求。

與中小徑管不同，大口徑鈦管的成形是一場與材料特性、設(shè)備能力和成本控制的綜合博弈。本文將系統(tǒng)梳理目前主流的四大成形工藝——擠壓成形、斜軋穿孔、焊接成形和旋壓成形，解析各自的技術(shù)原理、適用規(guī)格與新突破。

一、擠壓成形：大口徑無縫管的“主力軍”

擠壓是生產(chǎn)大口徑鈦合金無縫管主要的方法，尤其適用于直徑100-600mm甚至更大的管材。其核心原理是將加熱的鈦坯放入擠壓筒中，在巨大壓力下通過模具擠出，形成管材。

1.1 技術(shù)原理與特點

擠壓過程中，材料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，這有利于發(fā)揮鈦合金的塑性，尤其適合加工塑性較差的鈦合金。擠壓工藝的關(guān)鍵參數(shù)包括擠壓比、擠壓溫度和擠壓速度。

優(yōu)勢：

- 變形量大，晶粒細(xì)小，組織均勻

- 可生產(chǎn)大口徑、厚壁管材

- 適用于多種鈦合金牌號

挑戰(zhàn)：

- 鈦的高溫黏性大，擠壓時需采用包套潤滑或玻璃潤滑

- 設(shè)備投資大，需大型擠壓機(jī)

- 輔助工序多，金屬消耗較大

1.2 包套技術(shù)的創(chuàng)新突破

傳統(tǒng)上，小規(guī)格鈦管擠壓采用鋼+銅雙包套，在950℃以下進(jìn)行。但對于φ600mm以上的大口徑管，鋼包套與鈦坯料的熱變形行為差異大，擠壓時會出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致表面開裂。

針對這一難題，新專利技術(shù)提出了鈦合金同材質(zhì)包套方案：

- 采用TA1、TA2、TA10、TA18等低成本、熱加工性能好的鈦或鈦合金薄壁焊管作為包套材料

- 通過真空電子束封焊+軸向連續(xù)加強(qiáng)焊接，使包套與坯料緊密結(jié)合

- 包套厚度控制在5-8mm，間隙不超過0.5mm

這一創(chuàng)新消除了包套與坯料變形不協(xié)調(diào)的問題，且不會生成脆性金屬間化合物，實現(xiàn)了鑄錠直接擠壓大規(guī)格鈦合金管材的高效、短流程生產(chǎn)。

1.3 擠壓+軋制聯(lián)合工藝

對于高精度大口徑管，常采用擠壓-軋制聯(lián)合工藝：

1. 棒坯→沖孔→包套擠壓→表面處理，獲得厚壁管坯

2. 開坯軋制→多道次冷軋/溫軋→中間退火

3. 成品檢測

對于中高強(qiáng)鈦合金，軋制時需采用溫軋技術(shù)，在軋機(jī)上安裝感應(yīng)加熱裝置，將溫度控制在再結(jié)晶溫度以下100℃左右。

二、斜軋穿孔：大口徑厚壁管的“高效之選”

斜軋穿孔是生產(chǎn)大口徑厚壁鈦合金無縫管的另一種重要方法，尤其適用于直徑大于130mm的管材。

2.1 工藝原理

斜軋穿孔利用兩個或三個傾斜布置的軋輥，使坯料在旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的同時被頂頭穿通。三輥斜軋穿孔可生產(chǎn)直徑/壁厚比大于10的薄壁管坯，生產(chǎn)效率高。

技術(shù)優(yōu)勢：

- 金屬消耗小，設(shè)備投入少

- 不用包套和潤滑，不污染環(huán)境

- 模具消耗少，成品率高，加工成本低

2.2 新應(yīng)用突破

針對Ti-75合金的研究表明，采用斜軋穿孔+冷擴(kuò)成形可成功制備直徑大于130mm的大口徑無縫管材。關(guān)鍵結(jié)論包括：

- 斜軋穿孔管坯具有較好的塑性

- 在室溫下進(jìn)行冷擴(kuò)，當(dāng)擴(kuò)徑率小于15%時，可獲得抗拉強(qiáng)度780MPa、屈服強(qiáng)度685MPa、伸長率13.5%的管材，且不出現(xiàn)擴(kuò)裂

2.3 技術(shù)演進(jìn)：從二輥到三輥

二輥斜軋穿孔法生產(chǎn)的鈦管坯內(nèi)外表面易出現(xiàn)起皮、折疊和頭部開裂等缺陷，尺寸精度差。三輥斜軋穿孔是在二輥基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，不僅可以生產(chǎn)尺寸精度高、內(nèi)外表面質(zhì)量好的管坯，而且可生產(chǎn)薄壁管坯。

目前存在的主要問題是穿孔過程中可能出現(xiàn)軋卡（頂頭卡在管坯里）或管壁穿破。研究者正在借鑒不銹鋼的二次穿孔工藝進(jìn)行探索，通過合理分配壓下量減少內(nèi)表面缺陷。

2.4 大口徑熱軋技術(shù)的里程碑

2016年，鑫鵬源公司研發(fā)出鈦合金熱軋無縫管生產(chǎn)工藝，通過將穿孔機(jī)電機(jī)和軋管機(jī)主電機(jī)功率分別提高到2200KW和2800KW，解決了鈦合金變形抗力大的問題。該技術(shù)實現(xiàn)了直徑273mm、長度12m、壁厚8mm的大型鈦合金管的生產(chǎn)，成材率高達(dá)97%。

三、焊接成形：大口徑薄壁管的“成本利器”

對于直徑大于38.1mm、壁厚0.5mm及以下的超薄壁大口徑鈦管，焊接成形具有無可替代的優(yōu)勢。

3.1 工藝路線

鈦焊管的生產(chǎn)采用鈦帶卷→連續(xù)冷彎成型→鎢極氬弧焊→在線退火→定徑矯直→無損檢測的連續(xù)化流程。

核心優(yōu)勢：

- 壁厚尺寸均勻，同心度好，內(nèi)外表面光潔度高

- 可做到壁厚0.5mm及以下，而軋制工藝很難獲得壁厚≤1mm的管材

- 材料利用率高達(dá)80%，成本較無縫管低30%以上

- 可連續(xù)生產(chǎn)，長度幾乎不受限

3.2 大口徑超薄壁焊管的技術(shù)突破

2017年，國內(nèi)成功研制出Φ50.8mm×0.5mm的大口徑超薄壁鈦焊管。研制過程中攻克了多項技術(shù)難題：

（1）成形控制

鈦的韌性好，回彈較不銹鋼大，薄壁帶邊在不均勻受力時極易產(chǎn)生鼓包、波浪形邊。通過對成形軋輥的W弧形進(jìn)行多次優(yōu)化，解決了帶邊鼓包問題。

（2）圓度控制

大口徑管的圓度控制是難點。通過對成形段、焊接段和定徑段的軋輥弧形進(jìn)行優(yōu)化，確保外徑和橢圓度不超標(biāo)。

（3）切割變形控制

針對超薄壁管切割易變形的問題，設(shè)計了鑲嵌聚氨酯扇形夾塊的特殊夾具，解決了夾持變形和表面損傷問題。

試制結(jié)果表明，產(chǎn)品化學(xué)成分、力學(xué)性能均滿足ASTM B338標(biāo)準(zhǔn)，焊縫、熱影響區(qū)與母材硬度相差不大，組織無異常。

3.3 螺旋焊管工藝

對于更大口徑的輸送管道，可采用螺旋焊管工藝。通過螺旋成型機(jī)卷制鈦帶，焊縫強(qiáng)度可達(dá)母材的95%，適用于長距離輸送場景。

四、旋壓成形：超大口徑薄壁管的“特種技術(shù)”

旋壓成形是一種生產(chǎn)超大口徑薄壁管的特種工藝，尤其適合直徑600mm以上、壁厚較薄的管材。

4.1 技術(shù)原理與特點

旋壓是將管坯套在芯模上，通過旋輪施加局部壓力，使材料逐點塑性變形的方式。

技術(shù)優(yōu)勢：

- 材料利用率可提升20%-50%

- 表面粗糙度可達(dá)Ra<0.8μm

- 可生產(chǎn)超大直徑管材

局限性：需高精度管坯，變形不均勻性較大。

五、前沿突破：超大規(guī)格鈦合金管的制備

針對直徑600-1300mm以上的超大規(guī)格鈦合金管材，傳統(tǒng)工藝難以直接成形。新發(fā)明專利提出了一種創(chuàng)新方法：

1. 多單元組坯：將多個鈦合金坯料單元軸向疊層、點焊

2. 真空封焊+熱等靜壓：獲得超大規(guī)格整體坯料

3. 鍛造制坯：在自由鍛機(jī)上鍛造，得到黑皮管坯棒

4. 擠壓成形：將管坯棒加熱、沖孔、鐓粗后擠壓成管材

5. 后處理：切除頭尾，進(jìn)行熱處理和表面處理

這一技術(shù)突破了傳統(tǒng)斜軋穿孔只能生產(chǎn)φ600mm以下管材的極限，為海洋裝備、核電等領(lǐng)域提供了材料保障。

與此同時，七二五所于2024年成功研制出國內(nèi)大規(guī)格的鈦合金無縫2.5D彎管，樣件規(guī)格達(dá)到φ690×20mm，實現(xiàn)了中高強(qiáng)度鈦合金無縫管件技術(shù)的全系列突破。

六、工藝對比與選型指南

| 工藝類型 | 適用直徑范圍 | 壁厚特點 | 核心優(yōu)勢 | 主要局限 | 典型應(yīng)用 |

| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |

| 擠壓成形 | 100-600mm（可達(dá)1300mm） | 中厚壁為主 | 組織均勻，適用合金廣 | 設(shè)備投資大，輔助工序多 | 化工、核電、艦船結(jié)構(gòu)管 |

| 斜軋穿孔 | >130mm，可達(dá)273mm | 厚壁為主 | 成本低，效率高，金屬消耗小 | 存在軋卡風(fēng)險，尺寸精度較低 | 厚壁結(jié)構(gòu)管、鉆桿 |

| 焊接成形 | >38.1mm，可更大 | 薄壁（≤0.5mm） | 壁厚均勻，成本低，長度不限 | 存在焊縫，不適合苛嚴(yán)工況 | 換熱器、冷凝器、輸送管道 |

| 旋壓成形 | 超大口徑 | 薄壁 | 材料利用率高，表面質(zhì)量好 | 變形不均勻，需高精度坯料 | 特殊薄壁結(jié)構(gòu)件 |

七、結(jié)語

大口徑鈦管的成形工藝，正從單一技術(shù)走向多元融合。擠壓工藝通過同材質(zhì)包套創(chuàng)新，實現(xiàn)了超大規(guī)格管材的短流程制備；斜軋穿孔通過設(shè)備升級，突破了熱軋大口徑管的技術(shù)瓶頸；焊接工藝攻克了超薄壁管的成形難題，以低成本優(yōu)勢搶占換熱器市場；旋壓和熱等靜壓等特種技術(shù)，則為極限規(guī)格提供了可能。

對于工程師而言，選擇何種工藝，需綜合考量直徑規(guī)格、壁厚要求、性能指標(biāo)、成本預(yù)算和應(yīng)用場景。隨著我國在深海油氣、核能裝備和海洋工程領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)力，大口徑鈦管的成形技術(shù)必將迎來更多創(chuàng)新突破。