無縫鋼管中頻熱擴(kuò)工藝分析

于恒洋

(天津騰飛鋼管有限公司，天津 300301)

現(xiàn)代電站所用的鍋爐呈現(xiàn)高參數(shù)發(fā)展趨勢，石化生產(chǎn)裝置呈現(xiàn)出大型化發(fā)展趨勢，各使用單位對于大口徑型無縫鋼管的使用需求量大幅增加。在加工時(shí)，可通過先進(jìn)的中頻熱擴(kuò)工藝來滿足這種無縫鋼管的大口徑、小批量、多規(guī)格與多品種等加工需求。現(xiàn)對無縫鋼管中的中頻熱擴(kuò)工藝技術(shù)應(yīng)用情況展開研究。

1 中頻熱擴(kuò)鋼管加工流程

中頻熱擴(kuò)技術(shù)的優(yōu)勢包括缺陷出現(xiàn)概率較低，其鋼管表面質(zhì)量較高，表面呈現(xiàn)氧化狀態(tài)的鐵皮不多，經(jīng)過擴(kuò)制處理后，鋼管表面仍舊可以維持原本的狀態(tài)；將潤滑劑涂抹到鋼管的內(nèi)部表面上后，頂頭不會輕易產(chǎn)生黏鋼的問題，因此內(nèi)表面能夠達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該工藝的成材率較高，設(shè)備成本不高，能夠滿足生產(chǎn)需求，工藝操作相對簡單，整體制造成本不高。經(jīng)過擴(kuò)制后，管道的壁厚減薄，直徑增大，最大可達(dá)到1 500 mm；管坯加熱溫度不高，整體變形量不大。

中頻熱擴(kuò)工藝是加工無縫鋼管時(shí)使用的重要工藝技術(shù)，對母管進(jìn)行檢驗(yàn)，確保其符合加工標(biāo)準(zhǔn)，在加工過程中對變徑率、速度與溫度進(jìn)行控制，始終采用中頻對母管實(shí)施均勻加熱，通過液壓缸活塞給原管施加推動作用，再借助錐形芯棒擴(kuò)大原管直徑[1]。中頻熱擴(kuò)加工工藝應(yīng)用過程如圖1所示。

首先需要對加工所用的原管進(jìn)行復(fù)檢，查看原管情況，進(jìn)行適當(dāng)修磨，選擇規(guī)格合適的芯棒，將潤滑劑涂抹到原管內(nèi)壁，實(shí)施加熱擴(kuò)徑處理，開展熱處理，對加工完成的鋼管進(jìn)行理化檢查，校直鋼管并處理鋼管外部與內(nèi)壁，而后進(jìn)行測厚與探傷，確保鋼管無缺陷，結(jié)束水壓試驗(yàn)后，檢查鋼管的外觀與尺寸，無其他質(zhì)量問題后即可進(jìn)行后續(xù)的加工工作。

2 中頻熱擴(kuò)鋼管加工工藝應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 加熱溫度

對比拉拔式熱擴(kuò)工藝與中頻熱擴(kuò)工藝兩種技術(shù)手段，前者之所以要大幅提高加熱溫度，是因?yàn)橥瓿梢淮渭訜崽幚砗?，需要開展3次左右的擴(kuò)徑[2]。進(jìn)行擴(kuò)徑處理之后，毛管溫度將隨之出現(xiàn)降低的情況，當(dāng)擴(kuò)徑次數(shù)增加到4次時(shí)，溫度下降幅度過大，擴(kuò)制時(shí)的擴(kuò)徑率約為2%，即使對加熱溫度提出較高的要求，但是仍舊難以精準(zhǔn)地掌控?zé)釘U(kuò)溫度，因此采用這種加工工藝加工的鋼管存在尺寸精度不高、表面質(zhì)量極低的問題。

運(yùn)用中頻熱擴(kuò)工藝時(shí)，可將推制速度提升，完成對溫度的有效提升，但應(yīng)關(guān)注高溫造成的不良影響：高溫會使鋼管外表面與內(nèi)壁產(chǎn)生氧化，內(nèi)壁氧化皮會粘結(jié)芯棒，在鋼管內(nèi)表面形成明顯刮痕，造成內(nèi)直道的問題[3]。高溫還會削弱材料晶粒間的實(shí)際結(jié)合力，導(dǎo)致鋼管裂紋嚴(yán)重化，裂紋等鋼管缺陷受到的實(shí)際約束力將隨之被削弱；采用中頻熱擴(kuò)工藝之后，鋼管直徑增大，相對地，對于芯棒質(zhì)量與體積的要求也隨之出現(xiàn)變化，芯棒對于鋼管底部區(qū)域的金屬材料的質(zhì)量存在一定的影響，若溫度過高，金屬出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象后，鋼管壁的厚度將會增大，且增大程度并不均勻[4]。如果鋼管的壁厚為中薄程度，實(shí)施中頻熱擴(kuò)工藝時(shí)，應(yīng)對加熱溫度上限實(shí)施精準(zhǔn)控制，避免超出預(yù)設(shè)的下臨界溫度數(shù)值，以此來預(yù)防缺陷，同時(shí)使鋼管形成均勻的管壁厚度，保持良好的表面質(zhì)量。

2.2 加熱方式

應(yīng)用中頻熱擴(kuò)工藝時(shí)，需要借助中頻感應(yīng)線圈與電磁感應(yīng)原理來加熱原管，液壓缸活塞在加熱過程中起到推動作用，使原管按照預(yù)設(shè)次序從線圈中經(jīng)過，原管的所有部位都能夠得到均勻加熱，直到溫度提升至要求的溫度。應(yīng)確保線圈長度能夠完整地覆蓋原管的所有變形區(qū)，同時(shí)還應(yīng)保留一定的加熱長度余量，以此保障原管受熱之后，溫度升高，鋼管溫度滿足熱擴(kuò)溫度的長度長于管道金屬材料變形區(qū)間對應(yīng)的長度。原管接觸芯棒變形區(qū)域后形成錐形區(qū)間，原管在此區(qū)間完成減壁擴(kuò)徑變形[5]。

2.3 金屬受力狀態(tài)

鋼管中頻熱擴(kuò)工藝應(yīng)用過程中，鋼管變形區(qū)金屬受力狀態(tài)如圖2所示。液壓缸活塞將推力(Ft)施加給原管的管端，內(nèi)置芯棒與變形區(qū)進(jìn)行接觸后，原管會受到芯棒造成的垂直擠壓力(Fj)與平行摩擦阻力(FF)的影響，F(xiàn)j與Ff順延周向、徑向與軸向完成合并與分解。變形區(qū)金屬并非保持單向受力狀態(tài)，徑向與軸向都會受到壓應(yīng)力的影響，變形抗力被克服后，鋼管直徑在原有的基礎(chǔ)上擴(kuò)大，變形區(qū)域之內(nèi)的金屬于管內(nèi)需要承受徑向壓力，且壓力值達(dá)到最大，在克服徑向變形抗力的過程中，金屬需承受的徑向壓力逐步接近0；金屬于軸向受到拉應(yīng)力，通過克服變形抗力實(shí)現(xiàn)對管道厚度的減薄，相比拉拔式熱擴(kuò)工藝使用期間的雙向受拉式的受力狀態(tài)，其整體受力狀態(tài)較為穩(wěn)定，金屬完成全部變形之后，將不會繼續(xù)受到軸向力帶來的影響。

3 中頻熱擴(kuò)鋼管質(zhì)量控制措施

3.1 控制原管質(zhì)量

針對中頻熱擴(kuò)工藝加工的鋼管進(jìn)行質(zhì)量控制時(shí)，首先應(yīng)對原管胚料進(jìn)行嚴(yán)格把控，以此來預(yù)防鋼管產(chǎn)品的分層、孔洞以及翹皮等缺陷。我國制鋼、煉鋼技術(shù)已經(jīng)達(dá)到較高水平，同時(shí)純凈鋼冶煉與鐵水預(yù)處理等技術(shù)相較過去都有了較大進(jìn)步，因此鋼材料的均勻度與純凈度均有了較大提升，鋼材料中非金屬類雜質(zhì)的實(shí)際含量已經(jīng)大幅降低[6]。依靠球化技術(shù)來調(diào)整鋼種雜質(zhì)的分布與形態(tài)，優(yōu)化原鋼的性能。冶煉鋼材時(shí)，可采用真空脫氣、精煉與轉(zhuǎn)爐冶煉工藝。

3.2 控制工藝參數(shù)

重點(diǎn)控制溫度這一工藝參數(shù)，當(dāng)溫度過低時(shí)，金屬將形成過大的變形抗力，提升擴(kuò)徑變形的實(shí)現(xiàn)難度，應(yīng)增大液壓缸提供的推制力，極易使連桿與芯棒受到損傷；若加熱溫度超過預(yù)設(shè)溫度范圍，出現(xiàn)過高的情況時(shí)，耗能隨之增加，芯棒前端部位的金屬材料會出現(xiàn)起皺的現(xiàn)象。因此應(yīng)保持合適的溫度，具體應(yīng)綜合考慮擴(kuò)徑率、鋼管壁厚、材料相變溫度、原鋼管的材質(zhì)以及材料形成裂紋對應(yīng)的敏感溫度部位等相關(guān)因素[7]。中頻加熱控制系統(tǒng)如圖3所示，可通過智能化溫控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對加工溫度的精準(zhǔn)控制。

當(dāng)推進(jìn)速度較快時(shí)，原管的溫度將因此而降低，并形成裂紋；當(dāng)推進(jìn)速度較慢時(shí)，原管將出現(xiàn)溫度升高的情況，引發(fā)堆鋼與鼓包等質(zhì)量缺陷，芯管的可用時(shí)間將會因此而縮短。同樣，可通過自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)速度的精準(zhǔn)控制，選擇分辨率較高的優(yōu)質(zhì)傳感器輔助速度調(diào)節(jié)工作，對原管的具體線速度進(jìn)行測量，再利用高精度型傳感器來檢測推制壓力數(shù)值，控制系統(tǒng)可將推進(jìn)速度與液壓缸壓力等重要參數(shù)直接顯示在儀表界面上。根據(jù)擴(kuò)徑率的大小和壁厚的薄厚，可適當(dāng)調(diào)節(jié)熱擴(kuò)道次和速度，一般初道熱擴(kuò)設(shè)定的推制速度參數(shù)可選擇100～200 mm/min，第2道熱擴(kuò)設(shè)定的推制速度參數(shù)可提高到200～250 mm/min。

3.3 合理選擇檢測技術(shù)

利用中頻熱擴(kuò)工藝加工鋼管時(shí)，變形區(qū)的金屬材料呈現(xiàn)出單向受拉與雙向受壓的受力特點(diǎn)，通過控制參數(shù)有利于提高加工質(zhì)量。若原管本身就存在質(zhì)量缺陷，技術(shù)人員并未在檢查階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，進(jìn)行熱擴(kuò)處理時(shí)，缺陷將暴露出來，降低鋼管產(chǎn)品的合格率。因此完成熱處理后，應(yīng)對鋼管的外觀展開仔細(xì)檢查，并進(jìn)行拋丸處理[8]。

無論是處于熱處理狀態(tài)的母管，還是經(jīng)過熱處理之后的熱擴(kuò)鋼管，在溫度分別為500、450、400、350、300、250和200 ℃時(shí)形成的高溫屈服強(qiáng)度超過了標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過2次熱擴(kuò)之后進(jìn)行熱處理的鋼管具有的高溫屈服強(qiáng)度低于相應(yīng)溫度條件下處于熱處理狀態(tài)的母管，高溫屈服強(qiáng)度差值在3%～7%之間，經(jīng)過2次熱擴(kuò)之后，高溫屈服強(qiáng)度相對比較穩(wěn)定，波動范圍在4%左右，熱擴(kuò)加工不會給經(jīng)過熱處理的高溫拉伸性能造成明顯的影響[9-10]。

4 結(jié)語

中頻熱擴(kuò)工藝能夠滿足無縫鋼管的加工需求，加工效果良好、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、優(yōu)勢突出。在加工期間，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)控制加工溫度、推制速度，合理選擇加熱方式。在正確運(yùn)用工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)全面落實(shí)加工質(zhì)量控制，加工前期嚴(yán)格篩選原管胚料，加工過程中準(zhǔn)確把控工藝參數(shù)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化操作，加工完成后還應(yīng)做好后續(xù)處理與檢測，以此有效消除無縫鋼管的質(zhì)量缺陷。