CN101827665A - 内表面带筋钢管的制造方法以及内表面带筋钢管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内表面带筋钢管的制造方法以及内表面带筋钢管。该制造方法能够减少在进行用于形成内表面带筋钢管的螺旋状筋的拉拔加工时的故障，稳定地形成螺旋状筋，该方法在进行用于形成螺旋状筋的拉拔加工之前对管坯实施弯曲矫正，且将相应的螺旋状筋的形成方向调整到最佳，此外还依据所用的管坯适当调整拉拔程序，从而能够减少在进行用于形成螺旋状筋的拉拔加工时的故障，稳定地形成螺旋状筋。所获得的内表面带筋钢管作为锅炉用钢管具有优异的成形性和品质，因此能够充分应对锅炉的大容量化、高温高压化。

Description

内表面带筋钢管的制造方法以及内表面带筋钢管
技术领域
本发明涉及一种利用拉拔加工在钢管的内表面上形成螺旋状筋(突起)的内表面带筋钢管的制造方法以及内表面带筋钢管，更详细而言，涉及一种能够稳定地加工螺旋状筋的内表面带筋钢管的制造方法以及使用该方法制得的内表面带筋钢管。
背景技术
通常，在锅炉用、热交换器用等高温耐热部采用在钢管的内表面上形成有螺旋状筋(突起)的内表面带筋钢管(rifletube)，以提高发电效率。内表面带筋钢管的内表面由于设有筋而具有大的表面积，所以能够增加被加热了的管的内表面与经过管内部的水蒸气的接触面积，并且还能使含有水蒸气的流体形成为湍流，从而提高热交换效率。最近的锅炉趋于大容量化、高温高压化，内表面带筋钢管的需求也随之急剧增加。
将无缝钢管或电焊钢管作为管坯而制造内表面带筋钢管，且依据需要在将该管坯充分软化之后在冷加工工序中使用拉拔用模(dies)以及在外周面上形成有筋形成用螺旋槽的顶头(plug)对该管坯进行拉拔加工。
图1是概略说明利用拉拔加工制造内表面带筋钢管的方法的图。在对管坯3进行拉拔加工时，将顶头1相对于模2以及管坯3呈同心状地插入在管坯3的内表面中，然后一边使顶头1旋转一边沿空心箭头的方向拉拔管坯3。利用模2对管坯3的外表面进行缩径操作。沿形成在顶头1外周面上的螺旋槽1a成形管坯3的内表面，从而在拉拔后的管坯3的内周面上形成螺旋状筋3a。
所用的顶头1能够旋转自如，且被芯棒(mandrel)4保持。该顶头的形状对内表面带筋钢管的筋的高度、筋的形状等(特别是筋的转弯部以及螺纹升角)品质有大的影响，根据拉拔条件的不同，会在管坯与顶头之间发生划伤。
因此，以往提出了各种用于制造内表面带筋钢管的顶头的构造、形状。例如，在日本特开2001-179327号公报中提出了如下顶头，该顶头的底面与用于形成顶头的螺旋槽的两侧壁所相交的部分的曲率半径从顶头的前端部侧到后端部侧保持恒定，并且自顶头的前端部侧朝向后端部侧以恒定的坡度缩径而成。
另外，在日本特开2006-272392号公报中公开了如下内表面带筋钢管的拉拔加工用工具，该工具通过将螺旋槽的槽牙边缘倒角加工成曲线状或直线状而减小槽牙的顶部与管坯的接触面积，从而谋求减小在槽牙的顶部与管坯之间产生的摩擦阻力。
上述2个公报分别指出，通过使用上述2个公报所公开的顶头，能够在对内表面带筋钢管用管坯进行拉拔加工时防止发生划伤，并且由于顶头本身也能比较容易且廉价地制得，所以能够大幅降低内表面带筋钢管的制造成本。
但是，与顶头的形状、构造无关、在对弯曲的管坯进行拉拔加工以形成螺旋状筋时，由于管坯的弯曲而导致经常发生故障。此外，即使在对实施了弯曲矫正的管坯进行拉拔加工以形成螺旋状筋时，根据形成螺旋状筋的方向的不同，也经常发生拉拔加工故障。
无缝钢管和电焊钢管均能应用为内表面带筋钢管用管坯，在使用无缝钢管为管坯的情况下，优选在进行用于形成螺旋状筋的拉拔加工之前，实施用于将管坯的沿管轴线方向看的截面矫正成大致正圆形的拉拔加工(以下称作“圆形拉拔精加工”)，由此能够显著提高管坯的成形性以及内表面带筋钢管的精度。
发明内容
本发明是鉴于上述对内表面带筋钢管进行拉拔加工时的状况而做成的，目的在于提供一种内表面带筋钢管的制造方法以及使用该方法制得的内表面带筋钢管，在进行用于形成螺旋状筋的拉拔加工之前对管坯实施弯曲矫正，且当在实施了弯曲矫正的管坯内表面上形成螺旋状筋的情况下将该螺旋状筋的形成方向调整到最佳，此外还依据所应用的管坯种类适当调整拉拔程序(schedule)，从而能够减少在进行用于形成螺旋状筋的拉拔加工时的故障，由此能够稳定地形成螺旋状筋。
本发明是为了解决上述问题而做成的，主旨在于提供下述(1)～(3)的内表面带筋钢管的制造方法以及(4)的内表面带筋钢管。
(1)一种内表面带筋钢管的制造方法，其特征在于，该方法包括内表面带筋钢管用管坯的弯曲矫正工序和用于形成螺旋状筋的拉拔工序。
(2)在上述(1)的内表面带筋钢管的制造方法的基础上，优选在用于形成螺旋状筋的拉拔工序中，沿与高硬度区域平行或大致平行的方向形成螺旋状筋，该高硬度区域是在内表面带筋钢管用管坯的弯曲矫正工序中呈螺旋状地形成在管坯内表面上的。
(3)在上述(1)的内表面带筋钢管的制造方法的基础上，优选在使用无缝钢管为内表面带筋钢管用管坯的情况下，在进行用于形成螺旋状筋的拉拔工序之前对作为管坯的无缝钢管至少进行1次用于将沿管轴线方向看的截面矫正成大致正圆形的拉拔加工。
(4)一种内表面带筋钢管，其特征在于，该内表面带筋钢管沿与高硬度区域平行或大致平行的方向形成上述螺旋状筋，其中，该高硬度区域是在内表面带筋钢管用管坯的弯曲矫正工序中呈螺旋状地形成的。优选在使用无缝钢管为管坯的情况下，采用如下的制造方法制造该内表面带筋钢管，该制造方法具有在进行管坯的弯曲矫正工序之前至少进行1次的用于将管坯的沿管轴线方向看的截面精加工成圆形的拉拔加工工序。
本发明所规定的“高硬度区域”是指，以采用矫正辊方式为前提、通过在矫正辊之间对管坯施加直径方向的压缩应力即滚压(crush)负荷，而在管坯内表面上形成的被加工硬化了的区域，该区域缺乏延展性以及韧性，是容易发生断裂的难加工性区域。
采用本发明的内表面带筋钢管的制造方法，在进行用于形成螺旋状筋的拉拔加工之前对管坯进行弯曲矫正，且将相应的螺旋状筋的形成方向调整到最佳，此外还依据所使用的管坯种类适当设定拉拔程序，从而能够在进行用于形成螺旋状筋的拉拔加工时抑制发生故障，由此能够稳定地形成螺旋状筋。这样获得的内表面带筋钢管具有优异的成形性和品质。
附图说明
图1是概略说明利用拉拔加工制造内表面带筋钢管的方法的图。
图2是表示能够应用在本发明的内表面带筋钢管的制造方法中的工序例的图。
图3是表示斜轧辊式矫正机的辊的排列方式的一例的图。
图4是说明对置配置的辊式矫正机所施加的滚压负荷的图。
图5是表示在弯曲矫正工序中形成的螺旋状的高硬度区域与形成管坯内表面上的螺旋状筋的方向的关系的图，(a)表示螺旋状的高硬度区域与形成管坯内表面上的螺旋状筋的方向为正交关系的情况，(b)表示螺旋状的高硬度区域与形成管坯内表面上的螺旋状筋的方向为平行关系的情况。
具体实施方式
图2是表示能够应用在本发明的内表面带筋钢管的制造方法中的工序例的图。本发明的内表面带筋钢管的对象钢种是碳钢以及Cr系低合金钢(例如STBA22、1Cr-1/2Mo钢)，且能够应用无缝钢管以及电焊钢管为管坯。
通常，由于芯棒式无缝管轧(mandrel mill)制造法具有优异的生产效率所以采用该方法以热轧方式制造无缝钢管，另外，为了防止电焊钢管的焊接部发生氧化、谋求焊道的稳定化，而采用惰性气体保护焊、引入了焊接输入量自动控制技术的电阻焊法来制造电焊钢管。
在管坯的制造阶段中，依据管坯的钢种、制造条件决定是否需要进行管坯软化处理。然后，在对内表面带筋钢管用管坯实施了管坯软化处理之后，利用酸洗进行去氧化皮(descaling)、或者不对内表面带筋钢管用管坯实施管坯软化处理而是直接利用酸洗进行去氧化皮，从而去除管坯的内外表面上的氧化皮(scale)，实施润滑处理。
通常在本发明的对象钢种的管坯中，在去氧化皮操作中使用硫酸洗，在润滑处理中进行磷酸盐处理(磷酸锌等)的化学转化处理。作为酸洗、润滑处理的具体步骤，在去氧化皮操作之后，使用碱性脱脂剂清洗管坯的内外表面，然后将冲洗后的管坯浸渍在磷酸盐处理浴中，从而在内外表面上形成磷酸盐的基底。之后进行中和处理，在进行了以硬脂酸钠为主要成分的皂化之后，利用热风对管坯进行干燥处理。在上述步骤中，为了促进处理效果，在加热状态下进行润滑处理。
用于形成螺旋状筋的拉拔加工(以下有时称作“筋形成拉拔加工”)如上述图1所示，将顶头插入管坯内表面中然后在顶头能旋转的状态下拉拔该管坯，从而管坯的外表面在模的作用下缩径，在管坯内周面上形成螺旋状筋。
如图2中的工序例所示，利用拉拔加工形成了螺旋状筋的钢管经过最终热处理以及精整处理、在检查工序中被确认筋的高度、筋的形状等品质，之后形成为内表面带筋钢管产品。
本发明的内表面带筋钢管的制造方法的特征在于，在进行用于形成螺旋状筋的拉拔加工之前对管坯实施弯曲矫正。即、通过在拉拔加工之前对管坯进行弯曲矫正，能够减少拉拔加工故障，从而能够稳定地形成螺旋状筋。
用于对管坯进行弯曲矫正的辊式矫正机一般采用组合多个鼓形辊而成的斜轧辊式矫正机。斜轧辊式矫正机根据辊的个数、排列方式(上下、左右方向)以及配置方式(对置式、交错式)的不同组合而存在多种结构，使用对置配置的辊式矫正机对管坯进行弯曲矫正。
图3是表示斜轧辊式矫正机的辊的排列方式的一例的图。辊式矫正机具有多对矫正辊Ra、Rb，该矫正辊Ra、Rb以旋转轴的方向彼此交叉的状态在上下方向上对置配置，在图示的辊的排列中，将由入侧矫正辊、中央矫正辊和出侧矫正辊构成的3对矫正辊Ra1和Rb1、Ra2和Rb2、Ra3和Rb3对置配置，在出侧矫正辊的出口处设有辅助辊Rc。通常，将具有上述那样的辊的排列方式的辊式矫正机称作(2-2-2-1)式矫正机。
能够分别单独调整上述1对矫正辊Ra1、Rb1的对置间隔以及交叉角度。此外，也能分别单独调整与1对矫正辊Ra1、Rb1相邻的1对矫正辊Ra2、Rb2的在高度方向上的位置。
在进行弯曲矫正时，调整辊的角度，以使管坯3的表面沿着矫正辊的表面，且将矫正辊Ra1、Rb1的对置间隔设定为比管坯3的外径稍小，从而通过对管坯3施加滚压负荷并调整与矫正辊Ra1、Rb1相邻的1对矫正辊Ra2、Rb2的高度位置(滚压高度)，来矫正管坯3的弯曲。
通过在进行用于形成筋的拉拔加工之前对管坯进行弯曲矫正，首先在拉拔加工的准备阶段即当在管坯中装入顶头以及芯棒时，由于管坯是笔直的管，所以能够确保在管坯内表面与顶头之间、以及该内表面与芯棒之间存在间隙，从而能够抑制在内表面上附着的润滑剂发生剥离、出现擦碰磨损缺陷，由此减少拉拔加工故障，能够稳定地形成螺旋状筋。
如果对弯曲的管坯进行拉拔加工，则会对管坯的局部作用过大的应力。即、由于作用在弯曲部分的内侧的应力比作用在弯曲部分的外侧的应力大，因此会出现弯曲部分的内侧的壁厚比该部分的外侧的壁厚薄的那样的厚度不均现象。因而，通过在拉拔加工之前对管坯进行弯曲矫正，能够减少拉拔加工故障，改善所形成的螺旋状筋的品质特性、尺寸特性。
本发明的内表面带筋钢管的制造方法的特征在于，沿与高硬度区域平行或大致平行的方向形成上述螺旋状筋，其中，该高硬度区域是在上述弯曲矫正工序中呈螺旋状地形成的。如上所述，在管坯的弯曲矫正工序中使用的是对置配置的辊式矫正机，此时对管坯施加滚压负荷从而矫正管坯的弯曲。通过对管坯施加滚压负荷，能够遍布矫正后的管坯的整个长度地呈螺旋状(spiral)地形成高硬度区域。
图4是说明对置配置的辊式矫正机所施加的滚压负荷的图。利用辊式矫正处理将管坯3形成为椭圆形状的管坯3c。遍布一边旋转一边移动的管坯3的整个长度地施加滚压负荷，因此能够一边形成螺旋状(spiral)的高硬度区域一边矫正管坯的弯曲。
图5是表示在弯曲矫正工序中形成的螺旋状的高硬度区域与形成管坯内表面上的螺旋状筋的方向之间的关系的图，(a)表示螺旋状的高硬度区域与形成管坯内表面上的螺旋状筋的方向为正交关系的情况，(b)表示螺旋状的高硬度区域与形成管坯内表面上的螺旋状筋的方向为平行关系的情况。在图5中，空心箭头表示拉拔方向。
在利用拉拔加工形成螺旋状筋的情况下，筋部3a处的加工的加工度最高。另一方面，如图5的(a)、(b)中箭头L所示，在与高硬度区域5正交地跨过该高硬度区域5的方向上，延展性以及韧性明显下降，从而随着拉拔加工的进行，管坯容易断裂。
因此，如图5的(a)所示，在高硬度区域5与形成管坯内表面上的螺旋状筋3a的方向为正交关系的情况下，由于沿延展性以及韧性下降了的方向施加有加工应力，因此管坯容易随着拉拔加工的进行而断裂。
另一方面，如图5的(b)所示，在高硬度区域5与形成管坯内表面上的螺旋状筋3a的方向为平行关系的情况下，能够避免沿延展性以及韧性下降了的方向施加加工应力，因此即使进行拉拔加工也不会使管坯发生断裂地能够稳定地形成螺旋状筋。
在本发明中规定“与高硬度区域平行或大致平行的方向”，并非要避免高硬度区域5与形成在管坯内表面上的螺旋状筋3a相交，而是至少避免如图5的(a)所示那样的使高硬度区域5的方向与形成管坯内表面上的螺旋状筋3a的方向正交的情况，从而不会沿延展性以及韧性下降了的方向施加加工应力。
本发明的内表面带筋钢管的制造方法在使用无缝钢管为管坯的情况下，在利用拉拔加工形成螺旋状筋之前，必须实施至少1次的圆形拉拔精加工。该“圆形拉拔精加工”并非是只使用模进行的包含所谓的无芯棒拉管加工的加工，而是使用模以及顶头进行的拉拔加工。
如上所述，采用芯棒式无缝管轧制造法利用热轧方式来制造内表面带筋钢管用管坯所用的无缝钢管。通常，在芯棒式无缝管轧制造法中，在进行了穿孔轧制之后利用芯棒式无缝管轧机进行拉伸轧制，然后利用拉伸缩径轧机(stretch reducer)等进行定径轧制。在该定径轧制操作中，利用轧辊轧制管坯，但由于并未使用用于限定管的内表面的工具，所以容易沿管的内表面的长度方向产生纵条纹状的折痕、棱角。
因而，通过对管坯实施至少1次的圆形拉拔精加工，能够改善内表面的折痕深度、棱角，从而能够减少在进行用于形成螺旋状筋的拉拔加工时的故障，由此能够稳定地形成螺旋状筋。
由于壁厚加工度对利用拉拔加工改善折痕深度、棱角的效果有大的影响，因此优选在圆形拉拔精加工中，确保10％以上的壁厚加工度。以{(管坯壁厚-拉拔加工后的壁厚)/管坯壁厚}×100(％)表示拉拔加工中的壁厚加工度。
由于在对管坯进行圆形拉拔精加工后管坯会产生加工硬化，因此为了消除在用于形成螺旋状筋的拉拔加工中产生的故障，优选对圆形拉拔精加工后的管坯进行热处理，在使该管坯充分软化后进行筋形成拉拔加工。
本发明的内表面带筋钢管利用上述制造方法制得，其特征在于，利用拉拔加工在实施了弯曲矫正后的管坯内表面上沿管轴线方向形成有多条螺旋状筋，而且沿与弯曲矫正工序中呈螺旋状地形成的高硬度区域平行或大致平行的方向形成上述螺旋状筋。
本发明的内表面带筋钢管作为锅炉用钢管具有优异的成形性和品质，因此能够充分应对锅炉的大容量化、高温高压化。
实施例
实施例1
为了确认本发明的内表面带筋钢管的制造方法的效果，使用钢种为JIS STBA22(1Cr-1/2Mo钢)的无缝钢管为管坯，在经过了管坯软化-酸洗、润滑处理-圆形拉拔精加工-软化的工序之后，利用拉拔加工各制造10根具有4条螺旋状筋的本发明例的内表面带筋钢管以及比较例的内表面带筋钢管。
此时的拉拔程序是将管坯尺寸设为外径38.0mm×壁厚8.2mm、将圆形拉拔精加工的尺寸设为外径32.0mm×壁厚7.2mm、最终达到外径28.6mm×壁厚6.0mm×筋深度0.8mm地对管坯进行拉拔加工。本发明例和比较例的酸洗、润滑处理均进行的是硫酸洗，且都在管坯上形成了磷酸锌保护膜以及进行了硬脂酸钠皂化。
在本发明例1中，在进行了圆形拉拔精加工后，使用对置配置的辊式矫正机进行弯曲矫正，然后利用拉拔加工形成螺旋状筋。在此时的拉拔加工中，所有管坯均未发生划伤。
在比较例1中，在进行了圆形拉拔精加工后不进行弯曲矫正，而直接利用拉拔加工形成了螺旋状筋，在管坯上经常发生划伤。即使在没有发生划伤的情况下，管坯的厚度也明显不均。
实施例2
以与实施例1相同的条件利用拉拔加工制造具有4条螺旋状筋的内表面带筋钢管。
在本发明例2中，在进行了圆形拉拔精加工后，使用对置配置的辊式矫正机进行弯曲矫正，如上述图5的(b)所示，利用拉拔加工沿与在该弯曲矫正工序中呈螺旋状地形成的高硬度区域平行的方向形成螺旋状筋。在此时的拉拔加工中，所有管坯均未发生划伤。
在比较例2中，在进行了圆形拉拔精加工后使用对置配置的辊式矫正机进行弯曲矫正，如上述图5的(a)所示，利用拉拔加工沿与在该弯曲矫正工序中呈螺旋状地形成的高硬度区域正交的方向形成螺旋状筋。此时，在与高硬度区域正交的部位上经常发生划伤，而且有时在筋部产生裂纹。
实施例3
为了比较本发明的内表面带筋钢管的制造方法中的拉拔程序，使用钢种为JIS STBA22(1Cr-1/2Mo钢)的电焊钢管和无缝钢管为管坯，按照制造工序各制造10根利用拉拔加工形成4条螺旋状筋的内表面带筋钢管。
此时的拉拔程序将管坯尺寸设为外径38.0mm×壁厚7.2mm，不进行圆形拉拔精加工而直接制造利用拉拔加工形成4条螺旋状筋的内表面带筋钢管。本实施例的其他条件与实施例1相同。
在本发明例3中，使用电焊钢管为管坯，不进行圆形拉拔精加工，而直接利用拉拔加工形成了螺旋状筋。在此时的拉拔加工中，所有管坯均未发生划伤。
在比较例3中，使用无缝钢管为管坯，不进行圆形拉拔精加工，而直接利用拉拔加工形成了螺旋状筋。在此时的拉拔加工中，由于管坯产生竖条状的折痕、棱角，所以导致经常发生划伤。
实施例4
为了确认本发明的内表面带筋钢管的制造方法中的处理工序以及加工条件对拉拔加工中的划伤发生状况的影响，使用钢种为JIS STBA22(1Cr-1/2Mo钢)的无缝钢管为管坯，利用拉拔加工形成了4条螺旋状筋。通过进行或不进行圆形拉拔精加工以及进行或不进行弯曲矫正来确认处理工序的影响，通过改变螺旋状筋的形成方向以及深度来确认加工条件的影响。
此时的拉拔加工(试验编号1～6)作为酸洗、润滑处理进行了硫酸洗、在管坯上形成了磷酸锌保护膜以及进行了硬脂酸钠皂洗，将精加工尺寸改成外径28.6mm、将筋的深度改成0.6mm、0.8mm以及1.0mm，从而在各条件下制造了5根钢管。其结果如表1所示，在以(发生了划伤的根数/拉拔根数)表示划伤发生状况的情况下，将0/5以及1/5视作良好结果。
表1
Figure GPA00001102448500121
注：螺旋状筋的形成方向表示的是该方向与弯曲矫正所形成的“高硬度区域”之间的关系。
根据表1的结果得知，在使用无缝钢管为管坯的情况下，如试验编号4所示，通过在圆形拉拔精加工之后进行弯曲矫正，然后利用拉拔加工沿与“高硬度区域”平行的方向形成螺旋状筋，无论筋的深度是多少，都能获得良好的划伤产生状况。
另一方面，如试验编号3所示，在不进行圆形拉拔精加工以及弯曲矫正，而直接利用拉拔加工形成螺旋状筋的情况下，无论筋的深度是多少都会发生划伤。
工业实用性
采用本发明的内表面带筋钢管的制造方法，在进行用于形成螺旋状筋的拉拔加工之前对管坯实施弯曲矫正，且将相应的螺旋状筋的形成方向调整到最佳，此外依据所用的管坯适当调整拉拔程序，从而能够减少在进行用于形成螺旋状筋的拉拔加工时的故障，由此能够稳定地形成螺旋状筋。
所获得的内表面带筋钢管作为锅炉用钢管具有优异的成形性和品质，因此能够充分应对锅炉的大容量化、高温高压化，从而能够广泛应用该钢管。

Claims (5)

1.一种内表面带筋钢管的制造方法，该内表面带筋钢管沿管轴线方向形成有多条螺旋状筋，其特征在于，
该方法包括内表面带筋钢管用管坯的弯曲矫正工序和用于形成上述螺旋状筋的拉拔工序。
2.根据权利要求1所述的内表面带筋钢管的制造方法，其特征在于，
在用于形成螺旋状筋的拉拔工序中，沿与高硬度区域平行或大致平行的方向形成螺旋状筋，该高硬度区域是在内表面带筋钢管的弯曲矫正工序中呈螺旋状地形成在该管坯内表面上的。
3.根据权利要求1或2所述的内表面带筋钢管的制造方法，其特征在于，
该方法包含用于制造用作内表面带筋钢管用管坯的无缝钢管的工序，且包含在进行用于形成螺旋状筋的拉拔工序之前为了将制得的上述无缝钢管的沿管轴线方向看的截面矫正成大致正圆形而进行的至少1次的拉拔加工。
4.一种内表面带筋钢管，其在管的内表面上沿管轴线方向形成有多条螺旋状筋，其特征在于，
该内表面带筋钢管沿与高硬度区域平行或大致平行的方向形成螺旋状筋，其中，该高硬度区域是在作为内表面带筋钢管的制造工序之一的内表面带筋钢管用管坯的弯曲矫正工序中呈螺旋状地形成的。
5.根据权利要求4所述的内表面带筋钢管，其特征在于，
上述内表面带筋钢管用管坯是无缝钢管，利用如下的制造方法制得，该方法包含在上述内表面带筋钢管用管坯的弯曲矫正工序之前至少进行1次的用于将管坯的沿管轴线方向看的截面精加工成圆形的拉拔加工工序。
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