大口徑薄壁氣瓶用無縫鋼管的制造工藝

陳 冬, 桑 偉, 吳宜檑

(德新鋼管(中國)有限公司, 無錫 214177)

試驗(yàn)與研究

大口徑薄壁氣瓶用無縫鋼管的制造工藝

陳 冬, 桑 偉, 吳宜檑

(德新鋼管(中國)有限公司, 無錫 214177)

為了彌補(bǔ)熱軋、冷軋等工藝對大口徑薄壁氣瓶用無縫鋼管的加工能力不夠或成本過高等不足，開發(fā)和完善了熱擴(kuò)加冷拔工藝來制造此類無縫鋼管。試驗(yàn)結(jié)果證明：用此工藝生產(chǎn)的氣瓶鋼管可以滿足GB 28884-2012的要求，同時(shí)也滿足客戶在性能、尺寸等方面提出的協(xié)議要求，可以彌補(bǔ)目前市場中此類氣瓶鋼管的不足。

大口徑薄壁氣瓶；無縫鋼管；熱擴(kuò)工藝；冷拔工藝

“十一五”期間，壓縮天然氣(CNG)汽車等新型清潔燃料汽車已被列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中[1-2]，中國還致力于組織實(shí)施包括CNG汽車在內(nèi)的各種清潔能源汽車的重大項(xiàng)目[3-4]。筆者通過改進(jìn)設(shè)備、優(yōu)化工藝，研制了一種性能優(yōu)良的車載氣瓶用無縫鋼管。下面以規(guī)格為φ660 mm×9.7 mm的30CrMoE鋼為例，對其生產(chǎn)工藝進(jìn)行詳細(xì)的介紹，以供參考。

1 生產(chǎn)工藝路線

目前市場上能直接軋制φ660 mm無縫鋼管的機(jī)組稀少，并且還受到壁厚、價(jià)格、交期等方面的限制，無法滿足市場對此類鋼管的需求。因此某公司結(jié)合自身的優(yōu)勢，添加了冷拔及輔助設(shè)備，通過實(shí)踐證明能夠生產(chǎn)出滿足市場需求的此類鋼管。具體生產(chǎn)工藝為：將規(guī)格為φ406 mm×16 mm的母管先擴(kuò)徑至φ665 mm×14.5 mm，再冷拔至φ660 mm×9.7 mm。

2 生產(chǎn)工藝流程

該氣瓶用無縫鋼管的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

3 主要工藝及要點(diǎn)

3.1 熱擴(kuò)工藝

3.1.1 母管的選擇與準(zhǔn)備

選用母管為熱軋態(tài)φ406 mm×16 mm 30CrMoE成品管，此規(guī)格為熱軋通用規(guī)格，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。在擴(kuò)徑之前需要對母管進(jìn)行化學(xué)成分、硬度、非金屬夾雜物、幾何尺寸等檢測，并要求滿足協(xié)議要求。除此之外，還需要清除母管內(nèi)壁的雜物與氧化皮后均勻涂抹潤滑劑。潤滑劑為粉末狀石墨粉(粒徑74 μm)、鱗片石墨粉(粒徑68 μm)與水按質(zhì)量比1∶1∶3混合。

圖1 30CrMoE氣瓶用無縫鋼管的生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production technology process of 30CrMoE seamless steel tubes for gas cylinders

3.1.2 芯棒選配

芯棒的選擇會直接影響擴(kuò)徑后鋼管的外徑與壁厚質(zhì)量，因此芯棒的選擇在熱擴(kuò)工藝中尤為重要。圖2為芯棒形狀示意圖，此次選擇的芯棒材料為AISI310不銹鋼，外徑為634 mm。

3.1.3 連桿選配

選擇的連桿外徑為219 mm，長度為14 000 mm，能使母管完全穿于連桿之上。芯棒導(dǎo)入段的端頭與螺母焊接在一起，螺母的外徑比導(dǎo)入段端頭外徑小5～6 mm。連桿端頭與螺栓焊接在一起，螺栓、螺母為管螺紋，一般使用油田J55鋼的接箍料，螺母和螺栓的焊接保證同心度一致。

圖2 錐形芯棒形狀示意圖Fig.2 Sketch diagram of the shape of the conical mandrel

3.1.4 線圈選配

加熱線圈的選擇根據(jù)熱擴(kuò)成品管的外徑而定：加熱線圈外徑=熱擴(kuò)成品管外徑+80～120 mm。加熱線圈的長度應(yīng)覆蓋芯棒導(dǎo)入?yún)^(qū)一半以上、變形區(qū)的全部和定徑區(qū)一半以上，線圈的匝數(shù)為16匝，長度為1 200 mm，此次線圈外徑為766 mm。

3.1.5 熱擴(kuò)過程

將準(zhǔn)備好的母管穿于連桿之上，經(jīng)中頻線圈將芯棒與母管加熱到一定溫度，利用專用擴(kuò)管機(jī)油缸把母管推進(jìn)芯棒變徑段，使鋼管變徑成型(圖2)。

3.1.6 熱擴(kuò)工藝記錄

熱擴(kuò)過程中，遠(yuǎn)紅外測溫儀與速度采集器會把收集的信號反饋到相應(yīng)的模塊中，模塊會把信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示在中央控制臺屏幕上，操作員可以根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的調(diào)整、記錄及存檔打印。此次擴(kuò)管溫度為770～790 ℃，速率為120 mm·min-1。

3.1.7 擴(kuò)徑后尺寸

母管擴(kuò)徑后尺寸如表1所示。

3.2 熱處理工藝

為了滿足冷拔機(jī)能力以及避免拔制過程中鋼管斷裂或產(chǎn)生缺陷，擴(kuò)徑后鋼管需要進(jìn)行退火處理來降低鋼管的硬度。熱處理工藝為740 ℃保溫90 min，爐冷至450 ℃出爐空冷，熱處理后鋼管硬度為158～175 HB。

表1 母管擴(kuò)徑后尺寸

3.3 后續(xù)質(zhì)量控制工藝

3.3.1 矯直、內(nèi)外拋丸和內(nèi)外表面修磨

確保鋼管直線度以及內(nèi)外表面沒有氧化皮、裂紋、折疊、翹皮、劃道、孔洞、嚴(yán)重凹凸等缺陷，并且使鋼管內(nèi)外表面有一定的粗糙度與清潔度，從而保證磷化、皂化質(zhì)量。

3.3.2 磷化、皂化

磷化工藝為：將鋼管浸于65～70 ℃的磷化液中120 min，使鋼管內(nèi)外表面形成一層磷化膜，為皂化液的吸附作準(zhǔn)備。磷化液指標(biāo)檢測結(jié)果為：游離酸1.0(d)，總酸度32.5(d)。

皂化工藝為：將磷化后的鋼管在清水中洗凈后浸入70～75 ℃的皂化液中80 min，使鋼管內(nèi)外表面吸附一層均勻的皂化液，從而起到潤滑作用，避免由于工模具磨損和粘結(jié)金屬而影響鋼管內(nèi)外表面質(zhì)量。皂化液指標(biāo)檢測結(jié)果為：脂肪酸8.0(ND)。

3.4 冷拔工藝

3.4.1 外模選配

選用錐形外模，材料為Cr12MoV模具鋼，內(nèi)徑為660 mm。

3.4.2 內(nèi)模選配

選用錐形內(nèi)模，材料為Cr12MoV模具鋼，外徑為642.2 mm。

3.4.3 連桿選配

選用直徑為280 mm、絲牙直徑為250 mm的連桿，使之與內(nèi)模內(nèi)孔緊配。

3.4.4 拔制過程

選用1 600 t液壓式冷拔機(jī)，采用等徑減壁冷拔

工藝進(jìn)行拔制。拔制前需檢查母管內(nèi)外表面及磷皂化質(zhì)量，并消除內(nèi)、外模具表面毛刺等缺陷。拔制時(shí)內(nèi)、外模中心應(yīng)與連桿中心保持一致，避免產(chǎn)生彎曲或壁厚不均。

圖3 冷拔加工示意圖Fig.3 Schematic diagram of the cold drawing process

3.4.5 冷拔工藝記錄

拔制力計(jì)算公式如下

(1)

式中：P為拔制力，N；ΔF為拔制前后規(guī)格截面積之差，mm2；K為拔制應(yīng)力，N·mm-2，氣瓶管K約為1 372。

鋼管截面積計(jì)算公式如下

(2)

式中：F為鋼管截面積，mm2；π取3.1416；S為壁厚，mm；D為外徑，mm。

由于不同材料、規(guī)格鋼管的膨脹系數(shù)不同，需要對內(nèi)、外模具的尺寸進(jìn)行精密計(jì)算。拔制過程為：用三抓鉗口夾住鋼管的一頭，利用油缸的拉力使鋼管通過變形區(qū)，在內(nèi)、外模具的共同作用下使鋼管產(chǎn)生變徑、減壁、伸長。此次拔制力為1.27×107N，速率為500 mm·min-1。

3.5 探傷、全長測厚控制工藝

根據(jù)GB/T 5777-2008與GB/T 7735-2004的要求，對鋼管進(jìn)行超聲波與渦流檢測，未發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)要求的缺陷。根據(jù)GB 28884-2012與協(xié)議的要求，需對鋼管進(jìn)行全長測厚以及其他尺寸檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 任選兩支鋼管的尺寸檢測結(jié)果

3.6 理化試驗(yàn)工藝

根據(jù)協(xié)議要求，鋼管拔制完成后需取樣模擬氣瓶熱處理方式進(jìn)行理化室小爐試驗(yàn)，所得結(jié)果應(yīng)符合協(xié)議要求。

3.6.1 試驗(yàn)方法

分別在兩根拔制完成的鋼管上取300 mm×300 mm試樣，編號為A與B。將取好的試樣在理化室進(jìn)行小爐熱處理，熱處理工藝為：淬火(920 ℃保溫25 min，油冷)+回火(620 ℃保溫50 min，空冷)。然后對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試及金相檢驗(yàn)。

3.6.2 試驗(yàn)結(jié)果

鋼管試樣的化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試和金相檢驗(yàn)結(jié)果分別如表3～5所示，鋼管試樣的顯微組織形貌如圖4所示。由結(jié)果可見，鋼管的化學(xué)成分、力學(xué)性能和顯微組織的各項(xiàng)檢測結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議的要求范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

(1) 該φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE氣瓶用無縫鋼管是在GB 28884-2012的基礎(chǔ)上，根據(jù)協(xié)議的要求通過熱擴(kuò)加冷拔方法進(jìn)行生產(chǎn)的。整個(gè)過程在技術(shù)、操作、質(zhì)量、數(shù)據(jù)、記錄等方面是可控且可追溯的，符合質(zhì)保體系與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。按照該工藝生產(chǎn)出的φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE鋼成品的尺寸測量與理化檢驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求。

(2) 熱擴(kuò)加冷拔工藝用于生產(chǎn)大口徑薄壁氣瓶用無縫鋼管是一種可行、穩(wěn)定、有優(yōu)勢的工藝，它可以彌補(bǔ)目前市場上其他工藝的不足，滿足客戶對此類無縫鋼管的需求。

表3 φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE鋼管的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表4 φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE鋼管的力學(xué)性能測試結(jié)果

表5 φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE鋼管的金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖4 φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE鋼管的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE steel tubes:a) longitudinal section of specimen A; b) cross section of specimen A;c) longitudinal section of specimen B; d) cross section of specimen B

[1] 周怡沛,周志斌.中國CNG汽車市場發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢與策略[J].國際石油經(jīng)濟(jì),2009,17(10):44-48.

[2] 高海靜.我國CNG汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].電子制作,2014(7):118-119.

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Manufacturing Process of Seamless Steel Tubes Used for Large-Caliber Thin-Wall Gas Cylinders

CHEN Dong, SANG Wei, WU Yilei

(Dexin Steel Tube (China) Co., Ltd., Wuxi 214177, China)

In order to make up to the hot rolling and cold rolling process for the lack of processing capacity or high cost of seamless steel tubes for large-caliber thin-wall gas cylinders, the technology of thermal expansion and cold drawing was developed and improved to manufacture the seamless steel tubes. The test results prove that: the cylinder steel tubes manufactured by this technology could meet the requirements of GB 28884-2012, and also meet the agreement requirements of customers in performance, dimension and so on, and they could make up for the lack of such gas steel tubes in the market.

large-caliber thin-wall gas cylinder; seamless steel tube; thermal expansion process; cold drawing process

10.11973/lhjy-wl201707007

2017-03-30

陳 冬(1983-)，男，學(xué)士，主要從事鋼管生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)控工作，260068820@qq.com

TG335.71

A

1001-4012(2017)07-0487-04