大口径热扩无缝钢管的发展与应用

大口径热扩无缝钢管的发展与应用 口径热扩无缝钢管的发展与应用/徐小华 等 ??13 ? ? 大口径热扩无缝钢管的发展与应用 1 2 1 2 1 2 徐小华 ，陈俊德 ，姜大伟 ，薛刚毅 ，肖学山 ，陈 益 1 上海大学材料研究所，上海200072;2 无锡德新 钢管有限公司，无锡214177 ) 摘要 介绍了 口径热扩无缝钢管的主要生产工艺和国内外热扩无缝钢 管的研究现状和发展趋势。建议加快我国热扩 无缝钢管标准化的形成，以拓宽国内外无缝钢管市场。 关键词 大口径无缝钢管 热扩钢管 中图分类号:TG306 文献标识码:A Development and Application of Large-size Hot-expanding Seamless Steel Tube 1 2 1 2 1 2 XU Xiaohua ，CHEN Junde ，JIANG Dawei ，XUE Gangyi ，XIAO Xueshan ，CHEN Yi 1 Institution of Materials, Shanghai University, Shanghai 200072;2 Wuxi Dexin Steel Tube Co. Ltd, Wuxi 214177 Abstract The processing and research status and development trends of large-size hot-expanding seamless steel tube are introduced. Some suggestions for the development of hot-expanding seamless steel tube standards are proposed, in order to broaden the domestic and international markets. Key words large-sized, seamless steel tube, hot-expanded steel tube 0 引言 管、管线热扩钢管、气瓶热扩钢管、结构热扩钢管、流体输 送用热扩钢管和机械辊道热扩钢管等;按钢管材质来划分， 大口径无缝钢管(Ф406~ 1500mm 6.4~270.0mm )主要 可分为碳钢热扩管、低合金热扩管、高合金热扩管、不锈钢 用作一般流体输送管、石油天然气管线管、结构用管、压力 热扩管和钛合金钢热扩管等;按热扩径工艺来划分，又可分 容器用管、高压锅炉用管及军工用管等，钢管材质主要为优 为斜轧热扩钢管、拉拔热扩钢管、推制式热扩钢管等。热扩 [1,2] 质碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢及特种合金等 。在 钢管的用途广泛，适应性强，除广泛应用于石油、水蒸汽和 我国，中小口径无缝钢管生产装备发展较快，而大口径无缝 中低压可燃性或非可燃性流体输送管道的石油、天然气和化 钢管生产发展较为落后。据不完全统计，我国现有无缝钢管 学工业中，还应用于高低温压力容器等电力行业用管以及城 生产厂超过 150 ，各类无缝钢管机组约 289 套 含在建 市建设等结构用管道中。 17 套)，其中能够生产大口径无缝钢管的主要装备 包括在 由于热扩钢管是通过热扩径工艺将中小口径热扩成大 建)共约11 套机组，如包钢Φ400mm 自动轧管机组、天津 口径而得到的无缝钢管，因此，热扩钢管一般均有口径大、 钢管2007 年投产的Ф460mmPQF 三辊连轧管机组、攀成钢 壁薄等特点。热扩钢管工艺起源于二次穿孔，随着时间的推 Φ340mm 限动芯棒连轧管机组和Ф318mm 周期式轧管机组 移，热扩钢管工艺得到了 长足的进步和发展，下面首先介绍 等，以及宝钢集团鲁宝无缝钢管厂在建的Ф460 mm PQF 三 3 种传统热扩钢管生产工艺。 辊连轧管机组，新冶钢集团有限公司在建的Ф460mm 三辊 [3?5] 轧管机组等 。 2 热扩钢管生产工艺 尽管如此，还不能弥补市场对大口径无缝钢管逐年增加 [6,7] 2.1 斜轧热扩径工艺 的需要 。目前国内大口径生产能力不足和可生产的热轧 斜轧热扩径工艺历史悠久，工艺成熟。始建于 1888 年 拔)无缝钢管最大外径规格的局限性，使得人们试图通过 的捷克Chomotov 钢管厂，早在 1928 年就投产了1 套可将 热扩径工艺等来实现更大直径无缝钢管的生产。较生产成本 钢管外径由330mm 扩至545mm，年产量为 10 万t 的斜轧 高和生产设备昂贵的热轧无缝钢管而言，热扩工艺具有生产 热扩径机组。随后，美国Lorain 厂、德国RAth 厂以及中国 流程简单、质量稳定、经济实用等特点，且成本低，生产效 的天津钢管集团股份有限公司(较晚)等也建成斜轧热扩径 率高。作为冶 、轧管主线延伸的热扩无缝钢管填补了国内 机组并相继投产。最近， 意大利Dalmine 钢管厂对斜轧热扩 大口径无缝钢管规格的不足，解决了用户的特殊需求。 径项目进行改组，改组以 后的生产能力和市场竞争力都将大 1 热扩钢管分类及特点 [8] 大提升 。 热扩钢管是通过扩大管材直径的一种荒管精整工序― 斜轧热扩径工艺，即将经加热至适当温度的轧件以螺旋 ―热扩径工艺所生产的钢管。通常提到的热扩钢管均为热扩 回转的方式喂入轧机，并在具有很大倾角且旋向相同的悬臂 无缝钢管。热扩钢管分类方法很多，按用途来划分，可分为 式锥形轧辊和顶头之间进行轧制来扩大钢管直径的一种热 [9] 高温设备用热扩钢管、低温用热扩钢管、压力设施用热扩钢 扩径工艺 见图1) 。有时为了扩大斜轧热扩径无缝钢管 小华: 硕士生 E-mail: xsxiao@mail.shu.edu ??14 ?? 材料导报网刊 2010 年3 月第5 卷第1 期 轧制线的管子尺寸范围，专门设计了特定功能的附加轧机 性大，产品质量又能满足一般管的要求，所以在我国仍有部 如定径机、张减机、扩径机)，以利于母管的进一步变形。 分企业继续 沿用拉拔式热扩径工艺。成都无缝钢管曾采用周 为改善扩管的质量，扩径前需对管坯进行去除氧化皮等处 期式轧管650 拉拔式热扩径工艺生产的35CrMoA 无缝钢管 理，扩径后的荒管还需要经过均整、再加热和定径等工序以 适用于制造大容量高压气瓶，检测结果表明，其各项性能指 [13] 消除扩管内外螺纹并改善扩管外径以及壁厚的尺寸精度，进 标完全达到了中国ZC 规范及美国ABS 援范的技术要求 。 而得到最终成品。天津钢管集团股份有限公司Φ720 mm 斜 拉拔式热扩径工艺，即先在荒管管端扩一个喇叭口，其 轧热扩径机组的生产工艺流程为:步进炉加热空心管坯?表 扩口直径比热扩后的直径大 100mm 左右，这样有利于热扩 面高压水除磷?内表面除鳞、润滑及斜轧热扩径?锥形辊均 时内外卡环卡住管端并进行水冷，然后由 条牵引芯棒杆并 [10] 带动顶头从荒管内部通过以 实现扩径减壁及长度缩短的变 整?步进炉再加热?5 机架四辊式定径?冷却?精整 。 形过程。拉拔式扩管一般需 加热 2~3 次，每次加热后扩径 1~4 个道次，总相对扩径量不大于45%[14]。所采用的拉拔式 热扩径机组由管端加热炉、端部扩径机、扩口机、再加热炉、 扩径机、氧气切割机及随后的精整设备所组成。图2 即为拉 拔式热扩径工艺变形区的示意图。 图1 斜轧热扩变形区的示意图 Fig. 1 Schematic diagram of rotary expanding process deformation zone 斜轧热扩径工艺的特点是:?扭转变形少及延伸系数 小，轧辊辊型设计时已经考虑到提高扩管表面质量，减少能 耗，且管子角速度恒定，扭转和切应力降为最小。斜轧热扩 图2 拉拔式热扩径 工艺变形区的示意图 径变形进行的几乎都是金属的横向扩展，边扩径边减壁，轧 Fig. 2 Schematic Diagram of draw-type hot-expanding 件在扩径前后横 面积和长度基本上都保持不变，延伸率接 process deformation 近于1;?推进速度慢，由于斜轧机碾轧角和辊面角较大而 咬入角较小，使得金属横向流动速度大，纵向流动速度小， 2.3 推制式热扩径工艺 管子推进速度变慢。有时可以通过降低扩管的推进速度来更 推制式热扩径工艺，自1995 年诞生，1998 年专利问世 好地保证扩管的稳定性和壁厚精度;?扩管质量稳定，顶杆 以来，经历了螺旋推进式、液压推进式和如今的二步液压推 采用液压小舱定位，液压小舱能对轧机因轧制时顶头位移所 进式 2004 年取得专利)。推制式热扩径工艺是将原料管置 产生的任何长度尺寸变动给与补偿。另外，斜轧热扩径工艺 于中频感应多圈加热炉 2006 年取得专利)中经中频感应 还能改善母管的尺寸精度，尤其能改善母管的壁厚不均，且 局部加热后，靠液压缸活塞的运动来推制原料管，使原料管 对表面质量不会产生不良影响;?生产投入较大，斜轧热扩 逐步推过尾部固定于固定架上的锥形内模芯棒，以达到扩径 [15] 径工艺生产设备庞大，投资较高，生产成本也较高。从各种 的目的 图3) 。无锡德新钢管有限公司推制式热扩工艺 因素 包括经济技术因素、设备因素、生产效率因素、产品 流程为:坯管?人工检查修磨?选择芯棒?坯管内壁涂润滑 质量因素等)综合考虑，最适宜于应用斜轧热扩径工艺生产 剂?加热扩径?热处理?理化检验?矫直、切头尾?内外表 的管材直径范围为 425~762mm 。尽管如此，斜轧热扩径工 面处理?无损探伤检测 NDT )?水压试验?表面防护?端 艺仍被认为是通过热轧生产大直径、中薄壁无缝钢管的最佳 口加工?尺寸及外观检验?喷标、入库。后续必不可少的水 [11] 压试验，超声波在线探伤，涡流探伤，理化试验等全面的检 工艺之一 。 2.2 拉拔式热扩径工艺 测手段，确保了钢管质量的可靠性和稳定性。 拉拔式热扩径发展历史较斜轧热扩径发展要稍为落后。 拉拔式钢管热扩径机首先是由Dalmine 公司于1936 年投产 的，之后，该公司又增设了可扩径生产最大直径为 925mm 的拉拔式热扩径机。我国原成都无缝钢管厂也于 1965 从 Innocenti 公司引进拉拔式热扩径机组，并于1969 年正式投 产。拉拔式热扩径设备重量轻、投资少，更换工具简便，但 拉拔式热扩径工艺生产的热扩无缝钢管仍然存在着钢管外 径精度差、钢管表面不光滑、坡口质量较差以及外表面波浪 图3 推制式热扩变形区的示意图 [12] Fig. 3 Schematic Diagram of push-type hot-expanding 型严重等问题 。目前，世界上仍有一些拉拔式热扩径机 在生产，可在发达国 已经很少把它用于无缝钢管扩径了。 process 但在发展中国 ，由于拉拔式热扩径生产投资少、生产灵活 推制式热扩径工艺的特点是:?局部加热，较上述 2 口径热扩无缝钢管的发展与应用/徐小华 等 ??1 5 ?? 种热扩工艺，推制式热扩工艺首先具有局部加热的特点，它 4 结语 采用中频感应线圈仅在热扩变形区进行局部加热，加热温度 作为冶 、轧管主 线延伸的热扩钢管，其生产和实践已 均匀稳定，边加热边推进;?延伸率高，热扩变形过程会出 得到了很广泛的应用， 能很好地填补国内外各大钢厂生产一 现很明显的直观变化，如钢管直径扩大、长度变短、壁厚减 些大口径薄壁特殊型号钢管欠缺的空白，但目前在生产技术 薄等。?成材率较高，单道次扩径比大，因为采用坯料端推 改进、控制热扩钢管各个参数精度等方面仍需要进一步的研 制，无需预制喇叭口，所以成材率较高。单道次扩径比大， 究和完善，希望我国钢管企业加强合作，共同攻关研究，完 无锡德新钢管有限公司在保证产品质量的同时，一次最大扩 善热扩钢管生产标准，以进一步促进我国钢管业的发展。 径比可达 1.7，除生产特大规格特殊钢管需进行多道次扩制 外，其它规格一般采用单道次扩制;?投资少，见效快，生 参考文献 [16] 产组织灵活 。可生产的品种有:流体管、结构管、气瓶 1 李晓红. 国内大直径无缝钢管生产发展的装备选择[J]. 管、管线管、低中压锅炉管等。 钢 管，2006，35 6):4 最近，无锡德新钢管有限公司与上海大学联合成立了热 2 Le ′vesque D, Kruger S E, Lamouche G. Thickness and 扩管工程技术研究中心，以进一步从理论和实践上指导热扩 grain size monitoring in seamless tube-making process 管的生产。 using laser ultrasonics [J]. NDT E Int, 2006,39: 622 3 殷国茂. 我国 钢管飞速发展的 10 年概述[J]. 钢管， 3 国内外热扩无缝钢管研究现状与发展前景 2009，38 2 ):6 目前在世界范围内，热扩碳钢管生产工艺已经比较成 4 谷力功. 我国无缝钢管市场供需情况分析[J]. 钢管， 熟，高合金钢无缝管材热加工的装备水平和方法也有了长足 2008，37 4 ):57 的进步。从坯到管的基本工艺原理仍以斜轧穿孔或压力穿孔 5 易刚. 无缝钢管生产企业取得行业竞争优势地位途径 作为主要手段来制备荒管，再通过后续的热扩径工艺实现减 的探讨[D]. 成都:四川大学，2003 壁和扩径。 6 中兴能源装 备大口径石化用管销量占 25%[J]. 不锈 [19] 我国钢管标准化工作虽然已经有了明显的进步 ，但 市场与信息)，2009，7 :8 由于热扩工艺起步晚，发展较落后，因此热扩钢管标准化工 7 殷世清. 我国无缝钢管企业发展战略研究[D]. 长沙: 作尚很缺乏，还没有形成一个明确而完整的国 标准。现今， 中南大学，2000 低中压锅炉用热扩无缝钢管暂且执行我国现行标准低中压 8 金如菘. 斜轧扩径工艺的最新应用 A1 )―― 《无缝 锅炉用无缝钢管GB3087-2008、低压流体输送用热扩钢管暂 钢管百年史话》 续释9 )[J]. 钢管, 2003, 32 6):53 且执行低压流体输送用焊接钢管GB/T3091-2008 。另外，也 9 曾幼宗，颜幼贤编译. 辊式热扩钢管机的生产工艺及设 可根据双方的约定执行企业标准，如无锡德新钢管有限公司 备特点[J]. 钢管，1997，26 6 ):54 制定的 《低中压管道用局部加热热扩无缝钢管》《高压管道 10 李东，张志通,等. 斜轧扩径生产工艺刍议[J]. 钢管， 用局部加热热扩无缝钢管》企业标准或者国外的有关标准。 2009，38 1):41 总之，加快我国热扩钢管标准化进程以及加大力度对热扩基 11 成海涛. 斜轧扩管工艺分析[J]. 钢管， 1999，28 6 :5 础理论研究已经成了进一步推广投资少、见效快和生产组织 12 陈建华，杨凛梅. 650mm 热扩管机组大口径无缝钢管 灵活的热扩无缝钢管生产当务之急的任务。 定径工艺简析[J]. 江苏冶金，2002，30 3 ):8 目前，国内对于碳钢管、低合金管等生产能力已经饱和， 13 曹树荣，罗先登. 用周期式轧管――拉拔式热扩径工艺 但对于不锈钢无缝管、高合金无缝管大部分靠进口。尤其是 生产大容量高压无缝气瓶管[J]. 钢管，1990，6:10 不锈钢管自20 世纪问世以来的几十年的历史中，不锈钢管 14 洪连山. 热扩径生产大直径无缝钢管的探讨[J]. 轧钢， 的使用量大增。特别是薄壁不锈钢管，因为可靠的连接方式， 1991，3 :37 相对优势的价格，优异的不锈性和耐蚀性，在直饮水工程中， 15 师汉奎. 中频感应加热推挤式钢管热扩径工艺及亟待 薄壁不锈钢管占了很大的市场份额[20?23] 。因此，除了热扩 解决的几个问题[J]. 天津冶金，2004，120 2 ):9 大口径碳钢管、低合金管等外，无锡德新钢管有限公司已经 16 钟蜀英，任全胜,等. 推制式扩管新工艺的研究[J]. 四 成功热扩出304L、316L 等大口径薄壁不锈钢管。此外，由 川冶金，2004，4 :18-20 于钛合金比强度高、抗腐蚀性强、低温性能好以及良好的可 17 张永兰. 推制式热扩钢管工艺的实践及研究[J]. 钢管， [24,25] 焊性 ，使得钛合金管在石油化工、海洋能源以及热电核 2004，33 1):9 [26] 电领 都有广泛的应用 ，无锡德新钢管有限公司也已经 18 陈明香，胡路卓,等. 大口径无缝钢管的工艺研究[J]. 成功热扩出大口径钛合金管。随着与国际市场的进一步融 天津冶金，2002，111 5):23 合，竞争也日趋激烈，我国热扩钢管已经不能再满足于利润 19 成海涛，杨秀琴. 我国钢管行业 来发展趋势分析[J]. 低的普通碳钢管、低合金钢管，而开始向高附加值产品迈进， 钢管，2009，38 1):10 [27,28] 以满足市场需要和争取更大的出口量 ，这为拓宽国内外 20 赵文耕. 大话不锈钢管[J]. 给水排水动态，2006，6: 无缝钢管市场具有重要意义[29?32] 。 12 ??16 ?? 材料导报 网刊 2010 年3 月第5 卷第1 期 21 伊势田, 敦朗, 杨小俊译. 高温高强度锅炉用不锈钢管 思考 上 [J]. 钢管，2006，35 1):7 [J]. 不锈 市场与信息)，2009，5:19 27 殷国茂. 我国无缝钢管行业飞速发展的 5 年和今后的 22 Ahmed T M,.Alfantazi A, Budac J, et al. Failure analysis 思 考 下 [J]. 钢管，2006，35 2 ):1 of 316L stainless steel tubing of the high-pressure still 28 江苏武进大口径不锈钢热轧荒管试产成功[J]. 不 锈 condenser [J]. Eng Failure Analysis,2009,16: 1432 市场与信息)，2009，5:4 23 MacKenzie P M,Walker C A, McKelvie J. A method for 29 南通市特种钢厂成功开发大口径不锈钢管[J]. 不锈 evaluating the mechanical performance of thin-walled 市场与信息)，2009，2 :13 titanium tubes [J]. Thin-Walled Structures , 2007,45: 400 30 邹子和. 美国不锈钢管市场分析及对我国不锈钢管发 24 Aniruddha Kumar, Mool C Gupta. Surface preparation of Ti-3Al-2.5V alloy tubes for welding using a fiber laser [J]. 展 方向的启示[J]. 钢管，2008，32 6 ):17 Optics Lasers Eng, 2009, 47: 1259 31 英翔.大口径薄壁气瓶管在天津钢管公司冷轧不锈钢管 25 Kyudae Hwang, JongsooJeong, SunggunHyun et al. Heat 厂诞生[J]. 天津冶金，2008，5:60 transfer and pressure drop characteristics of enhanced 32 Ghude S H. Status and prospects for the seamless steel titanium tubes [J]. Desalination, 2003, 159: 33 tube industry in India[J]. J Mater Processing Techn, 26 殷国茂. 我国无缝钢管行业飞速发展的5 年和今后的 1994,40 1-2 :127