桑伟; 陈俊德; 王洪海; 陈冬
【期刊名称】《《钢管》》
【年(卷),期】2019(048)004
【总页数】5页(P56-60)
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【关键词】udn
无缝钢管; 中频热扩工艺; 连续加热; 整体加热; 受力状态; 芯棒; 线膨胀系数【作 者】桑伟; 陈俊德; 王洪海; 陈冬
【作者单位】德新钢管(中国)有限公司 江苏无锡214177
【正文语种】中 文
【中图分类】TG376.5
自1995年以来，无缝钢管的中频热扩工艺先后在天津钢管集团股份有限公司、宝钢集团有限公司、鞍钢股份有限公司、本钢集团有限公司等大型国有企业及众多民营企业中投入生产［1］。经过几十年的发展，中频热扩工艺已经成为生产大直径薄壁无缝钢管的不可或缺的一种方式。由于石油化工装置向大型化方向发展，电站锅炉向高参数方向发展，对大直径薄壁无缝钢管的需求量越来越大，中频热扩无缝钢管获得了越来越广泛应用［2］。据不完全统计，仅德新钢管（中国）有限公司在过去16年中生产的中频热扩无缝钢管已有近百万吨，广泛应用于国内外的石油化工、能源电力、高压锅炉及压力容器制造等领域，大量的中频热扩无缝钢管已安全在役运行超过10万h。2017年12月29日，中国钢铁工业协会颁布了T/CISA 002—2017《高压锅炉用中频热扩无缝钢管》团体标准，标志着中频热扩工艺的发展进入一个新阶段。
几十年来，国内炼钢水平的提高和轧管技术的发展提升了原管的质量，智能制造及自动控制技术的应用、材料热处理能力的提高、检验检测技术的进步促进了无缝钢管中频热扩工艺的发展。中频热扩生产单位为了满足日益增长的市场需求，不断改进和完善工艺、提升装备和制造水平、加大检验和检测力度，使中频热扩钢管的质量和可靠性不断提升［3］。结合现今中频热扩工艺的特点和质量控制等来讨论该工艺的本质特点。
1 中频热扩工艺及其特点
中频热扩工艺是将合格的原管在控温、控速、控变径率的状态下，从头至尾经中频连续均匀加热，靠液压缸活塞推动原管通过内置的锥形芯棒，使原管扩制成更大直径钢管的一种无缝钢管制造工艺。中频热扩过程如图 1所示［2］。
图1 中频热扩过程示意
中频热扩工艺的一般流程为：复检合格的原管—检查修磨—选择芯棒—原管内壁涂润滑剂—加热扩径—热处理—理化检验—校直—内外表面处理—探伤、测厚—水压试验—尺寸及外观检验—后续加工［4］。
2 中频热扩钢管的质量控制
2.1 对原管质量的控制
统计表明，钢管的典型缺陷主要源自于坯料［5］，管坯的质量是无缝钢管质量的前提和基础［6］。如导致P91钢管的翘皮、孔洞、分层等缺陷形成的主要因素是坯料中的非金属夹
杂物［7-8］。因此，从原管及其坯料源头上消除缺陷是保证热扩钢管质量的关键。随着国内炼钢水平的提高，以及铁水预处理和纯净钢冶炼技术的发展，钢坯的纯净度、均匀度有了很大程度的提高［9］，钢内非金属夹杂物的含量逐步降低。同时，通过非金属夹杂物的球化技术可以改变夹杂物的形态和分布，消除夹杂物对钢性能的影响［10］。目前，连铸坯通常采用“转炉冶炼+精炼+真空脱气”工艺进行冶炼，使A类、B类、D类夹杂物的细系级别和粗系级别分别不大于1.0级，C类夹杂物的细系级别和粗系级别分别不大于0.5级，DS类夹杂物不大于1.5级。同时，选用表面质量好、几何尺寸精度高的合格钢管作为热扩用原管，并对原管质量进行严格的复验，利用内外表面机械修磨的方式消除表面可能存在的裂纹、结疤、重皮等缺陷也是保证中频热扩钢管质量的基础［11］。
2.2 对热扩工艺参数的控制能量水杯
中频感应加热的温度是影响热扩钢管质量的重要参数。加热温度过低，则金属的变形抗力较大，扩径变形困难，所需的液压油缸推制力增大，芯棒及与之连接的连杆容易变形或受损；加热温度过高，则能耗增加，并且芯棒前端的金属容易起皱。合适的加热温度通常根据原管的材质、材料的相变温度、材料产生热裂纹的敏感温度区间、壁厚和扩径率等因素 来设定。确定了具体的加热温度之后，中频热扩生产中采用DCR智能温度闭环感应加热系统达到工艺所要求的恒定温度区间，中频加热控制系统如图2所示，在设定的温度条件下，当电压、电流或其他外界因素造成实际温度与设定温度存在偏差，将温度变化的信号转换成电信号，经过DCR控制中心计算分析后发出指令，对输出功率进行调节，可使原管变形区的温度稳定在±10℃范围［11］。
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图2 中频加热控制系统
推进速度也是影响扩管质量的重要因素。推进速度过快，容易造成原管温度降低，产生扩管裂纹；推进速度过慢，容易致使原管温度上升，产生鼓包、堆钢等缺陷，同时会降低芯棒的使用寿命。中频热扩机组采用推进速度自动控制系统对推进速度进行调节，即采用1 024×2 048高分辨率的传感器直接测量原管的线速度，采用IP65高防护0.2级精度的传感器测量液压系统的推制压力，并通过高精度的PLC模块将油缸压力和推进速度直接显示在人机界面和仪表上［11］。在设定的推进速度条件下，当油缸压力或其他外界因素造成实际推进速度与设定速度存在偏差时，将速度传感器测量的信号转换成电信号，经过控制中心计算分析后发出指令，对油缸压力进行调节，保持稳定的推进速度。同时，中频热扩机组
的液压站选用较大功率的液压油泵和大容量的液压油箱，使液压系统保持低速低压运行，从而降低系统的振动和热扩散。
电化学传感器2.3 扩后整体热处理
钢管经过中频热扩后相当于进行了低温形变热处理［12］。大量的生产实践和科学研究表明，在适当的温度下经过一道次热扩后晶粒度可提高0.5～1.0级，力学性能和冲击功较热轧状态的原管略有降低，但仍然能够满足标准的要求。根据T/CISA 002—2017的要求，对中频热扩无缝钢管必须进行整体热处理。经过几十年的发展，钢管热扩生产单位已经形成了针对不同化学成分和不同规格钢管的完善热处理工艺，热处理设备也装备了温度自动控制系统和温度自动记录装置。热扩钢管经整体热处理后可使晶粒度进一步提高0.5～1.0级，钢管的力学性能和冲击功等综合性能有显著提高［13-14］。
2.4 精整、检验与检测
中频热扩过程中变形区的金属处于双向受压、单向受拉的受力状态，通过智能温度系统和速度控制系统保持加热温度和推进速度相对稳定，并对扩径率进行精确控制的状态下，完
全可以保证热扩过程不产生新的缺陷。但是，如果原管中存在缺陷，则热扩过程会使原管中的缺陷充分暴露。因此，对热处理后的热扩钢管必须进行内外抛丸和严格的外观检验，钢管内外表面不允许有裂纹、折叠、轧折、离层、结疤、氧化皮和划道等缺陷，如果存在这些缺陷，可在保证最小壁厚的前提下通过修磨的方式将表面缺陷彻底清除。另外，对精整后的钢管还必须进行严格的无损检测，包括自动超声波检测、涡流检测或漏磁检测。近年来，具有高精确度、高可靠性的高效超声涡流一体化自动检测系统已广泛应用于无缝钢管的无损检测。结合涡流检测、超声波检测各自的优点实现联合探伤，既可避免涡流或超声波单一检测方式对内部或表面缺陷产生漏检，实现对无缝钢管内外部缺陷的全面检测，又可以在生产过程中节约检测时间，提高检测效率［15-16］。最后，还需要在热处理后的钢管上取样进行严格的理化检验和力学性能试验。
3 对中频热扩工艺的认识
3.1 中频热扩加热方式
国内钢管标准GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》规定，热扩钢管应是坯料钢管经整体加热后扩制变形而成更大直径的钢管［17］。与该标准所说的整体加热相比，以往人
们误认为中频热扩工艺所采用的加热方式是局部加热［3，4，18］。这种认识忽视了对热扩过程的整体考虑。局部加热是指仅仅对工件或产品的一部分进行加热，例如利用无缝钢管旋压制造无缝钢瓶时，中频感应线圈仅对无缝钢管的端部加热，而钢管中间部位没有被加热。类似的局部加热还存在于工件的弯制过程及焊接过程中，仅仅是弯制部位或焊接部位受热，而工件的其余部位在整个加工过程中不经过受热。
中频热扩工艺采用中频感应线圈对原管进行电磁感应加热，当原管在液压缸活塞的推动下从一端到另一端依次经过中频感应线圈时，原管变形区及其前后部分区域被连续均匀地加热到设定的工艺温度。保证中频感应线圈的长度完全覆盖原管的变形区，并在变形区前后留有足够的加热长度余量，使原管受热升温达到热扩温度的钢管长度大于金属变形区间的长度。由于原管的扩径减壁变形完全发生在与内置芯棒变形区接触的锥形区间内，中频热扩过程中所完成的金属变形与原管整体加热后再进行扩制所发生的金属变形完全相同。当原管变形区的金属温度达到设定的加热温度后，其塑性提高，变形抗力降低，在液压缸活塞的推动下通过内置芯棒的锥形变形区时，直径增大、壁厚减薄，从而实现扩制变形。因此，中频热扩工艺是将原管从一端到另一端连续均匀地加热到设定的工艺温度，同时使原管从一端到另一端通过内置芯棒实现扩制变形，中频热扩所采用的连续加热方式与拉拔式
热扩所采用的整体加热方式目的相同，具有等效的作用。
3.2 加热温度
根据金属热加工塑性变形的原理可知，原管加热的目的是提高金属的塑性和降低其变形抗力。通常，钢的温度较高时塑性较高、变形抗力较低。例如，采用整体加热的拉拔式热扩工艺，通常将原管加热到较高的温度区间（900～1 200 ℃）［2，19］；以往的中频热扩工艺确定加热温度的一般原则是高于Ar3或Ac3温度50～100℃，以便达到更高的推制速度，提高生产效率［20］，并达到代替正火的目的［21］。但是，应该看到的是，拉拔式热扩工艺采用较高的加热温度是为了实现一次加热后进行2~4次扩径，每次扩径后，毛管温度都有一定程度的降低，到第4次扩径时，由于温度很低，仅能以2%左右的扩径率进行扩制。因此，即便拉拔式热扩工艺采用较高的加热温度，但是由于扩制过程中温度逐渐降低，无法对热扩温度进行精确控制，所以该工艺生产的热扩钢管表面质量较差、尺寸精度较低［2，22］。
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