超超临界锅炉用优化内螺纹冷拔无缝钢管的生产
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新产品开发
超超临界锅炉用优化内螺纹冷拔无缝钢管的生产
金炜忠
（常州常宝精特钢管有限公司，江苏 常州 213013 ） 摘 要：内螺纹钢管因具有传热快、效率高的优点而在超临界火电锅炉中得到广泛应用。比较了普通内螺纹 钢管和优化内螺纹钢管的异同，简要介绍了内螺纹钢管的拔制原理和技术要求，分析了优化内螺纹钢管的生产难 点和控制要点。常州常宝精特钢管有限公司通过改进工模具设计 、优化变形工艺，成功生产出优化内螺纹钢管， 其产品各项参数指标均符合相关标准要求，实物质量达到国外同类产品的先进水平。 关键词：超超临界锅炉；冷拔无缝钢管；优化内螺纹钢管；模具设计；变形工艺；优化 中图分类号：TG356.11 %%文献标识码：B %文章编号：1001-2311（ 2009） 06-0038-05
0 引 言
内螺纹钢管是一种内表面带有螺旋凸筋的异型 钢管，由于其内壁有凹凸的内螺纹，可以有效克服 钢管中介质慢速流动时产生层流现象，同时能抑制 钢管内壁的蒸汽膜效应，因此大大改善了锅炉水冷 1］ 。与光管相 壁的传热效果，使管壁温度更加均匀［ 比，内螺纹钢管具有传热快、效率高的优点，因而 在 300，600 MW 及以上大容量亚临界和超临界火
Manufacture of Optimum Cold -drawn Internal -spiral Seamless Steel Tube for Ultra -supercritical Boiler Service
Jin Weizhong （Changzhou Changbao Jingte Steel Pipe Co.，Ltd.，Changzhou 213013，China ） Abstract： The internal - spiral steel pipe is widely used in the industrial field of manufacture of ultra - super critical boiler for thermal power plant due to its advantages like quick heat transfer and high efficiency. Compared are the similarities and differences between the ordinary internal - spiral steel pipe and the optimum internal - spiral steel pipe. Described are the drawing principle and technical requirements for the internal - spiral steel pipe . Analyzed are the critical points and the control tips in manufacture of the optimum internal - spiral pipe. The optimum internal - spiral pipe is eventually produced successfully by Changzhou Changbao Jingte Steel Pipe Co. ， Ltd. by means of improving design of the tooling and dies and optimizing the deformation process. All the parameter indexes of the product are up to the requirements as specified in applicable standard，and the objective quality is also up to the advanced level of similar products as made abroad. Key words：Ultra - supercritical boiler；Cold - drawn seamless steel pipe；Optimum internal - spiral steel pipe； Die design；Deformation process；Optimization
金炜忠：超超临界锅炉用优化内螺纹冷拔无缝钢管的生产
C — 大内径 N 1 — 导程 1 N 2 — 导程 2
图 3 导程、大内径与螺旋升角关系示意
（ 3）螺纹高度更高。一般优化内螺纹钢管均为 直径在 40 mm 以下的小直径产品，其螺纹高度一 般均在 1.2~1.4 mm，最高可达 1.5 mm，公差为±0.2 mm；而同尺寸的普通内螺纹钢管的螺纹高度一般 均在 1.0 mm 以下，且其公差为±0.3 mm。
金炜忠（ ，男，工程师，副总经理，主要从事 1968-） 冷拔无缝钢管的生产及管理工作。
电锅炉中得到广泛应用 。 由于内螺纹钢管要求较 高，批量生产有一定难度，因此目前国内具有多头 内螺纹锅炉用无缝钢管生产能力的厂家屈指可数 。 内螺纹钢管的材料一般为 SA-210 A1、SA-210 C、 SA-213 T2、SA-213 T12 和 15CrMoG 等。 德国西门子公司在普通内螺纹钢管的基础上开 发出优化内螺纹钢管，其螺旋升角（ 螺旋线与轴线 之夹角） 更大，螺纹高度更高，进一步提高了钢管 的传热效率；材料为 T12、T23 等，应用于超超临 界锅炉水冷壁。 常州常宝精特钢管有限公司（ 简称常宝精特公
图 4 内螺纹钢管拔制原理示意及内模螺纹侧边受力分析
3.2 工艺流程 常宝精特公司采用宝山钢铁股份有限公司或江 阴兴澄特种钢铁有限公司的圆管坯生产优化内螺纹 钢管，工艺流程为：加热→穿孔→酸洗、检验→打 头→退火→酸洗润滑→冷拔定壁→打头→退火→矫 直 、 切管 → 中间检验（ 探伤） → 酸洗润滑 → 成型拔 正火+回火，理化性能试验） 制→成品热处理（ →矫 直、切管→成品检验→标记和包装→入库。 成型拔制的变形量对螺纹的形状有很大的影 响，对优化内螺纹钢管，由于其成型要求较高，因 此在成型拔制之前，要对原料尺寸进行准确的定 位 。 成型加工方式为冷拔，常宝精特公司采用自 己设计加工的内外模具进行成型生产。 3.3 技术难点及关键要素控制 虽然优化内螺纹钢管和普通内螺纹钢管的拔制 原理是相同的，但由于优化内螺纹钢管的螺旋升角 更大、导程公差带更窄、螺纹高度更高，因此其生 产的难度也大幅度提高。常宝精特公司从工模具设 计、变形工艺等关键要素入手，逐一解决了生产中 的技术难题，最终成功生产出合格产品。 1） 合理设计内模导程 螺旋升角大和导程范围窄的问题需要从内模设 计上进行完善。冷拔之后的内螺纹钢管的实际导程
新产品开发
相对越严重，因此优化内螺纹钢管的变形不均匀性 大于普通内螺纹钢管，更难以获得形状良好的螺 纹。针对螺纹高度必须设计合适的变形量。 一般来说，在一定的范围内，螺纹高度和壁厚 的减壁量成接近正比的关系，其比值大约是 1 : （ 。减壁量过大会导致螺纹高度过大，以及 1.5~2.5） 形成翻边，如图 5 所示；减壁量过小会导致螺纹高 度不够，以及形成塌边，如图 6 所示。因此，必须 根据要求的螺纹高度来设计合适的减壁量。
差为±19.08 mm；而优化内螺纹钢管按螺旋升角的 范围计算得出的导程为 64.0 mm，公差为±5.6 mm。
图 1 内螺纹钢管截面示意
2 优化内螺纹钢管的特点
优化内螺纹钢管与普通内螺纹钢管的剖面如图 2 所示。 优化内螺纹钢管有以下特点。 （ 1）螺旋升角更大。普通内螺纹钢管的螺旋升 角为 30° ，而优化内螺纹钢管的螺旋升角为 40°～ 45°。由图 2 可以看出，优化内螺纹钢管的螺旋升 角大，其导程就短，相对同一段长度范围内，其螺 纹数目多，而且螺纹间距也短，因此生产加工难度 更大，并且螺旋升角越大，生产难度也越大。 （ 2）导程公差带更窄。由于优化内螺纹钢管的 螺旋升角规定为 40°～45°，而导程、大内径与螺旋 升角三者呈三角函数关系，如图 3 所示，按螺旋升 角的范围折算成导程公差，其公差带要减小很多， 对于 4 头内螺纹钢管要减少一半以上，而对于 6 头 内螺纹钢管要减少 2/3 以上。按同样的 Φ 31.8 mm× 6 mm 规格 6 头内螺纹钢管来对比，大内径为 18.6 mm 时，普通内螺纹钢管的导程为 101.2 mm，公
（ a）普通内螺纹钢管
（ b）优化内螺纹钢管
图 2 普通内螺纹钢管和优化内螺纹钢管剖面
螺纹根部内径） I — 螺纹周顶宽 A — 外径 C — 大内径（ E — 最小内径 F — 最小壁厚 J — 螺纹高度 T — 螺纹轴顶宽 K — 螺纹侧边角 O/O′ — 螺纹根部/顶部圆角半径 Q — 螺旋升 角 N — 螺纹导程 M — 螺纹节距 G — 螺纹头数
都是采用短芯棒拔制的方法，如图 4 所示。首先在 内模上加工有一定螺旋角的斜槽，然后将该内模安 装在可自由旋转的芯棒上，芯棒连接在一个安装有 轴承的旋转装置上。当钢管变形时，钢管受外模挤 压，向内收缩，内表面被压到刻有斜槽的内模上，
（ a）拔制示意
（ b）内模螺纹侧边受力分析
பைடு நூலகம்
1 — 拉拔小车 2 — 芯棒 3 — 旋转装置 4 — 芯棒支撑座 5 — 外模 6 — 钢管原料 7 — 内模 8 — 内螺纹管 9 — 轴向分力 10 — 螺纹侧边 11 — 正压力 12 — 周向分力 13 — 螺旋升角
STEEL PIPE Dec． 2009，Vol． 38，No． 6
并不与内模的导程相等，这是因为冷拔过程中钢管 在纵向上有延伸变形，所以一般钢管的实际导程会 比内模的导程大。而导程增加的数量与多个因素有 关，如内模的导程，变形量的大小、变形速度、润 滑条件等，一般来说，凡是增加钢管变形过程中纵 向受力的因素均会增加钢管的实际导程。 为保证成型后钢管的导程处于合格范围，在设 计内模导程时，其取值应在下限的范围内。当成型 过程中产生延伸变形时，只要控制住导程的延伸 量，即可保证导程合格。 2）改善内模形状 为保证优化内螺纹钢管导程合格，将内模的导 程取小值，意味着内模的螺旋升角更大。根据图 4 分析，螺旋升角越大，周向分力越小，轴向分力越 大，同时在冷拔相同长度的钢管时，内模的旋转频 率也越高，整个内模受到的变形力也更大，容易产 生内模拔断的事故，同时内模的使用寿命也大大降 低。为此，在设计内模时要注意能改善金属的流动 性，尽量进行过渡方式的变形，减少金属的突变， 以减少变形阻力，同时要开发具有更高强度和更高 耐磨性的材料，用于内螺纹钢管的生产。 3）设计合适的变形量 螺纹高度越高，其冷拔变形过程中的不均匀性
3 优化内螺纹钢管的生产
3.1 冷拔工艺原理 优化内螺纹钢管冷拔工艺是建立在普通内螺纹 钢管冷拔生产工艺基础之上的，其拔制原理相同，
钢 管 2009 年 12 月 第 38 卷第 6 期
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新产品开发
继续挤压后，在钢管内表面压出螺纹。由于钢管持 续向前运动，在钢管与内模的螺纹侧边上产生正压 力，其中的轴向分力由芯棒支撑座抵消，以固定内 模的纵向位置，而周向分力则驱动内模和芯棒产生 2］ 被动旋转，从而生产出内螺纹钢管［ 。
钢 管 2009 年 12 月 第 38 卷第 6 期
STEEL PIPE Dec． 2009，Vol． 38，No． 6
新产品开发
司） 在成功开发生产了内螺纹钢管后，又根据市场 需求进行了优化内螺纹钢管的研制和批量生产。
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1 内螺纹钢管的技术要求
内螺纹钢管在化学成分、力学性能等方面的要 求与普通圆管相同，它们的区别在于对内表面螺纹 尺寸的要求。内螺纹钢管除了规定钢管外径、壁厚 的尺寸外，还对螺纹的各项参数作了规定，如螺纹 的高度、顶宽、侧边角度、角半径、导程和螺旋升 角等。内螺纹钢管的截面如图 1 所示。随着内螺纹 钢管应用的逐步推广，我国目前已对普通内螺纹钢 管制订了国家标准，标准号为 GB/T 20409-2006。
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超超临界锅炉用优化内螺纹冷拔无缝钢管的生产
金炜忠
（常州常宝精特钢管有限公司，江苏 常州 213013 ） 摘 要：内螺纹钢管因具有传热快、效率高的优点而在超临界火电锅炉中得到广泛应用。比较了普通内螺纹 钢管和优化内螺纹钢管的异同，简要介绍了内螺纹钢管的拔制原理和技术要求，分析了优化内螺纹钢管的生产难 点和控制要点。常州常宝精特钢管有限公司通过改进工模具设计 、优化变形工艺，成功生产出优化内螺纹钢管， 其产品各项参数指标均符合相关标准要求，实物质量达到国外同类产品的先进水平。 关键词：超超临界锅炉；冷拔无缝钢管；优化内螺纹钢管；模具设计；变形工艺；优化 中图分类号：TG356.11 %%文献标识码：B %文章编号：1001-2311（ 2009） 06-0038-05
0 引 言
内螺纹钢管是一种内表面带有螺旋凸筋的异型 钢管，由于其内壁有凹凸的内螺纹，可以有效克服 钢管中介质慢速流动时产生层流现象，同时能抑制 钢管内壁的蒸汽膜效应，因此大大改善了锅炉水冷 1］ 。与光管相 壁的传热效果，使管壁温度更加均匀［ 比，内螺纹钢管具有传热快、效率高的优点，因而 在 300，600 MW 及以上大容量亚临界和超临界火
Manufacture of Optimum Cold -drawn Internal -spiral Seamless Steel Tube for Ultra -supercritical Boiler Service
Jin Weizhong （Changzhou Changbao Jingte Steel Pipe Co.，Ltd.，Changzhou 213013，China ） Abstract： The internal - spiral steel pipe is widely used in the industrial field of manufacture of ultra - super critical boiler for thermal power plant due to its advantages like quick heat transfer and high efficiency. Compared are the similarities and differences between the ordinary internal - spiral steel pipe and the optimum internal - spiral steel pipe. Described are the drawing principle and technical requirements for the internal - spiral steel pipe . Analyzed are the critical points and the control tips in manufacture of the optimum internal - spiral pipe. The optimum internal - spiral pipe is eventually produced successfully by Changzhou Changbao Jingte Steel Pipe Co. ， Ltd. by means of improving design of the tooling and dies and optimizing the deformation process. All the parameter indexes of the product are up to the requirements as specified in applicable standard，and the objective quality is also up to the advanced level of similar products as made abroad. Key words：Ultra - supercritical boiler；Cold - drawn seamless steel pipe；Optimum internal - spiral steel pipe； Die design；Deformation process；Optimization
金炜忠：超超临界锅炉用优化内螺纹冷拔无缝钢管的生产
C — 大内径 N 1 — 导程 1 N 2 — 导程 2
图 3 导程、大内径与螺旋升角关系示意
（ 3）螺纹高度更高。一般优化内螺纹钢管均为 直径在 40 mm 以下的小直径产品，其螺纹高度一 般均在 1.2~1.4 mm，最高可达 1.5 mm，公差为±0.2 mm；而同尺寸的普通内螺纹钢管的螺纹高度一般 均在 1.0 mm 以下，且其公差为±0.3 mm。
金炜忠（ ，男，工程师，副总经理，主要从事 1968-） 冷拔无缝钢管的生产及管理工作。
电锅炉中得到广泛应用 。 由于内螺纹钢管要求较 高，批量生产有一定难度，因此目前国内具有多头 内螺纹锅炉用无缝钢管生产能力的厂家屈指可数 。 内螺纹钢管的材料一般为 SA-210 A1、SA-210 C、 SA-213 T2、SA-213 T12 和 15CrMoG 等。 德国西门子公司在普通内螺纹钢管的基础上开 发出优化内螺纹钢管，其螺旋升角（ 螺旋线与轴线 之夹角） 更大，螺纹高度更高，进一步提高了钢管 的传热效率；材料为 T12、T23 等，应用于超超临 界锅炉水冷壁。 常州常宝精特钢管有限公司（ 简称常宝精特公
图 4 内螺纹钢管拔制原理示意及内模螺纹侧边受力分析
3.2 工艺流程 常宝精特公司采用宝山钢铁股份有限公司或江 阴兴澄特种钢铁有限公司的圆管坯生产优化内螺纹 钢管，工艺流程为：加热→穿孔→酸洗、检验→打 头→退火→酸洗润滑→冷拔定壁→打头→退火→矫 直 、 切管 → 中间检验（ 探伤） → 酸洗润滑 → 成型拔 正火+回火，理化性能试验） 制→成品热处理（ →矫 直、切管→成品检验→标记和包装→入库。 成型拔制的变形量对螺纹的形状有很大的影 响，对优化内螺纹钢管，由于其成型要求较高，因 此在成型拔制之前，要对原料尺寸进行准确的定 位 。 成型加工方式为冷拔，常宝精特公司采用自 己设计加工的内外模具进行成型生产。 3.3 技术难点及关键要素控制 虽然优化内螺纹钢管和普通内螺纹钢管的拔制 原理是相同的，但由于优化内螺纹钢管的螺旋升角 更大、导程公差带更窄、螺纹高度更高，因此其生 产的难度也大幅度提高。常宝精特公司从工模具设 计、变形工艺等关键要素入手，逐一解决了生产中 的技术难题，最终成功生产出合格产品。 1） 合理设计内模导程 螺旋升角大和导程范围窄的问题需要从内模设 计上进行完善。冷拔之后的内螺纹钢管的实际导程
新产品开发
相对越严重，因此优化内螺纹钢管的变形不均匀性 大于普通内螺纹钢管，更难以获得形状良好的螺 纹。针对螺纹高度必须设计合适的变形量。 一般来说，在一定的范围内，螺纹高度和壁厚 的减壁量成接近正比的关系，其比值大约是 1 : （ 。减壁量过大会导致螺纹高度过大，以及 1.5~2.5） 形成翻边，如图 5 所示；减壁量过小会导致螺纹高 度不够，以及形成塌边，如图 6 所示。因此，必须 根据要求的螺纹高度来设计合适的减壁量。
差为±19.08 mm；而优化内螺纹钢管按螺旋升角的 范围计算得出的导程为 64.0 mm，公差为±5.6 mm。
图 1 内螺纹钢管截面示意
2 优化内螺纹钢管的特点
优化内螺纹钢管与普通内螺纹钢管的剖面如图 2 所示。 优化内螺纹钢管有以下特点。 （ 1）螺旋升角更大。普通内螺纹钢管的螺旋升 角为 30° ，而优化内螺纹钢管的螺旋升角为 40°～ 45°。由图 2 可以看出，优化内螺纹钢管的螺旋升 角大，其导程就短，相对同一段长度范围内，其螺 纹数目多，而且螺纹间距也短，因此生产加工难度 更大，并且螺旋升角越大，生产难度也越大。 （ 2）导程公差带更窄。由于优化内螺纹钢管的 螺旋升角规定为 40°～45°，而导程、大内径与螺旋 升角三者呈三角函数关系，如图 3 所示，按螺旋升 角的范围折算成导程公差，其公差带要减小很多， 对于 4 头内螺纹钢管要减少一半以上，而对于 6 头 内螺纹钢管要减少 2/3 以上。按同样的 Φ 31.8 mm× 6 mm 规格 6 头内螺纹钢管来对比，大内径为 18.6 mm 时，普通内螺纹钢管的导程为 101.2 mm，公
（ a）普通内螺纹钢管
（ b）优化内螺纹钢管
图 2 普通内螺纹钢管和优化内螺纹钢管剖面
螺纹根部内径） I — 螺纹周顶宽 A — 外径 C — 大内径（ E — 最小内径 F — 最小壁厚 J — 螺纹高度 T — 螺纹轴顶宽 K — 螺纹侧边角 O/O′ — 螺纹根部/顶部圆角半径 Q — 螺旋升 角 N — 螺纹导程 M — 螺纹节距 G — 螺纹头数
都是采用短芯棒拔制的方法，如图 4 所示。首先在 内模上加工有一定螺旋角的斜槽，然后将该内模安 装在可自由旋转的芯棒上，芯棒连接在一个安装有 轴承的旋转装置上。当钢管变形时，钢管受外模挤 压，向内收缩，内表面被压到刻有斜槽的内模上，
（ a）拔制示意
（ b）内模螺纹侧边受力分析
பைடு நூலகம்
1 — 拉拔小车 2 — 芯棒 3 — 旋转装置 4 — 芯棒支撑座 5 — 外模 6 — 钢管原料 7 — 内模 8 — 内螺纹管 9 — 轴向分力 10 — 螺纹侧边 11 — 正压力 12 — 周向分力 13 — 螺旋升角
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并不与内模的导程相等，这是因为冷拔过程中钢管 在纵向上有延伸变形，所以一般钢管的实际导程会 比内模的导程大。而导程增加的数量与多个因素有 关，如内模的导程，变形量的大小、变形速度、润 滑条件等，一般来说，凡是增加钢管变形过程中纵 向受力的因素均会增加钢管的实际导程。 为保证成型后钢管的导程处于合格范围，在设 计内模导程时，其取值应在下限的范围内。当成型 过程中产生延伸变形时，只要控制住导程的延伸 量，即可保证导程合格。 2）改善内模形状 为保证优化内螺纹钢管导程合格，将内模的导 程取小值，意味着内模的螺旋升角更大。根据图 4 分析，螺旋升角越大，周向分力越小，轴向分力越 大，同时在冷拔相同长度的钢管时，内模的旋转频 率也越高，整个内模受到的变形力也更大，容易产 生内模拔断的事故，同时内模的使用寿命也大大降 低。为此，在设计内模时要注意能改善金属的流动 性，尽量进行过渡方式的变形，减少金属的突变， 以减少变形阻力，同时要开发具有更高强度和更高 耐磨性的材料，用于内螺纹钢管的生产。 3）设计合适的变形量 螺纹高度越高，其冷拔变形过程中的不均匀性
3 优化内螺纹钢管的生产
3.1 冷拔工艺原理 优化内螺纹钢管冷拔工艺是建立在普通内螺纹 钢管冷拔生产工艺基础之上的，其拔制原理相同，
钢 管 2009 年 12 月 第 38 卷第 6 期
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继续挤压后，在钢管内表面压出螺纹。由于钢管持 续向前运动，在钢管与内模的螺纹侧边上产生正压 力，其中的轴向分力由芯棒支撑座抵消，以固定内 模的纵向位置，而周向分力则驱动内模和芯棒产生 2］ 被动旋转，从而生产出内螺纹钢管［ 。
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新产品开发
司） 在成功开发生产了内螺纹钢管后，又根据市场 需求进行了优化内螺纹钢管的研制和批量生产。
39
1 内螺纹钢管的技术要求
内螺纹钢管在化学成分、力学性能等方面的要 求与普通圆管相同，它们的区别在于对内表面螺纹 尺寸的要求。内螺纹钢管除了规定钢管外径、壁厚 的尺寸外，还对螺纹的各项参数作了规定，如螺纹 的高度、顶宽、侧边角度、角半径、导程和螺旋升 角等。内螺纹钢管的截面如图 1 所示。随着内螺纹 钢管应用的逐步推广，我国目前已对普通内螺纹钢 管制订了国家标准，标准号为 GB/T 20409-2006。