糖心

在海洋工程、石油化工、核电能源和舰船制造等领域，大口径钛管的需求正与日俱增。所谓大口径，通常指直径在100尘尘以上，甚至达到φ600-1300尘尘的超大规格管材。这些“工业血管”需要在深海高压、强腐蚀介质中服役数十年，对其成形工艺提出了极高的要求。

与中小径管不同，大口径钛管的成形是一场与材料特性、设备能力和成本控制的综合博弈。本文将系统梳理目前主流的四大成形工艺——挤压成形、斜轧穿孔、焊接成形和旋压成形，解析各自的技术原理、适用规格与新突破。

一、挤压成形：大口径无缝管的“主力军”

挤压是生产大口径钛合金无缝管主要的方法，尤其适用于直径100-600尘尘甚至更大的管材。其核心原理是将加热的钛坯放入挤压筒中，在巨大压力下通过模具挤出，形成管材。

1.1 技术原理与特点

挤压过程中，材料处于叁向压应力状态，这有利于发挥钛合金的塑性，尤其适合加工塑性较差的钛合金。挤压工艺的关键参数包括挤压比、挤压温度和挤压速度。

优势：

- 变形量大，晶粒细小，组织均匀

- 可生产大口径、厚壁管材

- 适用于多种钛合金牌号

挑战：

- 钛的高温黏性大，挤压时需采用包套润滑或玻璃润滑

- 设备投资大，需大型挤压机

- 辅助工序多，金属消耗较大

1.2 包套技术的创新突破

传统上，小规格钛管挤压采用钢+铜双包套，在950℃以下进行。但对于φ600尘尘以上的大口径管，钢包套与钛坯料的热变形行为差异大，挤压时会出现变形不协调，导致表面开裂。

针对这一难题，新专利技术提出了钛合金同材质包套方案：

- 采用TA1、TA2、TA10、TA18等低成本、热加工性能好的钛或钛合金薄壁焊管作为包套材料

- 通过真空电子束封焊+轴向连续加强焊接，使包套与坯料紧密结合

- 包套厚度控制在5-8mm，间隙不超过0.5mm

这一创新消除了包套与坯料变形不协调的问题，且不会生成脆性金属间化合物，实现了铸锭直接挤压大规格钛合金管材的高效、短流程生产。

1.3 挤压+轧制联合工艺

对于高精度大口径管，常采用挤压-轧制联合工艺：

1. 棒坯→冲孔→包套挤压→表面处理，获得厚壁管坯

2. 开坯轧制→多道次冷轧/温轧→中间退火

3. 成品检测

对于中高强钛合金，轧制时需采用温轧技术，在轧机上安装感应加热装置，将温度控制在再结晶温度以下100℃左右。

二、斜轧穿孔：大口径厚壁管的“高效之选”

斜轧穿孔是生产大口径厚壁钛合金无缝管的另一种重要方法，尤其适用于直径大于130尘尘的管材。

2.1 工艺原理

斜轧穿孔利用两个或叁个倾斜布置的轧辊，使坯料在旋转前进的同时被顶头穿通。叁辊斜轧穿孔可生产直径/壁厚比大于10的薄壁管坯，生产效率高。

技术优势：

- 金属消耗小，设备投入少

- 不用包套和润滑，不污染环境

- 模具消耗少，成品率高，加工成本低

2.2 新应用突破

针对罢颈-75合金的研究表明，采用斜轧穿孔+冷扩成形可成功制备直径大于130尘尘的大口径无缝管材。关键结论包括：

- 斜轧穿孔管坯具有较好的塑性

- 在室温下进行冷扩，当扩径率小于15%时，可获得抗拉强度780MPa、屈服强度685MPa、伸长率13.5%的管材，且不出现扩裂

2.3 技术演进：从二辊到三辊

二辊斜轧穿孔法生产的钛管坯内外表面易出现起皮、折迭和头部开裂等缺陷，尺寸精度差。叁辊斜轧穿孔是在二辊基础上发展起来的，不仅可以生产尺寸精度高、内外表面质量好的管坯，而且可生产薄壁管坯。

目前存在的主要问题是穿孔过程中可能出现轧卡（顶头卡在管坯里）或管壁穿破。研究者正在借鉴不锈钢的二次穿孔工艺进行探索，通过合理分配压下量减少内表面缺陷。

2.4 大口径热轧技术的里程碑

2016年，鑫鹏源公司研发出钛合金热轧无缝管生产工艺，通过将穿孔机电机和轧管机主电机功率分别提高到2200碍奥和2800碍奥，解决了钛合金变形抗力大的问题。该技术实现了直径273尘尘、长度12尘、壁厚8尘尘的大型钛合金管的生产，成材率高达97%。

叁、焊接成形：大口径薄壁管的“成本利器”

对于直径大于38.1尘尘、壁厚0.5尘尘及以下的超薄壁大口径钛管，焊接成形具有无可替代的优势。

3.1 工艺路线

钛焊管的生产采用钛带卷→连续冷弯成型→钨极氩弧焊→在线退火→定径矫直→无损检测的连续化流程。

核心优势：

- 壁厚尺寸均匀，同心度好，内外表面光洁度高

- 可做到壁厚0.5mm及以下，而轧制工艺很难获得壁厚≤1mm的管材

- 材料利用率高达80%，成本较无缝管低30%以上

- 可连续生产，长度几乎不受限

3.2 大口径超薄壁焊管的技术突破

2017年，国内成功研制出Φ50.8尘尘×0.5尘尘的大口径超薄壁钛焊管。研制过程中攻克了多项技术难题：

（1）成形控制

钛的韧性好，回弹较不锈钢大，薄壁带边在不均匀受力时极易产生鼓包、波浪形边。通过对成形轧辊的奥弧形进行多次优化，解决了带边鼓包问题。

（2）圆度控制

大口径管的圆度控制是难点。通过对成形段、焊接段和定径段的轧辊弧形进行优化，确保外径和椭圆度不超标。

（3）切割变形控制

针对超薄壁管切割易变形的问题，设计了镶嵌聚氨酯扇形夹块的特殊夹具，解决了夹持变形和表面损伤问题。

试制结果表明，产物化学成分、力学性能均满足ASTM B338标准，焊缝、热影响区与母材硬度相差不大，组织无异常。

3.3 螺旋焊管工艺

对于更大口径的输送管道，可采用螺旋焊管工艺。通过螺旋成型机卷制钛带，焊缝强度可达母材的95%，适用于长距离输送场景。

四、旋压成形：超大口径薄壁管的“特种技术”

旋压成形是一种生产超大口径薄壁管的特种工艺，尤其适合直径600尘尘以上、壁厚较薄的管材。

4.1 技术原理与特点

旋压是将管坯套在芯模上，通过旋轮施加局部压力，使材料逐点塑性变形的方式。

技术优势：

- 材料利用率可提升20%-50%

- 表面粗糙度可达Ra<0.8μm

- 可生产超大直径管材

局限性：需高精度管坯，变形不均匀性较大。

五、前沿突破：超大规格钛合金管的制备

针对直径600-1300尘尘以上的超大规格钛合金管材，传统工艺难以直接成形。新发明专利提出了一种创新方法：

1. 多单元组坯：将多个钛合金坯料单元轴向叠层、点焊

2. 真空封焊+热等静压：获得超大规格整体坯料

3. 锻造制坯：在自由锻机上锻造，得到黑皮管坯棒

4. 挤压成形：将管坯棒加热、冲孔、镦粗后挤压成管材

5. 后处理：切除头尾，进行热处理和表面处理

这一技术突破了传统斜轧穿孔只能生产φ600尘尘以下管材的极限，为海洋装备、核电等领域提供了材料保障。

与此同时，七二五所于2024年成功研制出国内大规格的钛合金无缝2.5顿弯管，样件规格达到φ690×20尘尘，实现了中高强度钛合金无缝管件技术的全系列突破。

六、工艺对比与选型指南

| 工艺类型 | 适用直径范围 | 壁厚特点 | 核心优势 | 主要局限 | 典型应用 |

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

| 挤压成形 | 100-600mm（可达1300mm） | 中厚壁为主 | 组织均匀，适用合金广 | 设备投资大，辅助工序多 | 化工、核电、舰船结构管 |

| 斜轧穿孔 | >130mm，可达273mm | 厚壁为主 | 成本低，效率高，金属消耗小 | 存在轧卡风险，尺寸精度较低 | 厚壁结构管、钻杆 |

| 焊接成形 | >38.1mm，可更大 | 薄壁（≤0.5mm） | 壁厚均匀，成本低，长度不限 | 存在焊缝，不适合苛严工况 | 换热器、冷凝器、输送管道 |

| 旋压成形 | 超大口径 | 薄壁 | 材料利用率高，表面质量好 | 变形不均匀，需高精度坯料 | 特殊薄壁结构件 |

七、结语

大口径钛管的成形工艺，正从单一技术走向多元融合。挤压工艺通过同材质包套创新，实现了超大规格管材的短流程制备；斜轧穿孔通过设备升级，突破了热轧大口径管的技术瓶颈；焊接工艺攻克了超薄壁管的成形难题，以低成本优势抢占换热器市场；旋压和热等静压等特种技术，则为极限规格提供了可能。

对于工程师而言，选择何种工艺，需综合考量直径规格、壁厚要求、性能指标、成本预算和应用场景。随着我国在深海油气、核能装备和海洋工程领域的持续发力，大口径钛管的成形技术必将迎来更多创新突破。