CN105081005B

CN105081005B - X80钢级dn1400厚壁三通的制造工艺

Info

Publication number: CN105081005B
Application number: CN201410214377.7A
Authority: CN
Inventors: 祭立柱; 韩木杰
Original assignee: HEBEI YUPENG HEAVY INDUSTRY PIPELINE EQUIPMENT MANUFACTURING Co Ltd
Current assignee: HEBEI YUPENG HEAVY INDUSTRY PIPELINE EQUIPMENT MANUFACTURING Co Ltd
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: CN105081005A

Abstract

本发明涉及一种X80钢级DN1400厚壁三通的制造工艺，包括如下步骤：获取钢管母材，探伤检查，鼓包模的有限元设计，热挤压工序，热处理工序，探伤检查工序等步骤。采用该制造工艺能够成功制作高钢级、大口径、高壁厚的三通管件，并且管件强度高、抗冲击韧性高，具有较好的抗低温断裂性能，能够满足天然气输送的实际需要。

Description

X80钢级DN1400厚壁三通的制造工艺

技术领域

本发明涉及一种三通的制造工艺，特别是一种X80钢级DN1400厚壁三通的制造工艺。

背景技术

三通是管道工程建设的关键产品之一，在油气输送中承担着“桥梁”的重要角色，随着近年来国内外管道工程的相继开工，三通需求量急剧增加。我国对低钢级、小口径三通已掌握了成熟的理论基础及稳定的制造工艺，大部分管件生产企业还是以小口径、低钢级三通为主要产品。然而，随着我国油气需求的不断提高，石油天然气管道向高压、高强、大口径方向发展，因此也就需要更高钢级、更大口径的三通管件配合管道工程的建设，国外已有在建的直径为1422mm的管道，因此也必然有与之配套使用的三通管件，然而其制造工艺有待考证，对于我国这样大口径的管道应用还在论证之中，与之配套使用的弯管、三通等管件未有使用的报道。

我国幅员辽阔，能源的运输跨度很大，因此环境相对复杂，比如温度，在我国西部部分气站和配气战场，站场环境极限温度达到－40～－30 ℃，部分站场最低气温可达－45℃。根据管道工艺设计要求，部分站场管件需裸露在寒冷的外部环境下服役，对其材料抗低温断裂性能是一个严峻的挑战。对于小口径管道，满足其抗低温断裂性能相对容易，但是对于大口径、厚壁的管件，本身加工难度大，同时要满足其材料抗低温断裂性能、抗震性能以及其它机械性能，这对生产工艺要求更高，在加工中要严密注意工艺条件对钢材性能的改变，在工艺研究过程中，需要经过尝试、试验，并辅以成品检验来验证工艺的合理性，需要较多的研究力量。

大口径三通常采用焊接、铸造、热挤压成型的方法制作，各有利弊，焊接、铸造方法生产的三通的优点是可以得到形状复杂的三通管件，但是对于焊接方法其焊缝处韧性较低，不能承受大的应力，抗震性能差，不宜在天然气管道上采用，对于铸造方法，晶粒组织粗大，管件机械性能差，也不适应需要承受大压力的天然气管道输送。目前比较热门的三通管件成形方法是热挤压成型，但是热挤压成型工艺较复杂，加工步骤多决定了影响因素也多，欲获得期望的性能，需要综合考虑钢材本身性能、成型模具的选取、热处理工艺的选择等，并需要辅以合适的检验检测手段进行验证，目前并没有成熟的DN1400这么大公称直径的热成型工艺可供参考。

发明内容

本发明的目的是提供一种X80钢级DN1400厚壁三通的制造工艺，采用该制造工艺能够成功制作高钢级、大口径、高壁厚的三通管件，并且管件强度高、抗冲击韧性高，具有较好的抗低温断裂性能，能够满足天然气输送的实际需要。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种X80钢级DN1400厚壁三通的制造工艺，工艺流程主要包括热挤压工序——热处理工序——检查工序。

具体制造步骤如下：

获取钢管母材：钢管母材采用控压控冷技术成型，钢管母材的直径选取为1400mm*(1+15%)，母材的化学成分（以质量百分数计）：C 0.055-0.065； Mn 0.4-1.1；Ni 0.02-0.04；Nb 0.06-0.1；V 0.05-0.09；Mo 0.20-0.25；Ti 0.02-0.03；Cr 0.02-0.04；Si 0.25-0.40；Cu 0.13-0.18；Al 0.03-0.035；以三通目标长度的1.5倍为长度截取钢管母材，并在截取后的钢管母材管端钻孔，作为吊装孔使用；

对钢管母材的直径、壁厚、外观进行检查，不得有裂缝、结疤；执行超声波探伤检查；除去不合格钢管母材；

鼓包模的有限元设计：在热挤压工序中使用鼓包模，鼓包模包括凸模和凹模，采用Pro/E软件的三维造型平台进行比较分析，比较采用不同凹模入口处圆角、以及不同凸模圆角，在挤压出鼓包时圆角附近的变形——金属流动以及壁厚变化情况，最终设计凹模入口处圆角半径R=358mm，凸模圆角半径R=650mm；

在炉内将钢管母材加热至1300摄氏度，保温20分钟，然后将加热后的钢管母材放在压力机上将钢管母材压扁成椭圆形，控制钢管母材的上压面一侧出现平面，且仅上压面一侧出现平面；

回炉：将经上述处理的钢管母材回炉加热至1300摄氏度，保温20分钟；

成型鼓包：在三通液压成型机上生成鼓包，将鼓包模的凸模深入钢管母材管内，凹模置于管外，内、外膜相对在三通液压成型机的压力作用下在钢管所述上压面一侧形成鼓包；

成型鼓包步骤共执行三次，每次执行后回炉加热至1300摄氏度，保温20分钟；

在鼓包中心钻椭圆形孔，椭圆形孔的长轴平行于钢管轴线，椭圆形孔的尺寸为长轴=1250mm，短轴=1000mm，至此已形成三通的支管雏形；

对支管进行冲压、拉伸，对三通进行整形处理，温度控制在1300摄氏度，完毕后水冷冷却；

切割三通的三个管端，包括切除吊装孔，并对切割后的毛边进行整形处理；

热处理：在程控燃油热处理炉内进行正火，正火温度1100-1200摄氏度，保温2小时，冷却方式为空冷；正火冷却到200摄氏度以下保持1小时，使马氏体充分转变后进行回火处理，回火温度为800摄氏度，保温2小时，冷却方式为空冷；

对热处理后的三通进行磁粉探伤检查，并抽取样品进行机械性能试验，机械性能试验包括拉伸试验和静压爆破试验；拉伸试验分别在三通的支管根部、中间部和端部取横向/纵向圆棒拉伸试样，拉伸试样直径为15mm，在MTS810-15材料试验机上测试拉伸性能；静压爆破试验分别在-10摄氏度、20摄氏度、40摄氏度下进行，对经封堵的三通内灌注液压油，注满液压油后，间断性提高压力，记录各压力下三通的应力分布，直至三通爆破。

采用上述工艺后，本发明能够获得高钢级、大口径、高壁厚的三通管件，并且管件强度高、抗冲击韧性高，具有较好的抗低温断裂性能，能够满足天然气输送的实际需要，与现有工艺相比具有以下特点：

首先，X80系列钢材具有高强度、高韧性和良好的耐腐性，但是在热成型过程中会出现一定程度的损失，因此在钢管母材中添加了V、Nb、Mo、Cr、Ti等合金元素，在热成型过程中，V、Nb可与C、Mo等元素形成碳氮化物和碳化物沉淀相，使基体获得更多有利于提高屈服强度的贝氏体金相组织；同时考虑大口径、厚壁管材热成型加工的难度，对韧性要求高，因此选取较低碳含量的母材；

管材采用控压控冷技术成型，晶粒组织更细小，这样尽管后续热压成型对晶粒组织会造出破坏，但是在可接受范围内；而在钢管母材端部钻吊装孔，方便了钢管母材的移动，同时吊装孔位于管材端部，在后续成型完成后被截掉，不影响管材主体的机械性能；

严格执行母材的探伤检查，降低产品的不合格率；

由于选取合适的凹模、凸模圆角尺寸，三通支管处金属流动速度均匀，壁厚变化小，因此降低了支管、支管与母管连接处的金相组织变化，具有较好的强度和更高的冲击韧性；利用有限元软件进行计算机模拟，节省了试验费用，降低了研发成本，提高了研发速度；

在钢管母材压扁过程中，控制钢管母材的仅一侧出现平面，一侧的平面便于在热压成型过程中内外模的定位，而相对侧不出现平面，减少管材变形对金相组织的破坏；

在鼓包上采用钻孔的开孔方式，而非冲孔，众所周知，冲孔对周围组织的破坏较大，而钻孔对组织的影响范围小，虽然钻孔后孔边缘组织被切断，但经冲压、拉伸、切割，受影响的部分被切割掉，综合起来对金属金相组织的破坏更小；

热处理的工艺条件是经过试验确定的，该工艺条件较好地匹配了大直径、厚壁的三通的制造；并且正火+回火的处理步骤，较好地稳定了管材的力学性能。

对成品进行磁粉探伤检查，并且抽样进行了三通的拉伸试验和静压爆破试验，保证产品合格率。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对X80钢级DN1400厚壁三通的制造工艺作详细说明：

一种X80钢级DN1400厚壁三通的制造工艺，工艺流程主要包括热挤压工序——热处理工序——检查工序，具体制造步骤如下：

首先，X80系列钢材具有高强度、高韧性和良好的耐腐性，但是在热成型过程中会出现一定程度的损失，因此在钢管母材中添加了V、Nb、Mo、Cr、Ti等合金元素，在热成型过程中，V、Nb可与C、Mo等元素形成碳氮化物和碳化物沉淀相，使基体获得更多有利于提高屈服强度的贝氏体金相组织；同时考虑大口径、厚壁管材在热成型加工的难度，对韧性要求高，因此选取较低碳含量的母材；母材的化学成分（以质量百分数计）：C 0.055-0.065； Mn0.4-1.1；Ni 0.02-0.04；Nb 0.06-0.1；V 0.05-0.09；Mo 0.20-0.25；Ti 0.02-0.03；Cr0.02-0.04；Si 0.25-0.40；Cu 0.13-0.18；Al 0.03-0.035；钢管母材采用控压控冷技术成型，钢管母材的直径选取为1400mm*(1+15%)，以三通目标长度的1.5倍为长度截取钢管母材，并在截取后的钢管母材管端钻孔，作为吊装孔使用；管材采用控压控冷技术成型，使得晶粒组织更细小，这样尽管后续热压成型对晶粒组织会造出破坏，但是在可接受范围内；而在钢管母材端部钻吊装孔，方便了钢管母材的移动，同时吊装孔位于管材端部，在后续成型完成后被截掉，不影响管材主体的机械性能；

严格执行母材的探伤检查，降低产品的不合格率，具体为对钢管母材的直径、壁厚、外观进行检查，不得有裂缝、结疤；执行超声波探伤检查；除去不合格钢管母材；

热压成型包括鼓包工序，成型模具结构对鼓包工序的影响主要集中在支管入口圆角处，凹模入口处圆角的大小直接关系到管材材料流入支管的难易程度, 并会对成形力以及鼓包的高度造成较大的影响。采用Pro/E软件的三维造型平台进行比较分析，结合三通管件的结构特点, 比较采用不同凹模入口处圆角、以及不同凸模圆角，在挤压出鼓包时圆角附近的变形——金属流动以及壁厚变化情况，选择凹模入口处圆角分别为半径R180mm、R295mm、R358mm和R400 mm；凸模圆角半径R300mm、R550mm、R650mm和R680mm进行组合分析，综合鼓包处金属流动速度和壁厚变化选择凹模入口处圆角半径R=358mm，凸模圆角半径R=650mm，作为凹模、凸模的尺寸参数。

在炉内将钢管母材加热至1300摄氏度，保温20分钟，然后将加热后的钢管母材放在压力机上将钢管母材压扁成椭圆形，控制钢管母材的上压面一侧出现平面，且仅上压面一侧出现平面；一侧的平面便于在热压成型过程中内外模的定位，而相对侧不出现平面，减少管材变形对金相组织的破坏；

在每次成型鼓包步骤前，优选地，对鼓包模的凸模和凹模进行加热，在凸模和凹模的圆柱体外设置感应加热线圈，利用感应加热使凸模在成型鼓包过程中始终保持在400摄氏度，使凹模在成型鼓包过程中始终保持在200摄氏度，利用凸模、凹模的温差引导钢管母材在成型过程中形成温度梯度变化（钢管母材内侧温度略高于钢管母材外侧），由内向外温度的渐变化使得鼓包从内向外渐形成，变型内侧快于外侧，有利于鼓包的形成；同时，模具的加热降低了模具与钢管母材之间的温差，使成型过程中钢管母材的温度降低减慢，使钢管母材温度保持在成型所需温度以上的时间加长，使得每次成型鼓包步骤可执行更长的时间，有利于加快成型，同时模具与钢管母材之间温差的降低，减弱了钢管母材在成型部位的淬性改变，保留了该部位的韧性。

在鼓包中心钻椭圆形孔，椭圆形孔的长轴平行于钢管轴线，椭圆形孔的尺寸为长轴=1250mm，短轴=1000mm，至此已形成三通的支管雏形；在鼓包上采用钻孔的开孔方式，而非冲孔，众所周知，冲孔对周围组织的破坏较大，而钻孔对组织的影响范围小，虽然钻孔后孔边缘组织被切断，但经冲压、拉伸、切割，受影响的部分被切割掉，综合起来对金属金相组织的破坏更小；

热处理：在程控燃油热处理炉内进行正火，正火温度1100-1200摄氏度，保温2小时，冷却方式为空冷；正火冷却到200摄氏度以下保持1小时，使马氏体充分转变后进行回火处理，回火温度为800摄氏度，保温2小时，冷却方式为空冷；热处理的工艺条件是经过试验确定的，该工艺条件较好地匹配了大直径、厚壁的三通的制造；并且正火+回火的处理步骤，较好地稳定了管材的力学性能。

经上述方案获得的三通经验证综合力学性能得到了显著改善，强度和韧性得到了显著提高，并具有较好的抗低温断裂性能，可用于高压长距离油气输送管道，其中：在常温下测试，支管根部抗拉强度均>750Mpa，屈服强度>600Mpa，夏比冲击功（-20摄氏度）/J>380J。

上述参照实施例的描述是说明性的而不是限定性的，因此在不脱离发明总体构思下的变化和修改，应属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种X80钢级DN1400厚壁三通的制造工艺，其特征在于：工艺流程主要包括热挤压工序——热处理工序——检查工序，具体制造步骤如下：

获取钢管母材：钢管母材采用控压控冷技术成型，钢管母材的直径选取为1400mm*(1+15％)，母材的化学成分(以质量百分数计)：C 0.055-0.065；Mn 0.4-1.1；Ni 0.02-0.04；Nb0.06-0.1；V 0.05-0.09；Mo 0.20-0.25；Ti 0.02-0.03；Cr 0.02-0.04；Si 0.25-0.40；Cu0.13-0.18；Al 0.03-0.035；以三通目标长度的1.5倍为长度截取钢管母材，并在截取后的钢管母材管端钻孔，作为吊装孔使用；

鼓包模的有限元设计：在热挤压工序中使用鼓包模，鼓包模包括凸模和凹模，采用Pro/E软件的三维造型平台进行比较分析，比较采用不同凹模入口处圆角、以及不同凸模圆角，在挤压出鼓包时圆角附近的变形，即金属流动以及壁厚变化情况，最终设计凹模入口处圆角半径R＝358mm，凸模圆角半径R＝650mm；

成型鼓包：在三通液压成型机上生成鼓包，将鼓包模的凸模深入钢管母材管内，凹模置于管外，凸模、凹模相对在三通液压成型机的压力作用下在钢管所述上压面一侧形成鼓包；

在鼓包中心钻椭圆形孔，椭圆形孔的长轴平行于钢管轴线，椭圆形孔的尺寸为长轴＝1250mm，短轴＝1000mm，至此已形成三通的支管雏形；

对热处理后的三通进行磁粉探伤检查，并抽取样品进行机械性能试验，机械性能试验包括拉伸试验和静压爆破试验；拉伸试验分别在三通的支管根部、中间部和端部取横向或纵向圆棒拉伸试样，拉伸试样直径为15mm，在MTS810-15材料试验机上测试拉伸性能；静压爆破试验分别在-10摄氏度、20摄氏度、40摄氏度下进行，对经封堵的三通内灌注液压油，注满液压油后，间断性提高压力，记录各压力下三通的应力分布，直至三通爆破。