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厚壁无缝钢管一般是指外径(D)与壁厚(S)之比(D/S)小于20的无缝钢管,其中外径与壁厚之比(D/S)小于10的又称为超厚壁无缝钢管。
厚壁尤缝钢管常用于火(核)电、船舶、化工及石油等行业中高温高压流体的输送,工作状态下需承受内部流体较高的压力和温度,故其质量和性能要求较A。其钢种主要有优质碳紊结构钢、合金结构钢、不锈钢和特种合金等。
目前,世界上生产超厚壁无缝钢管采取的生产工艺主要有皮尔格轧制法、自由锻造法、穿孔拉拔法及热挤压法等。其中,热挤压法。近年来受到闰内、外齊遍关注,它是将金属坯料加热至再结晶温度以上,利用挤压机的压力,由挤压动校对金属坯料加以挤压,使坯料在三向压应力作用下从挤压模口流出,从而获得所需
要挤;玉件的一种塑性成形方法。根据挤压设备与挤压方向的不同,热挤压法又可分为卧式挤压法和垂直挤压法。与其他工艺相比,垂直挤压法具有产品规格范围广、材料利用率高、产品质跫好和制造周期短等一系列优点。针时厚壁无缝钢管的特.饭,时热挤压法制造无缝钢管中的垂直挤压工艺进行研究。介绍了厚壁无缝钢管热挤压的工艺流程,并重点分析模具结构和润清条件热挤压工艺过程中的两大重要因素。终提出了多角度挤压入模角的模具结构及模具一坯料复合润滑方案,在降低挤压力的同时获得了表面质童较高、综合力学性能较好的厚壁无缝钢管。
张力减径工艺是在前后布,的一系列轧辊机架中对荒管进行连续轧制的过程.也是钢管生产中的 一道热变形工序。在这一过程中.采用适当的孔型系列.使荒管外径得以连续减缩,同时凭借机架系列中轧辊转速比例的调节.可以取得预定的璧厚变化。张力减径工艺具有轧制速度高、产品规格范1 大等优点,目的已得到广泛应用。在张力减径过程中.钢管周向变形不均匀.导致钢管内表面由圆形变为多边形,在轧制中厚壁钢管时.该现象尤为严, " .。为了改善和钢管的内多边形缺陷.需要实时测张力减径过程中钢管各个部位的应力、应变及沮度等场盆,但在生产现场,侧 t 这些数据往往比较困难且费时费力.因此利用数值棋拟技术来掌握上述场 t 在张力减径过程中的变化是非常必要的。为了提高产品的壁厚精度.目前国内外许多学者已经利用有限元法针对钢管张力减径过程的壁厚变化规律进行了大证的研究工作,州.并取得了较大的进展。
导致钢管内表面由圆形变为多边形的因索主要有轧辊孔型、张力分布情况、荒管壁厚及轧制沮度等。本文采用革于 MSC . MARC 的有限元分析方法,建立了钢管张力减径过程的有限元热力藕合分析棋型.在其他参数相同的情况下.研究了不同壁厚钢管的张力减径过程.分析了钢管内多边形的形成机理.得到了荒管璧厚和张力系数对钢管内多边形程度的影响规律.可为提高产品的壁厚精度和形状精度提供理论指导。
l 设.主.价数及热力报合有限元板型的盆立
Ll 设备主要参数本文在建立张力减径有限元棋型时.设定的张力减径机组的机架个数为 20 .轧辊的名义直径设定为 345mm ,相邻机架间的距离为 320mm ,荒管的外圆直径为 180 帕 m .成品钢管直径为 79mm 。为了研究荒管璧厚及张力系数对钢管内多边形的影响规伸,在其他参数相同的悄况下.本文选取了 9 种不同壁厚的荒管及对应的张力系数进行有限元模拟.其具体数值如表 l 所示。
根据标准规定,热轧无缝高压锅炉管和低、中压锅炉管均需作压扁性能试验。20A高压锅炉管是我厂无缝车间的部优质产品,但近年来,特别是近两年来,其压扁性能不合格(包括热轧检验和用户投料验收不合格)较多。造成往返运输费用和重新热处理时能源、材料的消耗增加,也影响用户及时投料及我厂产品的信誉。为此我们对压扁性能不合格的原因及防止和办法进行了探讨。
首先将无缝钢管车间1980年以来20A0g压扁性能不合格的钢管规格及定、减径直径压缩率进行了分析。可以看出压扁性能不合格的钢管几乎都是壁厚S≥8mm的厚壁钢管,而20A钢管中主要又是减径管。因此,本文着重对20A减径厚壁管的压扁性能作以下分析。
ニ、20A厚壁管匠扁不合格试样的外观特征和金相分析
20A厚壁钢管压扁不合格试样,绝大部分表现为管壁纵向直线状内裂,而且其部位儿乎都在进行压扁试验时与试验机压板接触
的中间部分,其裂缝深度大于0,5mm。80年3月对9-753炉497批68×13mm的20A钢管压扁开裂试样,进行了常规金相分析,其结果列于表2。
1984年4月对三个炉批号20A钢管的7个试样进行了常规金相分析,其结果列于表3。
三、20A臧径厚壁钢管压扁开裂的原因
压扁性能是钢管的一种工艺性能,而钢管工艺性能是其机械性能与表面状态综合影响的结果。因此对压扁性能必须从钢管机械性能和表面状态两个方面进行分析。
无论是机械性能还是表面状态,都受金属自然性质和变形条件(如变形程度、变形温度、变形速度、应力状态、变形状态等)两个重要因素影响。因此在分析钢管压扁开製原因时,首先要找出主要因素。裂钢管的试祥几乎都是与压板接触的中间部分内壁呈纵向直线状裂缝。一般认为,压扁时例管表面产生直线状裂缝,是由变形加工引起的;
而螺旋状的表面裂缝,则是由金属自然性质引起的。如金属自然性质引起压裂时,其裂缝产生部位不可能固定不变,而实际上几乎全部裂缝产生在与压板接触的钢管内壁中间部位。所以从裂缝外观特征及产生部位在不同试验条件下的固定性,可以认为钢管压扁开裂是变形加工因素引起的。事实上,由于自动轧管机组中主要变形量分配在穿孔和轧管工艺环节,如果管坯带入有金属自然性质方面的缺陷,那么在穿孔斜轧中就自然会显示为螺旋状表面缺陷。但在穿孔后把毛管加工成成品钢管的变形较大的工艺环节中,只有轧管和减径,而轧管和减径都是纵钆。
“6年时间建造一个核电站,3年时间在等待锻件。”10年前说起我国对核电建设中的关键锻件大口径厚壁无缝钢管无法自主生产的窘境,曾有许多业内人士无奈地发出这句感慨。
“自主制造万吨级重型设备已不是难事,我们的目标是中国“极端制造”领跑世界。”如今再谈及这一话题,清华大学机械工程系重型装备研究团队成员的眼里已满是自信的光芒。
从2009年内蒙古3.6万吨垂直挤压机挤出 根厚壁无缝钢管打破国外垄断,到2015年青海6.8万吨挤压和模锻双功能重型压机挤出世界 长度的无缝钢管实现国际领先,短短几年技术创新突破,我国自主生产电力用高端耐热无缝钢管替代进口并跻身国际市场的夙愿正在成为现实。
“联手清华大学5年攻坚克难,世界首台6.8万吨重型压机能够完成95%以上的航空模锻件的生产,首根碳钢无缝钢管长达12.8米,直径630毫米,壁厚110毫米。”近日发布这一消息的青海康泰锻铸机械有限责任公司备受瞩目,公司技术研发部部长安杰告诉记者,6.8万吨多功能压机是目前世界上惟一具备模锻和挤压两个功能的 吨位的压机,可挤压生产核电和高参数超超临界火电机组高合金、难变形、大口径厚壁新型管材,也可锻造出航空、航天工业等领域大型和特大型钛合金、高温合金、超高强度金属等难变形锻件。
为什么要自主研发大吨位重型压机生产厚壁无缝钢管?世界 长度意味着什么?项目主要负责人清华大学机械工程系重型装备研究所教授吴任东给出了答案。
大口径厚壁无缝钢管是60万千瓦以上超临界、超超临界火力发电项目必不可少的装备,其制造依赖于重型压机,然而重型压机的制造技术却长期被国外垄断,我国一度只能高价进口。作为装备大国、电力大国,只有打破这样的尴尬处境才能真正在国际领域占有一席之地。
不仅如此,制造万吨级重型设备标志着一个 的制造能力,涉及设计、制造、运输、安装等诸多技术难题,属于“极端制造”领域,成功虽极其不易,但没人不想抢占先机。对已经积累了深厚技术经验的中国来说,打破国外垄断只是阶段性成果,领先国际水平形成 优势并掌握市场定价权才能在竞争中立于不败之地。
“更重要的,在应用领域,更长、更厚的无缝钢管是今后产品发展的方向。”吴任东说,随着电站功率增大以及海上钻油深度不断增加,对厚壁钢管的口径要求越来越大,而高合金钢管普遍存在难以焊接的问题也对厚壁钢管的长度提出更高要求。“值得一提的是,经过论证,6.8万吨重型压机已具备挤压生产长度18米、外径1.5米的难变形合金大口径厚壁钢管,这远远超过了世界同类其他设备的水平。”
据了解,截至目前,6.8万吨重型压机项目已累计完成投资11亿元,完成了压机工艺主辅设备安装及调试。在2015年的四次试制过程中,6.8万吨压机均成功挤出长度超过14米的厚壁钢管,尤其是高合金、大口径钢管的调试成功验证了压机当初设计的挤压功能和各项技术数据已达到设计指标,也证明挤压功能已经满足生产要求。
作为完全自主研发的建设项目,企业的更多突破也丰富了“世界先进水平”的内涵。安杰介绍,在挤压工艺完成过程中,一线技术人员解决了压机镦粗、穿孔前的外表面除鳞问题以及压机挤管前的外圆及内孔的玻璃润滑问题,为成功挤出世界 长度钢管奠定了坚实的基础。
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