CPE工艺的特点及发展趋势刍议

CPE工艺的特点及发展趋势刍议
彭龙洲;段炜;余邦键
【摘要】概述了CPE工艺的发展历程.CPE工艺具有延伸系数大,适应薄壁钢管轧制,钢管D/S可达40以上的特点.在对工艺参数和设备选型进行分析讨论的基础上,指出CPE机组适合中小直径薄壁无缝钢管的生产,可用作中小规格、中等产量无缝钢管生产机组的升级改造选择机型；由CPE工艺生产小规格无缝钢管,可与连轧管工艺形成互补.
【期刊名称】《钢管》
【年(卷),期】2012(041)004
【总页数】6页(P12-17)
【关键词】无缝钢管;CPE工艺;工艺参数;设备选型;中小直径;薄壁;中等产量;发展趋势
【作者】彭龙洲;段炜;余邦键
【作者单位】北京科大中冶技术发展有限公司,北京100029;北京科大中冶技术发展有限公司,北京100029;北京科大中冶技术发展有限公司,北京100029
【正文语种】中文
【中图分类】TG335
CPE是斜轧穿孔和延伸（Cross-roll Piercing and Elongation）的缩写，是在传统顶管工艺基础上发展起来的。

传统顶管工艺由海因里希·艾哈德在1891年第一个成功运用于无缝钢管的生产。

用这种方法生产无缝钢管时，先将坯料在立式压力穿孔机上穿成带杯底的空心坯，并经延伸机延伸，然后用芯棒推着带杯底的空心坯通过若干个顶管模将空心坯延伸成荒管。

因受压力穿孔机穿孔比和延伸机延伸系数的限制，毛管长度短，不利于生产较长的钢管，存在管坯单重小、收得率偏低的缺点。

如生产较长钢管，顶管机的延伸系数需变大，又增大了顶管机的床身长度。

CPE工艺由德国SMS Meer公司研制。

与传统顶管工艺相比，其主要特征是用斜
轧穿孔机代替了压力穿孔机和延伸机。

工艺过程为：穿孔机将管坯穿孔成毛管后，用缩口机将毛管一端做成杯底状，然后由顶管机进行延伸变形成荒管。

因采用斜轧穿孔机，管坯长度不再是制约因素，管坯直接穿制成毛管，简化了生产过程，其壁厚精度主要由穿孔机确定；因分配到顶管机的延伸系数变小，并采用预穿芯棒，因此顶管机的床身长度可以缩短。

斜轧穿孔和顶管机联合使用，为扩大轧管品种和规格范围以及提高产品精度和收得率创造了条件，CPE在传统顶管机组和小规格穿孔—冷拔机组改造中不断得到应
用和发展。

目前全世界已建和在建的CPE机组约有10套，其中我国有2套。

Φ102 mm CPE机组是国内首条CPE生产线。

除缩口机、张力减径机和孔型加工
车床从SMS Meer公司引进之外，其他均为国内设计制造。

产品设计规格为
Φ25～102 mm×2.5～8.0 mm，年生产能力9万t［1］。

该机组1988年8月投入试生产，经过设备改造和多年的实践，产品规格已扩大为Φ25～114 mm×2.5～16.0 mm，品种也由原来的一般结构管和锅炉管转变为以
生产各种石油专用管和高压锅炉管为主。

2004年该机组实现10万t年生产能力，2006年产量突破16.5万t。

Φ102 mm CPE机组的设备配置及参数情况如下。

环形加热炉
中径/m13
炉膛宽度/mm2 500
管坯直径/mm130
管坯长度/mm750～1 800
穿孔机
型式三辊斜轧
毛管壁厚/mm17
毛管长度/mm1 500～4 500
轧辊直径/mm480～520
辊身长度/mm360
顶管机
型式三辊（大齿条下传动）
荒管（外径×壁厚）/mm97.6～110.0×2.8～9.0 荒管最大长度/m14
芯棒（直径×长度）/mm90×15 000
顶管速度/（m·s-1）≤5
顶推力/kN≤686
床身长度/m14
辊模数/架14
轧辊名义直径/mm330
主电机/kW2×800，DC
再加热炉
型式步进式
最大小时产量/t27（设计）
定（减）径机
型式22机架三辊集中差速
传动张力减径
轧辊直径/mm275
机架间距/mm260
Φ114 mm CPE机组是我国从德国本特勒尔公司引进的二手设备，是20世纪80年代初期原德国曼内斯曼-德马克公司在传统的顶管机基础上开发的［2-4］。

该机组于2002年投入生产。

产品规格为Φ21.3～114.0 mm×2.5～13.0 mm。

目前该机组的年生产能力达18万t，生产的主要品种为油管。

壁厚精度达到±6%。

近年，通过改进缩口工艺和定（减）径机改造，该机组的成材率已达到91%。

Φ114 mm CPE机组的设备配置及参数情况如下［2-4］。

环形加热炉
中径/m17.5
炉膛宽度/mm3 425
管坯直径/mm150
管坯长度/mm800～2 100
穿孔机
型式狄塞尔（立式）
毛管壁厚/mm24.5
毛管长度/mm1 500～4 500
轧辊直径/mm680～780
辊身长度/mm620
导盘（直径×厚度）/mm1 400×130
顶管机
型式三辊（大齿条下传动）
荒管（外径×壁厚）/mm106～125×2.6～12.0
荒管最大长度/m17.2
芯棒（直径×长度）/mm100×14 000/17 600
顶管速度/（m·s-1）≤6
顶推力/kN≤626（840）
床身长度/m15.9
辊模数/架≤14
轧辊名义直径/mm400
主电机/kW2×1 450，DC
再加热炉
型式步进式
最大小时产量/t40
定（减）径机
型式原机组为二辊8机架定径+20机架三辊张力减径，后改为20机架张力减径轧辊直径/mm305
机架间距/mm290
斜轧穿孔能穿制高钢级毛管，顶管机延伸系数大，能轧制出薄壁荒管，CPE更能适应薄壁钢管的轧制，钢管径壁比D/S可达40以上。

在产品品种上，适合生产油管、管线管、高压锅炉管、低中压锅炉管、结构用无缝钢管、高压化肥管、石油裂化管、船舶用管、汽车半轴套管等。

但CPE辊模数量多，且因靠芯棒传递顶推力，芯棒与荒管结合紧密，需增加松棒工序，因此目前可批量生产的高钢级包括T/P91和13Cr钢种，对更高钢级品种的轧制尚在试验之中。

在产品规格上，现投产机组可以生产Φ21.3～244.5 mm×2.5～22.0 mm的钢管，为更好发挥其优势，偏向生产小规格薄壁钢管。

在薄壁钢管占多数的情况下，CPE机组仍然有较高的产能。

如Φ114 mm CPE机
组年产量约12～15万t，Φ140 mm CPE机组年产量约15～20万t，Φ168 mm CPE机组年产量约18～25万t。

在产品质量上，顶管机采用大延伸，纵向壁厚精度更好，组织致密性高。

其表面质量好，没有内外螺旋纹，产品质量与连轧管机组相当。

其壁厚精度可控制在±（4～6）%。

CPE机组的工艺流程为：管坯准备→加热、定心→穿孔→穿棒缩口→顶管→松棒
→脱棒→切头尾→再加热→高压水除鳞→定径/张力减径→冷锯切→矫直→检验→
包装入库。

其芯棒循环包括预热、润滑、冷却、辗压等工序。

1）顶管机变形过程描述
顶管机轧制时，由芯棒推着带缩口端的毛管通过若干个辊模延伸成荒管并与荒管一起进入松棒、脱棒工序，其变形是推轧变形。

辊模一般由3个辊子组成，辊子是
不传动的，由顶管变形产生的摩擦力带动旋转，因此顶管又被业内称为“带惰辊的全浮动芯棒连轧”。

与连轧管不同的是，顶管采用一种规格的芯棒，通过各辊模多道次地逐步压缩毛管断面，最终使荒管壁厚接近成品管壁厚，因此荒管内径基本相同，而荒管外径不同。

同时顶管机的辊模数比连轧管机的机架数多，一般为10～14个，可以经更多道次进行变形。

通过合理分配同时工作的辊模数量来控制最大顶推力。

辊模布置在顶管机的床身上，为了辗轧辊缝处金属，辊模互相交叉60°布置。

大多数辊模是固定辊模，不可调整；最后的2～4个辊模是可调辊模，可作径向调整，以控制荒管的壁厚。

变形过程中的变形分配、变形速度都是为了使变形平稳，以得到好的壁厚精度。

2）变形制度特点
顶管机的变形体现在金属的断面压缩率上，用减面率表示。

在三辊孔型中，单道次减面率一般可达20%～25%［5］，目前投产机组单道次减面率达到23%。

为适
应毛管的咬入，第一道次取较小的减面率；为控制最大顶推力并使顶推力曲线变化平缓，中间道次减面率也不尽相同；最后的辊模主要使荒管归圆，所以减面率小。

3）速度制度特点
顶管机变形的速度制度体现在芯棒运行制度上，要求轧制时进入各辊模的速度是相对稳定的。

需着重考虑芯棒启动、加速、稳速阶段的加速度、速度、时间和行程，并结合最大顶推力及其波动情况，通过调整各辊模在床身上的位置来改善驱动电机的工况。

4）温度制度特点
温度对变形抗力影响较大。

因顶管工序架次较多，并靠芯棒推轧，因此热传导损失相应要多些。

同时芯棒和轧件紧密结合，为减少芯棒温度对轧制温度的影响，芯棒工作温度为450℃±50℃，因此开轧前，需将芯棒预热到相应温度，而且在生产过程中，为了保证芯棒工作温度，必须在线配置芯棒加热和冷却装置。

CPE机组的生产效率高，顶管机出口速度可达6 m/s，生产节奏快，每分钟可达3支。

顶管机主要由辊模组和芯棒系统组成，因其芯棒规格单一、成组使用（每组20～25支），辊模更换调整方便，因此其生产组织灵活，更换规格方便，适合小批量、多品种钢管轧制。

CPE工艺设备和工具简单，自动化程度高，成材率较高，工具和能源介质消耗较低，成品特色明显，因此具有投资小，回收期较短的特点。

CPE机组与部分斜轧
及连轧管机组的比较见表1。

若用CPE机组生产大规格钢管，则需选用直径较大的芯棒，顶管机传动功率会很
大，相对连轧管机组，没有优势；若用CPE机组生产厚壁钢管，又对张力减径机
提出了较高要求。

因此CPE机组不适合大规格、厚壁钢管的生产。

目前CPE机组生产的最大钢管直径为244.5 mm，但以生产外径177.8 mm、壁厚16 mm以下钢管更为适宜、经济。

CPE常采用一种或两种直径的圆管坯，采用两种直径主要是为了扩大机组的规格
范围，但工具规格需成倍增多、电机的工作条件也会发生变化。

因此，CPE一般
都只采用一种直径的管坯。

为利用连铸坯，常采用Φ150 mm及以上规格的圆管坯。

为充分发挥顶管机的能力，由中间向两边分配，即顶管机取大的延伸系数μ，一般μ≤10.3，适当降低穿孔机的延伸系数以便提高穿孔机的节奏，定径机/张力减径机根据最小成品外径和最大减径率确定。

斜轧穿孔在CPE机组中起着至关重要的作用。

机型主要有鼓形辊穿孔机、三辊穿
孔机和锥形辊穿孔机，三种机型各有特点。

1）鼓形辊穿孔机
鼓形辊穿孔机含曼氏穿孔机和改进后的狄塞尔穿孔机，均只有送进角，没有辗轧角。

其特点为：
（1）穿孔效率高、速度快；
（2）适宜穿中厚壁毛管，壁厚精度高，常用于连铸坯和难变形金属的穿孔；（3）导盘、顶头寿命长，工具消耗少；
（4）轧辊主传动前置，有利于传动系统的维护和后台设备的布置；
（5）适宜缩径、等径或微扩径穿孔。

2）三辊穿孔机
三辊穿孔机有3个轧辊装置，无导盘、导板装置。

其特点为：
（1）3个轧辊呈等边三角形布置，因而在变形中管坯横断面上椭圆度小；
（2）3个轧辊都是主动的，仅存在顶头的轴向阻力，因而运动学条件较一般二辊
穿孔机有利，但顶头轴向阻力较二辊穿孔机大；
（3）穿孔时管坯受三向正压力，椭圆度小，一般管坯中心不会破裂，不形成孔腔，毛管内表面质量好，不会产生内折；
（4）受结构限制，轧辊的轴颈太小，易断轴，轴承寿命短，机架刚性差；
（5）三辊穿孔机的孔型调整比较困难；
（6）对管坯表面质量要求较高；
（7）三辊穿孔对中性差，穿轧薄壁管易出现“尾三角”。

3）锥形辊穿孔机
锥形辊穿孔机两个轧辊上下布置，左右设有导板或旋转导盘，主传动后置。

其特点为：
（1）轧辊的线速度逐渐增大，与管坯金属流动情况相似，减少了多余剪切应变；（2）采用大辗轧角和大送进角的穿孔工艺时，穿轧不锈钢不会产生内孔缺陷；（3）轧辊的辗轧角和送进角越大，金属的延伸率和断面收缩率就提高得越明显；（4）适宜扩径穿孔，毛管壁厚均匀度好。

就CPE机组而言，顶管机能够承担较大的延伸变形，穿孔机可以只生产一种外径
和较大壁厚的毛管，从节省投资、降低装机容量、降低工具消耗等多方面考虑，可选用带导盘的鼓形辊穿孔机。

若管坯种类多于2种，且芯棒直径分类多，可选用
锥形辊穿孔机。

鼓形辊穿孔机和锥形辊穿孔机不是互相淘汰的关系［6］。

与管坯直径相对应，顶管机一般用1种直径的芯棒，最多不超过2种。

选用2种时，直径比较接近为好。

芯棒最大长度受到芯棒直径的限制，从增大成品钢管的倍尺数从而提高成材率考虑，芯棒越长越好，但受到芯棒细长比的限制；从减少设备制造成本考虑，芯棒越短越好，但随着荒管长度变短，成材率降低，而且不能生产大纲的上限产品。

顶管机床身系数是床身长度与能生产的最长荒管长度的比值。

在最长荒管长度相同时，床身长度越小，各传动部件的长度越小，越有利于节省投资和增强传动的稳定性，但太小了会影响辊模机架的强度，势必要求辊模单机架减面率增大，顶管荒管表面质量变差，造成轧卡、拉断；若单机架减面率不变，则会增加同时变形的机架数，导致最大顶推力变大，需增大电机功率。

CPE工艺的床身系数可达到0.9［5］。

建议控制在0.90～0.95较适宜。

顶管后荒管内径基本相同，而外径不同，可以采用张力减径机减径或采用定径机和张力减径机配合使用的方式，后者可缩短张力减径机机架间距，同时能增大成品规格范围。

CPE机组吨钢基建费用少，工艺简单，经济效益高，适于生产中、小直径的薄壁
钢管。

与连轧管机组相比，CPE机组设备简单，操作简便，装机容量小，工具成本低，
投资规模小，吨钢投资低，在以生产薄壁钢管为主时仍然有较高的年产量。

与小规格自动轧管机组相比，CPE机组生产工序少，内外表面质量好。

与小规格穿孔—冷拔机组相比，CPE机组生产工序少，不需要酸洗、润滑及脱脂、清洗等工序，避免了废酸的治理，更环保，同时也不需要中间退火等工序，工序能耗和生产成本低。

与三辊轧管机组或精密轧管机组相比，CPE机组生产的成品钢管无内螺纹，表面
质量好，能进行多倍尺生产，利于提高成材率。

因此，将CPE工艺定位为主要用于薄壁无缝钢管的生产，可以用来替代小规格无
缝钢管生产中的自动轧管机、穿孔—冷拔机组，或者用于自动轧管机和穿孔—冷
拔机组的升级改造。

CPE机组投资小，组织生产灵活，产品质量好，生产成本低，可以实现“以热代冷”，符合国家产业发展政策，特别是在生产石油用管方面，有其独特的优势，具
有推广应用价值，在中国市场具有良好的发展前景。

（1）CPE工艺具有独特优势，适应中、小直径薄壁无缝钢管的生产。

（2）CPE机组可以用作中小规格、中等产量无缝钢管生产机组的升级改造。

（3）小规格无缝钢管由CPE工艺生产，可以与连轧管工艺形成互补。

【相关文献】
［1］魏贤宇.Φ102 mm CPE顶管机组的创新及效果［J］.钢管，2008，37（5）：55-58. ［2］康志勇.Φ114 mm CPE热轧管机组试生产情况［J］.钢管，2004，33（2）：32-38. ［3］张纪明.CPE机组缩口钳孔型设计［J］.钢管，2005，34（2）：23-25.
［4］张纪明.CPE机组缩口工艺的改进及效果［J］.钢管，2010，39（2）：37-40.
［5］金如崧，无缝钢管百年史话［M］.北京：冶金工业出版社，2008：142.
［6］朱景清，吕庆功，王红炜，等.关于鼓形穿孔机和锥形穿孔机的讨论［J］.钢管，2010，39（1）：30-34.。