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焊管无缝化生产工艺技术的特点与应用前景 1 前言 焊管无缝化是通过直缝焊接钢管的无缝化处理工序生产的,是现代钢管生产中的一个 极其重要的新领域,是钢管三大种类中的最新一种,是我国钢管工业目前的一个主攻目 标 自七十年代以来 ,美、日、德等国家既大量生产无缝化焊管,并广泛取代一般用途无 缝钢管迄今一些质量高、难度大的石油管与锅炉管也已有/13~/23用的是无缝化焊 管其中热张力减径工艺生产的无缝化焊管产量在世界上已达每年300 万 t 以上,高居 各种无缝化焊管生产之首它是焊管更新换代和一般用途无缝钢管的替代产品,具有较 强的生命力和市场竞争能力 无缝化焊管与无缝钢管相比,具有建设投资少 ,生产效率高 ,金属及能源消耗低,管壁更 均匀及内在质量更好的特点之所以称之为无缝化焊管,是由于它用高频直缝焊管,经无 缝化工艺处理 ,其尺寸精度、化学成分、机械性能、工艺性能、金相组织、爆破性能试 验等指标完全达到了同类无缝钢管的国家标准、国际标准和实物质量指标水平,且在尺 刁循度、壁厚均匀程度、全部定尺等方面优于同类无缝钢管因此,该产品具备高技术 含量 ,高附加值 ,高质量 ,高市场容量 ,高经济效益 ;低物耗 ,低成本 ;节能、节材的“五高、 两低、双节”的特点。

尤其是在中70 m m 以下的各种小规格钢管生产中,无缝化焊管 较之无缝钢管有着特别显著的优势特别是热张力减径工艺方法更能高效低耗地生产 具有很强竞争力的无缝化焊管产品 在国外工业发达国家,钢管产品标准全部按使用性能制定,不强调生产方法即钢管 或其他产品 ,不分用什么工艺方法生产、加工和制造,只分标准与使用性能,只要达到什 么标准要求 ,就按什么标准交货,计价和使用 2 焊管无缝化处理工艺的理论依据 2.1 焊管无缝化处理工序 焊管无缝化处理工艺技术的关键是如何安全消除焊缝的影响目前世界上焊管无缝 化处理工序有四大类,一为焊管整体加热经张力减径热轧;二为焊管经酸洗、润滑后进行 冷拔 (轧)后再进行退火处理;三为焊管整体加热常化处理;四为焊管进行焊缝局部感 应加热处理 凡是无缝化焊管 ,焊接时都应设有焊接温度自动控制,内外毛刺清除及焊缝无损 探伤等装置 四种无缝化处理方法中,后两种方法只是在一定程度上减轻焊缝与管体的差异,而前 两种方法才是真正的无缝化,而质量最好 ,生产效率最高的则是第一种焊管整体加热经张 力减径轧制的热张力减径处理方法与冷拔(轧)热处理相比 ,热张力减径有以下优点: 2.1.1 可以焊接一种或几种大规格母管(管坯),其余由张力减径机组热轧出各种外径与壁 厚的成品管 ,品种规格可灵活调节,产品应变能力强 ,改变一个成品壁厚仅仅需几秒钟,只 要调整张减机组叠加速度和调整机组机架间张力即可,改变一个成品外径也不过十几分 钟至半小时 ,只要更换几个张减机机架即可。

而原有的焊管机组从卷板,纵剪带钢规格 , 直至焊接钢管规格却无需改变因而它具有生产效率高,产量高、品种多 ,质量稳定 ,金 属和能源消耗低 ,成本低 ,成材率高 ,经济效益好等优势同时,可以简化焊管坯料,生产工 模具 (成型及定径机轧辊,纵剪剪片及辊环等)可使原焊管机组增产40% 一 06%, 规格数 量扩大几倍 ,质量显著改善这一点是冷拔热处理和焊管整体加热常化处理无法与其相 比的特别是当生产中07~ 中 17 m m 范围内小规格焊管时,其内毛刺清除的难度很大, 很难实现中57 m m 以下焊管的无缝化处理 2.1.2 加热至上临界点Ao 3(9 5 O C 一 69 C)以上 ,加热均匀 ,氧化很少 ,加上管坯出炉后 经再线高压水除鳞,热轧后钢管表面光滑2.1.3 热张力减轻是一个形变热处理过程,成 品钢管焊缝与母体化学成分、金相组织、力学性能基本一致,彻底消除了焊接内应力 金相显微镜下观察已找不到焊缝处的金相组织 2.1.4 生产周期短 ,市场应变力强 ,生产效率高 ,综合经济效益最好 本文重点介绍第一种热张力减径无缝化处理工艺方法 2.2 焊管无缝化处理理论依据(机理) 对于优质碳素钢焊管,在焊缝熔接线0.1 一.03 m m 宽度内其金相组织为低碳马氏体 和针状屈氏体 ,硬而脆 ;焊缝与管体之间的过渡区(热影响区 )的金相组织为大晶粒的铁素 体和屈氏体 ;而管体 (母材)则是力学 (机械 )性能优良的细晶粒的铁素体和珠光体组织(F 十 P),所以各处性能均匀。

正是焊接钢管由于存在三种不同的金相组织差异,才造成焊 管不仅力学 (机械 )性能严重不均匀 ,而且产生很大的焊接内应力,进一步降低了钢管的性 能 若想彻底消除这种差异,达到管体各处性能完全或基本一致,即达到无缝钢管的性能 要求 ,最普遍的方法就是采用将焊管进行整体加热常化处理,即将焊管整体加热至上临界 点 Ac 3 以上温度 (碳钢为 9500~960 度),使之上述各种组织均转化为奥氏体组织冷却 后再统一转变为铁素体和珠光体组织,但晶粒较粗大 ,而且管体与焊缝的晶粒状态仍存在 差异进一步彻底消除晶粒状态差异和细化晶粒,则必须同时伴以热压力加工(热轧), 才 能完全达到管体各处均为统一的细小晶粒的铁素体和珠光体组织,并彻底消除了管体与 焊缝的金相组织和晶粒状态的差异及焊接内应力等焊缝影响处理后焊管实现了无缝 化,其力学性能和工艺性能完全达到同类无缝钢管的要求即整个无缝化处理过程应是 一个形变热处理过程,而焊管整体加热张力减径热轧无缝化处理工艺则是达到这一 目的最佳处理方法 3 热张力减径无缝化处理工艺 3.1 国内外应用概况 当焊管无缝化处理工艺确定后,关键在于选择合理的工艺流程和可靠的技术装备来实 现并满足上述形变热处理无缝化处理的工艺要求。

为提高供热轧用的焊管产量和增加小直径无缝化焊管的品种,目前世界工业化国家均 在高频焊管作业线上配置张力减径机组的生产工艺流程,如德国、日本、美国等国约有 40 余套这种无缝化焊管生产线年产300 万 t 我国由冶金工业部钢铁研究总院制管工程部首次率先研制成功、国内首创设计与建 设的焊管热张力减径无缝化焊管生产线,三条中 1 41 机组已成功地在吉林延边,天津静 海,江苏漂阳先后建成并投人生产,生产规模均在 (2~)5X1 少 t 之间,国内承德钢铁 (集团 ) 有限公司前年从国外引进一套二手的高频焊管配热张力减径生产线,年产规模 10 万 t 左 右,目前已调试成功和试产国内已成功地在高频焊管机组(114,165 机组)上采用由微 机控制焊接温度 ,清除内毛刺和焊缝无损探伤合格的高频焊管,进行整体加热、高压 水除鳞、再经81 架中 141 张力减径机组热轧出合格地无缝化焊管且吉林和天津两家 生产厂已成功地生产出低中压锅炉用钢管,并分别先后取得国家颁发的生产证可证,其产 品成功地用于国内一些锅炉制造厂 3.2 生产工艺与装备 3.2.1 工艺流程 无缝化焊管生产工艺流程如图2 所示: 用这种方法生产 ,可使高频焊管机组和纵剪机组的产品简单化,通过充分利用和发挥 张力减径的过程 ,既可提高产量又可生产多种规格的产品,面且减少了纵剪带钢的规格。

通过张力减径的钢管外径减径率最大可达80% 以上,壁厚减壁率一般在3 0% 左右冶 金部钢铁研究总院研制成功并应用于生产的中114 张力减径机组 (18 机架 ),其总减径率 为 71.93%, 减壁范围为一10%~52% 3.2.2 主要技术装备配置 无缝化焊管生产工艺流程无缝化焊管生产作业线的主要技术装备主要由纵剪机组、 高频焊管机组、直通式辊底钢管加热炉、张力减径机组、精整设备和水压试验(或无损 探伤 )与检验设备等组成本文重点介绍高频焊管机组作业线以后配置张力减径机组生 产无缝化焊管的主要装备 1 张力减径机组 a 张力减径机组的配置原则:为了充分发挥张力减径机组的生产能力,以求达到最好的生 产效果 ,张力减径机组通常配置在等于或大于中114 m m 的高频焊管机组的作业线上 b 张力减径机组的机架数量 确定张力减径机架数量是按照入口钢管直径和相应的出口最小管径的相对减径量(率) 的分配确定的 ,一般采用 18~24 架 c 张力减径机出口速度的确定 张减机的出口速度的确定是个关键环节,该速度取决于减径钢管的人口速度,而此速 度应与高频焊管机组的焊接速度相适应 2 钢管加热炉 在生产过程中 ,为了达到最大限度的减少金属消耗,减少成品钢管两端的切头,实现全 定尺交货 ,提高成材率 ,一般均使进人张力减径机之前的焊管长度为70m 一 10 Om 。

例 如:在中 114m m 高频焊管机组上 ,采用 I O0m 长的中 8 9m m X 2.6 m m的焊管 ,经过 中 141 张力减径机组 (20 架)生产出中 16.7 5 m m X1.8 m m的管子长度达到8 0 0 m 以上为此 ,在工艺上通常均采用直通式的燃气辊底快速加热炉,加热炉长度达到10 Om 以上有的机组为了缩短作业线长度并提高加热质量,采用了感应加热,或者采用在 快速加热炉出口处设一感应加热装置的联合加热装置 3 高压水除鳞装置 为确保热轧后钢管表面质量,加热后的钢管在出炉后应立即采取高压水除鳞,将加热 后钢管表面一层很薄的氧化铁皮清除掉一般采用环形高压水喷射装置,布置 8 个高压 喷咀 ,喷射角 o9( 顺轧制方向 ),压力 10 一 18M Pa, 流量(100~180)IJ/m in 1 主要精整设备 包括飞锯 (热据 ),冷床、矫直、平头、水压试验(最大试验压力20 M P)a, 成品钢 管探伤、打印标志、涂油、包装机包装等专用设备,系一般钢管厂通常应具备的设备不 再详述 4 主要技术关键 无缝化焊管生产的主要技术关键是要确保焊缝的焊接质量生产的重点应放在“一 条缝”的质量上。

保证焊缝质量的技术关键主要有: 4.1 原材料 (热札钢板卷 )质量控制 按成品钢管使用要求,严格按标准要求对坯料进行复验(钢的牌号、化学成分和力学 性能 ) 4.2 焊接质量控制 高频焊接过程中 ,对影响焊接质量的各个因素,如焊接温度 ,焊接速度 ,开口角 ,挤压力 和焊接输出功率等因素要进行严格的控制最好采用微机控制还应有焊缝探伤以 保证焊缝质量 4.3 清除内外毛刺 无缝化焊管要求在焊接过程中必须清除内外毛刺 其次是确保焊管的整体热处理的质量,在直通式加热炉内的加热温度必须保证加热至 上临界点 cA3(59 o C) 以上,实现全部组织的奥氏体相变,而且还要保证焊管经高压水除 鳞后张力减径机的开轧温度,一般要求加热至1105 C 左右并要使焊管在加热过程中 平直、加热均匀及少氧化,因此直通式加热炉内辊道应采取斜配(o7 一 o9), 钢管在炉内 螺旋旋转前进 ,并采取炉膛正压操作加热炉最好应采取炉温自动控制装置 第三是必须实现形变热处理,即加热至 Ac3 以上后同时伴以热轧,为此后面必须立即 进人张力减径机热轧 这样焊管经过加热至95O 度以上及张力减径多架次大变形量的轧制,焊缝与管体的 金相组织与晶粒状态已趋于一致,焊接内应力消除 ,其力学及工艺性能达到同类无缝钢管 的性能指标 ,实现了焊管的无缝化。

5 推广应用前景 5.1 无缝化焊管生产的优势 经过国内外市场调研、考察和经济技术论证,无缝化焊管生产具有工艺成熟,技术可 靠、装备合理、还具有优质、低耗、节能节材、高效的特点 整个生产线从总体性能讲,有以下显著特点 : 5.1.1 产品质量高 其各项性能指标 ,如力学性能、工艺性能,金相组织、尺寸精度、表面质量等均达到 同类无缝钢管的标准与实物质量指标 5.1.2 生产效率高整个生产线不仅张减热轧生产效率高,高频焊管机组生产能力也提 高 5.1.3 产品应变能力强‘变更产品生产规格快,可适应市场需求的千变万化 5.1.4 节能、节材、低耗、低成本、经济效益好 5.1.5 建设投资低、建设时间短比建设同等规模带张力减径的无缝钢管厂的建设投资更。