压力管道用金属管材制造

第三章压力管道用金属管材第一节无缝钢管无缝钢管是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条钢材，大量用作输送通道，被广泛应用于石油、电力、化工、煤炭、机械、军工和航空航天等行业，也是特种设备制造常用的原材料之一。

近年来我国无缝钢管生产发展很快，已经成为世界无缝钢管生产第一大国，国内无缝管生产企业约300多家。

目前国内部分企业已具有高水平的无缝钢管制造技术，并拥有世界先进的钢管制造设备，无缝钢管国产化率已接近90%，绝大部分品种、规格国内企业都可自己生产。

其中热轧管产量约占中国无缝钢管总产量的80%，此外还有采用热轧穿孔后冷轧或冷拔工艺生产小规格的无缝钢管。

现在中国无缝钢管技术装备种类、规格齐全，拥有各类无缝钢管企业超过300家，其中能生产热轧成品管且工艺技术装备较完整的有20家左右，产能在900万吨左右。

这类生产厂绝大多数为国有企业，技术装备先进，单线生产能力高，产品质量好，是无缝钢管生产的主导企业。

还有一部分企业通过外购管坯加工无缝钢管或是为冷轧冷拔提供毛管或荒管坯料的中小企业，包括许多冷拔管企业，这类企业的设备比较简单，单线生产能力较低，产品以多规格小批量的产品为主。

但目前我国还不是世界上的无缝钢管生产强国，部分高强度、耐高温/低温、高耐腐蚀或特殊用途的高附加值无缝钢管品种还不能满足国内需求，大量依赖进口。

一、制造工艺无缝钢管是采用热加工方法制造的不带焊缝的钢管，用钢锭或实心管坯经穿孔制成毛管，然后由热轧、冷轧、冷拔和挤压管等加工工艺形成的最终产品。

热轧工艺是无缝钢管的主要制造方法，占无缝管产量的80％。

热连轧管机组生产的无缝管的品种和质量水平，除轧机本身的技术水平外，在很大程度上受冶炼和连铸的制约。

因此，无缝管先进的工艺流程应该包括冶炼至管加工的全流程。

国际知名无缝管企业大都是完整的专业钢管厂或钢铁联合企业，而依靠外购管坯制造无缝管的企业，是很难在激烈的市场竞争中占稳阵地的。

采用电弧炉或转炉冶炼一LF炉外精炼一VD真空处理一全保护浇注连铸圆管坯一热连轧机（NPN、PQF）一管加工一体化生产，是当今国际先进的无缝钢管生产工艺流程。

采用上述工艺流程可以生产诸如石油专用管、高压锅炉管、中低合金管等。

目前，我国天津钢管公司、宝钢商贸（钢管）公司、鞍钢无缝厂、包钢无缝厂均已实现上述工艺流程。

热轧生产设备主要有穿孔机、自动轧管机、均整机、定径机和减径机等组成。

轧制工艺有自动轧管机组、连轧管机组、周期轧管机组和导盘轧管生产机组等多种类型。

常用无缝钢管生产方法及适用范围见图3-1。

图3-1常用无缝钢管生产方法及适用范围1．穿孔。

实心管坯经检查合格并清除表面缺陷后，截成所需长度，在管坯穿孔端端面上定心，然后送往加热炉加热到一定温度，在穿孔机上穿孔。

在穿孔过程中，管坯不断旋转和前进，在轧辊和顶头的作用下，管坯内部逐渐形成空腔，穿孔后的管坯称为毛管，毛管再送至自动轧管机上继续轧制，最后经均整机均整壁厚，经定径机定径，达到规格要求。

在穿孔过程中，容易发生顶头损伤或失效，从而导致的无缝钢管内表面划痕、壁厚不均等，应对顶头进行实时检查。

顶头的失效或损伤形式主要有：顶头鼻部厚度尺寸偏大时，因冷却不良会在顶头内腔挤压出一条圆条状的金属带，在轴向压力、旋转摩擦力以及高温等交变作用下，顶头产生裂纹、大的变形等。

2．自动轧管机组。

把厚壁毛管轧成薄壁荒管。

一般经2～3道次，轧制到成品壁厚，总延伸率约为1.8～2.2。

70年代以来，用单孔槽轧辊、双机架串列轧机、双槽跟踪轧制和球形顶头等技术，都提高了生产效率，实现了轧管机械化。

特点是在穿孔机上实现主要变形，规格变化较灵活，生产品种范围较广。

由于连续轧管技术的发展，已不再建造140mm以下的机组。

3．导盘轧管生产机组。

又称狄塞耳（Diessel）法。

穿孔后带长芯棒的毛管在导盘轧管机上轧成薄壁管材。

轧机类似二辊斜轧穿孔机，只是固定导板改成主动导盘。

由于用长芯棒生产，管材内壁光滑，且无刮伤；但工具费用大，调整复杂。

主要用于生产外径一五0mm以下普通用途的碳素钢管。

目前使用较少，也无很大的发展前景。

4．旋压管生产机组。

将平板或空心毛坯在旋压机上经一次或多次旋压加工成薄壁管材。

管子精度高，机械性能好，尺寸范围广，但生产效率低。

主要用于生产有色金属管材，但也越来越多地用于生产钢管。

旋压管材除用于生产生活器具、化工容器和机器零件外，多用于军事工业。

70年代，采用强力旋压法已能生产管径达6000mm、直径与壁厚之比达10000以上的大直径极薄圆管和异形管件。

5．周期轧管生产机组。

以多边形和圆形钢锭或连铸坯作原料，加热后经水压穿孔成杯形毛坯，再经二辊斜轧延伸机轧成毛管，然后在带有变直径孔槽的周期轧管机上，轧辊转一圈轧出一段钢管（图3）。

周期轧管机又称皮尔格尔（Pilger）轧管机。

周期轧管生产是用钢锭作原料，宜于轧制大直径的厚壁钢管和变断面管。

周期轧管方式具有锻造工艺的特点，其生产工艺的致命弱点是成材率低，在大直径、厚壁、异型和高合金无缝钢管生产方面有一定优势。

周期轧管机组应发展以连铸圆坯为原料，采用直接穿孔工艺生产毛管，淘汰原工艺中的水压冲孔机冲孔和盘式加热炉加热两道工序，并将现有的延伸机改造成菌式穿孔机。

经周期轧管机轧制的钢管壁厚不均严重，需要对壁厚进行均整，以提高其精度。

由于周期轧管机是以锻轧方式轧制的，因此对轧辊材质要求较高。

若轧辊辊面硬度太低，易造成粘钢和磨损；若辊面太硬，又易出现龟裂，为保证轧辊在冷态下较合适的硬度及便于进行机加工，提高轧辊的红硬性十分重要。

周期轧管机的辊缝控制较其他轧机困难。

由于轧制时的冲击负荷作用，辊瓦磨损严重，因此辊缝在每轧1支钢管后均可能发生变化。

所以，十分有必要在轧机出口侧实施过程壁厚控制，以保证钢管壁厚精度，减少壁厚偏移。

为减少钢管表面的麻面或麻坑，除控制加热参数外，还需对钢锭、延伸坯和荒管的表面进行除鳞。

6．连续轧管生产机组。

生产设备由穿孔机、连续轧管机、张力减径机组成，有全浮动芯棒连轧、半浮动芯棒连轧和限动芯棒连轧等三种形式。

圆坯穿成毛管后插入芯棒进行连轧，再加热后进行张力减径。

这种机组的特点是适于生产外径168mm以下钢管，设备投资大，装机容量大，芯棒长达30m，加工制造复杂。

70年代后期出现的限动芯棒连续轧管机（MPM），2003年又出现了三辊式连轧管机（PQF），轧制精度更好。

PQF连轧管机组前台设备布置紧凑，大量使用了比例阀控制的行程控制液压缸，减少了毛管横移车的使用，缩短了毛管从穿孔机穿出至连轧开轧的时间，最大限度地减少了毛管的温度损失。

在设备形式及细节设计上实现了减小毛管内、外表面温降的工艺目的，既保证连轧管机组的开轧温度稳定，又不影响轧制节奏，使影响质量控制和控制轧制节奏的一对矛盾得到了有机的结合。

PQF采用芯棒在主轧线内预穿的方法，使预穿后的毛管在最短的时间内开始轧制，大大缩短了毛管内表面与芯棒表面的接触时间，减小了毛管温降并使毛管开轧温度均匀，有效地降低了轧制载荷以及工具消耗。

PQF连轧管机轧辊机架采用三辊封闭式孔型设计，轧制过程中金属变形在3个方向上同时受力，使金属在同一截面上的变形更加均匀，并且3个轧辊呈120°角布置，保证了芯棒在孔型中的更好对中，从而使轧制过程更加平滑、稳定。

由于采用三辊孔型设计，孔型的槽底部到顶部的孔型半径变化较小，故各点间线速度差也较小，使金属能够在比较稳定的条件下流动。

三辊孔型设计使凸缘区（辊缝处）较小，约比二辊减少30%，这使得金属在整个变形区内的不均匀变形大大减小。

由于上述原因，使得连轧管机轧制过程中管材的裂孔、拉凹缺陷明显得到改善。

三辊几何形状可以在相同芯棒下有更大的调节范围，且无大的公差影响。

这样一种规格的芯棒可轧制的壁厚范围增大，大大减少了芯棒的规格数量（减少50%）及工具更换频率，生产组织更加灵活。

PQF连轧管机组反映并代表了当今轧管机组工艺设计和制造的最新发展水平，所轧制的钢管壁厚精度和生产效率高，并且在高钢级和合金含量较高的套管、高压锅炉管及奥氏体不锈钢管等难轧钢种的生产上具有特殊优势。

为了进一步提高产品几何尺寸精度和材料性能，增加最终产品的附加值，热轧无缝钢管还需要矫直（有冷矫直和热矫直）及进一步热处理（回火、淬火等）。

自动轧管和连扎管机组生产工艺流程见图3-2。

图3-2无缝钢管热轧生产工艺流程7．若欲获得尺寸更小和质量更好的无缝管，必须采用冷轧、冷拔或者两者联合的方法。

冷轧、冷拔管生产：用于生产小口径薄壁、精密和异形管材。

生产特点是多工序循环工艺。

用周期式冷轧管机冷轧，其延伸率可达6～8（图6）。

60年代开始向高速、多线、长行程、长管坯方向发展。

此外，小辊式冷轧管机也得到发展。

主要用于生产壁厚小于1mm极薄精密管材，冷轧设备复杂，工具加工困难，品种规格变换不灵活；通常采用冷轧、冷拔联合工艺，即先以冷轧减壁，获得大变形量，然后以冷拔获得多种规格。

冷轧无缝钢管是一种生产的高精度金属无缝管材，生产工艺流程：圆管坯－加热－穿孔－打头－退火－酸洗－涂油－多道次冷拔（冷轧）－坯管－热处理－矫直－水压试验－无损探伤－标记－入库。

冷拔生产工艺流程：管坯－检验－剥皮－检验－加热－穿孔－酸洗－修磨－润滑风干－焊头－冷拔－固溶处理－酸洗－酸洗钝化－检验－（冷拔－去油－切头－风干－内抛光－外抛光）－水压试验－无损检测－标识－入库。

8．挤压管生产。

将加热好的管坯放在密闭的挤压筒内，穿孔棒与挤压杆一起运动，使挤压件从较小的模孔中挤出，此法可生产直径较小的钢管，挤压管生产流程见图3-2。

与热轧无缝钢管相比，冷轧、冷拔和挤压方法生产的无缝钢管尺寸精度高、表面光滑和表面硬度高等优点，但其生产工艺造成加强了材料的各向异性，材料韧性不足，成品管内残余应力大，韧性不足，容易产生脆性裂纹，钢管尺寸、规格受模具限制，轧制钢种多为碳素钢和低合金钢，冷拔钢管的表面缺陷是影响冷拔质量的最常见因素，表面缺陷类型：拉毛、局部斑点、局部凹坑、划痕等。

产生表面拉毛和局部斑点的原因主要是管坯前处理不合格。

例如：酸洗不彻底，没除掉管坯表面的氧化皮、黄锈与污渍；磷化不合格，管壁表面没形成完整、致密、附着力牢固的磷化膜；因磷化膜不合格，皂类物质不能牢固吸附在磷化膜上，皂化效果差。

现在冷轧、冷拔和挤压方法的应用范围转向了高精度、特种金属管领域。

图3-3挤压管生产流程二、产品种类及验收标准无缝钢管按材质有普通碳素结构钢、低合金结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢和不锈钢等种类。

无缝钢管的用途非常广泛，不同用途的无缝钢管质量要求不同，相应的产品标准也不同，必须根据用途确定适用的标准。

高压锅炉用无缝钢管通常处于高温和高压环境中工作，要求钢管具有高的持久强度、抗氧化性能和良好的组织稳定性，保证化学成分和机械性能，逐根进行水压试验和扩口、压扁等工艺性能试验。