CN110404972B

CN110404972B - 一种直径为1422mm的无缝钢管的生产方法

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Publication number: CN110404972B
Application number: CN201910634798.8A
Authority: CN
Inventors: 张怀德; 王如军; 李进; 吕正南; 陈伟; 徐银庚; 庞德禹
Original assignee: Yangzhou Chengde Steel Pipe Co Ltd
Current assignee: Yangzhou Chengde Steel Pipe Co Ltd
Priority date: 2019-07-15
Filing date: 2019-07-15
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2039-07-15
Also published as: CN110404972A

Abstract

一种直径为1422mm的无缝钢管的生产方法，属于金属压延加工技术领域，特别涉及大直径无缝钢管的生产方法。将X80钢实心圆管坯经加热后，再进行穿孔、轧制、控温轧制、定径、淬火、回火、冷却、矫直、定长锯切，取得直径为1422mm的无缝钢管，其产品质量好，生产成本相对较低，能满足天然气管网建设对主管道质量要求高、成本敏感、对产量要求高的特点，并且使用时无须在管线外缠绕对钢管进行加热的电阻丝，可以大大节省该输送管线的运营成本。

Description

一种直径为1422mm的无缝钢管的生产方法

技术领域

本发明属于金属压延加工技术领域，特别涉及大直径无缝钢管的生产方法。

技术背景

X80是高强度管线钢的美国分类型号，其最小屈服值为555 MPa。

随着我国天然气增长需求，管道建设领域内提高管道输送效率，降低能耗，减少投资和运营费用，长距离输送管线向高压、大口径、厚壁发展已成趋势。

例如现有在某些天然气输送管线上使用了大直径直缝焊管，其制造工艺为：采用宽幅X80钢板或钢带，通过UOE成型或螺旋弯曲变形成型的方式卷成钢管的形状，再以焊接的方式把接缝的部位进行焊接成型，生产的钢管是有焊缝的有缝钢管，焊缝部位和焊接热影响区的性能与母材有差异，因此，在-45℃以下的低温环境下焊缝的冲击性能不能满足使用时的要求，为了营造-45℃以上的环境温度，工程中需要在整条管线外采用电阻丝缠绕，通过对电阻丝加热的方法提高管线的表面温度，这种运行方式增加了运行成本及维护管理的难度。而如不采用电阻丝辅助加热的方法，为了提高管线的耐压性，就必须将钢管的壁厚要增加到30mm以上才可以提高管线的耐低温环境，但是，这对于钢板的轧制及钢管的焊接成型留下了难以实现的问题，并且随着管道输送压力的提高，对钢管的耐压性能也进一步提高。

因为无缝钢在形成管线时由于没有纵向直焊缝，只有对接环焊缝，因此其耐爆破止裂性能好，安全性高，因此人们试图采用无缝钢管来替代以上有缝钢管。但是对于输气主干线来说，为提高输送量和安全性，提高用钢等级和设计安全系数，而且1000mm以上直径的无缝管线还是没有解决的难题，对于全球来说也是难题，同时还存在制造成本的因素。

另外，已有的生产大直径无缝钢管工艺有中频扩管法、挤压法、锻造法。

其中，中频扩管法的过程是：将锥形顶头固定在顶杆上，将毛管套在顶杆外面，通过中频感应线圈对毛管的一部分进行加热，当毛管的温度达到工艺要求时，启动工作油缸推动毛管通过扩模实现减壁、扩径，这种方法生产出来的钢管表面容易出现裂纹、管体开裂、壁厚不均，其内表面存在麻坑、管体发生弯曲变形，另外由于多次局部加热还会引起组织晶粒粗大而导致管体强度下降等质量缺陷。同时，其生产效率低，自动化程度低，不利于大规模高效生产。

挤压法的过程是：模铸钢锭经清理、加热后，采用顶杆和冲模先在钢锭的中心冲孔，然后在中间插入芯棒在挤压机的模具上进行挤压变形，变形完成后切除盲端，其特点是冲孔时由于顶杆细长，容易偏心，导致壁厚严重不均；金属在模具的表面滑动，润滑条件差，钢管表面容易划伤，表面质量较差，自动化程度低，成材率低，生产效率低，成本很高，不利于大规模高效生产。并且，该方法只能生产出中厚壁无缝钢管。

锻造法的过程是：模铸钢锭经清理、加热后用顶杆和冲模先在钢锭的中心冲孔，切掉低端的盲端后中间插入芯棒在锻造机上进行逐步的扩孔锻造，将锻造后的荒管经过内镗外扒的机械加工方法成型，此方法由于锻造的时间长，要经过多次反复加热和锻造，锻造后的毛管尺寸精度较差不能满足成品钢管的要求，必须用机械加工的方式对内外表面进行加工才能达到成品钢管的要求，其缺陷还有自动化程度低，成材率极低，生产效率极低，成本极高，不利于大规模高效生产。并且，该方法也只能生产出中厚壁无缝钢管。

可见，以上已有的生产大直径无缝钢管工艺都分别存在各自的缺陷。综合来讲，都不能满足迫切需要的高效、低耗、高质生产要求。

发明内容

为了克服现有生产技术效率低或成本高或质量差的缺点，本发明的目的在于提出一种直径为1422mm的无缝钢管的生产方法。

本发明技术方案为：将实心圆管坯经加热后，再进行穿孔，取得毛管，再将毛管经轧制、控温轧制，取得荒管，将荒管经定径后，再经淬火、回火、冷却后矫直、定长锯切。

其中，本发明采用的实心圆管坯为X80钢，是自X80钢连铸材料上取下的一段材料，目的是使制成的无缝钢管的材料性能符合X80钢要求。

所述加热时升温速度为80℃/h，直至管坯的温度达到1280℃后再保温420 min。如果加热升温速度过快，由于传热效率的影响，管坯的内外表面会形成较大的温度应力，从而造成管坯的加热过程中开裂，对产品的质量造成影响，所以加热时升温速度设计为80℃/h。如果管坯的温度高于1280℃，则容易造成管坯的过烧，造成晶间脱碳，过低有会降低管坯的高温轧制塑性，使轧制力大幅上升，造成设备损坏；如果保温时间过低会造成管坯的内外表面温度不均，造成钢管的壁厚不均，故设计保温时间在420min。

所述轧制为斜轧轧制；斜轧轧制可以是管坯金属在纵向和横向都产生变形，对钢管保持较好的组织性能有利，金属的各向异性相比纵轧工艺要好。

所述控温轧制是在毛管的温度为820±5℃的条件下进行均壁轧制。可使钢管的晶粒度达到7级以上，以达到提高强度的效果。如果轧制时的温度太高，则不能起到细化晶粒的作用，钢管的性能就很难达到使用设计的要求。

所述淬火为在线淬火，淬火出炉温度为980℃±14℃，冷却速度大于300℃/min。在线是指钢管在生产过程中不间断的经过各个工序，它能大幅的提高生产效率，降低成本，加速物料的流转速度，缩短生产周期。淬火的出炉温度过低则不能完全奥氏体话，达不到淬火的效果，如果温度过高又会使奥氏体过度长大，晶粒粗大后淬火的晶粒过大，性能达不到要求，故设计在980℃±14℃。

所述回火为在线回火，回火温度为630℃±14℃，保温时间大于45min。回火的出炉温度过低则强度会超标，钢管的塑性下降，冲击性能达不到标准的要求，如果回火温度过高又会降低强度，钢管的机械性能达不到要求。故设计在630℃±14℃。

本发明把实心圆管坯经过加热提高管坯的温度，以利于后续加工，经穿孔制成毛管，再对毛管进行减壁、扩径轧制，制成荒管；对荒管实现控温下的均壁、强化轧制，以提高钢管的壁厚精度同时细化晶粒，从而提高钢管的机械强度；对钢管进行定径，以提高钢管的外径尺寸精度；对钢管进行在线淬火和在线回火，以提升钢管的综合机械性能，利用冷床对钢管冷却，然后再经矫直、定长锯切。

本发明通过以上工艺步骤制造出了直径为1422mm的无缝钢管，其产品质量好，生产成本相对较低，能满足天然气管网建设对主管道质量要求高、成本敏感、对产量要求高的特点。生产组织灵活，生产效率高，可以实现大规模自动化生产，特别适合大规模天然气管网的建设需要。使用时无须在管线外缠绕对钢管进行加热的电阻丝，可以大大降低该输送管线的运营成本和维护成本。

进一步地，本发明所述实心圆管坯的直径为900mm。如果管坯的直径过小，则生产出来的毛管的外径就会过小，达不到成品钢管外径1422mm的要求，如果管坯直径过大，一方面会增加管坯的制造难度和成本，另一方面，在穿孔、斜轧、均整控轧后钢管的外径又会过大，不能满足定径前毛管的外径要求，故本发明优选900mm直径的管坯作为原料。

穿孔用的轧辊形状为锥形，穿孔后取得的毛管的外径为1000mm，壁厚为85mm。

选用锥形的轧辊进行穿孔便于金属变形流动，更适合用直径相对较小坯料生产大直径薄壁无缝钢管。

穿孔机在穿孔过程中，比较好的孔型参数是：扩径率在12%左右，穿孔的延伸率在3.3左右，这样穿孔出来的毛管质量最好，所以按此孔型参数设计，穿孔后毛管的外径为1000mm，壁厚为85mm。

轧制用的轧辊形状为锥形，轧制后取得的毛管外径为1360 mm，壁厚为45mm。

选用锥形的轧辊进行轧辊便于金属变形流动，更适合用直径相对较小坯料生产大直径薄壁无缝钢管。

斜轧机在轧管过程中，比较好的孔型参数是：扩径率在35%左右，穿孔的延伸率在1.3左右，这样轧出来的毛管质量最好，所以按此孔型参数设计，斜轧后毛管的外径为1360mm，壁厚为45mm。

控温轧制后取得的荒管的外径为1480mm，壁厚为41mm。均整控轧过程中，比较好的孔型参数是：扩径率在9%左右，减壁量在4mm左右，这样轧出来的毛管质量最好，所以按此孔型参数设计，斜轧后毛管的外径为1480mm，壁厚为41mm。

众所周知，经过定径可以提高无缝钢管的外径尺寸精度。本发明目标产品的外径是1422mm，壁厚41.5mm，这是钢管冷态下的要求，由于钢管是金属产品，热胀冷缩的系数较大，经过冷缩计算，要得到1422mm的冷态尺寸，则在850℃的热太钢管外径须为1432mm，壁厚从热态冷却到冷态，变形量比较小，可以忽略不计。

本发明定径是将控温轧制后的荒管依次通过第一组至第五组（共五组定径机）进行减径处理。定径过程中，如果单次减径率太大，则每一组定径机的轧制力矩就会增大，则不利于钢管组织结构的保持，也不利于产品质量的保障。因此，比较好的孔型变化参数是：累计减径率在5%左右，累计壁厚增加量在0.5mm左右，这样定径出来的毛管质量最好。按此孔型变化设计每一组定径机的工作参数：

第一组定径机的轧制力矩为655.16 kN.m，延伸系数为1.0011，长半径为749.79mm，短半径为727.248mm，椭圆度为1.031；经过第一组定径机处理后钢管的孔型平均直径为1477.04mm，减径率为0.2%。

第二组定径机的轧制力矩为823.11kN.m，延伸系数为1.0066，长半径为742.56mm，短半径为716.756mm，椭圆度为1.036；经过第二组定径机处理后钢管的孔型平均直径为1459.33mm，减径率为1.2%。

第三组定径机的轧制力矩为805.2kN.m，延伸系数为1.0055，长半径为735.13mm，短半径为709.59mm，椭圆度为1.036；经过第三组定径机处理后钢管的孔型平均直径为1444.72mm，减径率为1%。

第四组定径机的轧制力矩为668.76kN.m，延伸系数为1.0044，长半径为723.68mm，短半径为709.49mm，椭圆度为1.02；经过第四组定径机处理后钢管的孔型平均直径为1433.17mm，减径率为0.8%。

第五组定径机的轧制力矩为317.87kN.m，延伸系数为1.0005，长半径为715.87mm，短半径为715.87mm，椭圆度为1。经过第五组定径机处理后钢管的孔型平均直径为1431.731mm，减径率为0.1%。

经过以上五组定径机减径处理后，钢管热态下的外径为1432mm，壁厚为41.5mm。

冷却为采用链式冷床对钢管进行旋转冷却。由于钢管属于大直径薄壁钢管，在高温状态下容易变扁失圆，所以冷却过程中设计旋转的冷却方式，可以防止钢管失圆变形。采用旋转冷却的方法，确保钢管圆周方向温度均匀，钢管周向及轴向温度均匀降低，直到全部冷却，钢管的直线度高，不弯曲。温度均匀冷却，钢管的组织结构和物理性能稳定。

矫直后钢管的直线度≤1.5mm/m。钢管的直线度越高越好，这个参数是由矫直机制造时确定的，在钢管相关标准里要求钢管的直线度≤3mm/m，而本发明达到的直线度则大大高于标准要求，这有利于在将相邻的钢管焊接成管线中的应用。

进一步地，所述X80钢的化学成分及重量百分比为C：0.08～0.12%、Si：0.17～0.25%、Mn：1.45～1.55%、P：≤0.010%、S：≤0.005%、Cr：0～0.15%、Ni：0.18～0.22%、Cu：0.16～0.20%、V：0～0.03%、Ti：0.005～0.020%，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明改变了传统的钢管通过加入合金成分如Cr、Mo、V、Nb等贵重稀有金属来提高合金材料的强度的方法，该X80钢实心圆管坯采用较低的碳含量，通过加入微量的Ni等合金元素来提高低温冲击韧性，采用氧化物冶金法可显著提高合金材料的强度和低温韧性，以利于后续的无缝钢管的生产加工工艺。

C是铁水成为钢的必要元素，易与微合金元素形成M₂₃C₆复合碳化物，达到钢的析出强化和固溶强化目的；但是，如果C含量增加，对于管线钢的焊接性能恶化有明显作用，为保证现场焊接性能的碳当量和考虑连铸大圆坯的偏析问题，所以控制C质量分数在0.08～0.12%。

P和S一般在钢中是有害元素，增加钢的冷脆性，降低韧性，并且对焊接性能和耐蚀性能也不利，所以考虑尽可能控制P、S含量。但一味降低P、S含量，钢铁的冶炼成本会大幅增加，从性价比考虑，故设置P含量≤0.010%，S含量≤0.005%。更进一步地，P和S合计含量≤0.012%。

由于X80使用是压缩天然气，该天然气不可避免含水、H₂S等易引起腐蚀和氢致开裂的腐蚀性气体，加入Cu可以提高合金钢的强度和耐腐蚀性，Ni可以提高低温韧性，在碳当量CE计算公式中 (Cu+Ni)/15，当量相较于其他合金元素，对碳当量影响最小，故同时加入Cu、Ni在提高X80管线钢提高厚壁管线强度、耐腐蚀性、低温韧性和淬透性的同时，不影响现场焊接性能。故，本发明优选的Cu 质量分数在0.16～0.20％。

Ti是本X80钢的最为关键元素，在硅钛合金包芯线加入过程中，Ti元素与钢水中可以保持的30～80ppm游离氧快速发生氧化反应，形成圆形或椭圆形的TiO₂，而取代方形或菱形的尖锐的TiN，这样的氧化物在浇铸过程中钉扎在晶界处，在高温下能够有效钉扎和阻止奥氏体晶粒长大，改变奥氏体的固相转变行为，在后续的冷却相变过程中，能够诱导生成具有大角度晶粒取向的细密状针状铁素体或多位向贝氏体组织，因此可以同时提高钢材的强度、韧性和焊接性能，因此成品的Ti含量控制在0.005～0.020%。

附图说明

图1为X80钢连铸圆管坯的夹杂物形貌和尺寸的500倍显微放大图。

图2为外径为1422mm、厚度为41.5mm的无缝X80钢管的500倍显微组织放大图。

具体实施方式

一、X80合金精炼水的准备：

1、采用80 wt %转炉铁水和20 wt %废钢进行电炉冶炼，向混合钢水中加入硅铁合金、硅锰合金，以及石灰和碳粉组成的泡沫渣料，保持炉渣的碱度为2～3，取得120吨粗钢水，并且粗钢水中P含量不超过0.006%。

2、精炼炉中，将粗钢水的温度升至1680～1700℃，或者以200～400L/min的搅拌速度将氩气通入粗钢水中，加大粗钢水的溶氧量，取得氧含量为30～80ppm的钢水。

3、采用硅钛氧化物冶金法，将硅钛合金包芯线加入到氧含量为30～80ppm的钢水。

以上合金包芯线的直径为13±1mm ，喂料速度为200～300m/min。可保证1分钟内包芯线投料完成，快速与钢水中的游离氧完成反应，而不形成其他氧化夹杂物。

另外，氧化物冶金过程中若发现钢水中氧含量低于25ppm时，可提高钢水温度到1680～1700℃或加大氩气搅拌速度至200～400L/min，将氧含量调整保持在30～80ppm范围内。

4、在步骤3的合金包芯线加完后，以氩气搅拌5分钟后，按正常钢包精炼炉（LF炉）造渣、脱硫，然后调整C、S成分至目标值，再调整Si、Ti成分至目标值，取得精炼后的钢水。

调整C的具体方法有两种：一种是：若C含量低于0.08%，则加入碳化硅和铝豆进行扩散脱氧，使钢水中C含量达到0.08%。另一种是：若C含量高于0.10%，则加入硅铁粉和铝豆进行扩散脱氧，使钢水中C含量降低到0.08%。

调整S的具体方法也有两种：一种是：加入碳化硅和铝豆进行扩散脱氧，同时喂入Al线沉淀脱氧，使钢水中S含量为0.003%。另一种是：加入硅铁粉和铝豆进行扩散脱氧，同时喂入Al线沉淀脱氧，使钢水中S含量为0.003%。

调整Si的具体方法：加入硅铁粉，使钢水中Si含量达到0.21%。

调整Ti的具体方法：加入钛铁粉，使钢水中Ti含量达到0.015%。

5、取以上精炼后的钢水进行成份分析，各元素含量如表1所示。

表1化学成分表（单位： wt%）

从以上元素的含量可见，钢水成份符合X80钢标准要求。

二、外径为φ900mm的连铸圆管坯生产工艺：

将以上精炼后的钢水浇铸成实心的外径为φ900mm的连铸圆管坯。

其中连铸过程控制电磁搅拌，拉速在0.15米/分钟。

对连铸圆管坯料的夹杂物形貌和尺寸控制情况采用ASTM E45-2013《钢中夹杂物含量的测定—标准检验法》和GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定--标准评级图显微检验法》进行检验。

图1反映出连铸圆管坯料的夹杂物形貌和尺寸控制情况。夹杂物形貌控制为圆形或椭圆形，最大直径为9.64µm，最小直径为0.1µm，均匀弥散分布，分布数量500～10000个/mm²。

另外，在连铸圆管坯的氧含量为30～80ppm。

管坯每米弯曲度≤6mm，总弯曲度不大于总长度的0.6%。

三、1422mm无缝管线管生产工艺：

1、从连铸圆管坯上下料，取得长度为3700mm的实心圆管坯料。

2、将实心圆管坯料放置在Φ60米中径的环形加热炉中加热，升温速度控制在80℃/h，管坯的最高温度1280℃，保温时间420 min。

3、利用锥形辊穿孔机进行穿孔，取得外径为Φ1000mm，壁厚为85mm，长度为9620mm的毛管。

4、利用二辊斜轧机对穿孔后的毛管进行轧制，轧制后的毛管外径为Φ1360 mm，壁厚为45mm，长度为12650mm。

5、利用均壁控制机对轧制后的毛管进行控温轧制，控温轧制时毛管的温度为820℃，控温轧制后取得荒管。

该荒管的晶粒度达到7级以上，荒管的外径为Φ1480mm，壁厚为41mm，长度为12680mm。

6、利用五组五辊定径机对荒管进行定径。

将第一组定径机、第二组定径机、第三组定径机、第四组定径机和第五组定径机顺序排列，使荒管依次经过以上五组定径机进行减径处理。

经过各组定径机减径处理后的轧制参数及定径结果如下表所示：

第五组为成品组，定径后热态下钢管的外径为1432mm，壁厚为41.5mm，长度为12850mm。

7、利用淬火装置对钢管进行在线淬火，淬火出炉温度为980±14℃，冷却速度大于300℃/min。

8、利用回火装置对钢管进行在线回火，回火温度为630±14℃，保温时间大于45min。

9、利用链式冷床对钢管进行旋转冷却，冷却后钢管的外径为Φ1422mm，壁厚为41.5mm，长度为12850mm。

10、利用矫直机对钢管进行矫直，矫直后钢管的直线度达到1.5mm/m。

11、对钢管的两端进行锯切，使钢管的长度定尺在12000mm。

12、利用无损探伤机对钢管进行探伤，并检测钢管质量。

经检测，无缝钢管的屈服强度580～680MPa，抗拉强度680～800MPa，屈强比≤0.93，夏比V 型-46℃横向全尺寸冲击功≥ 175J，落锤撕裂性能：最小剪切面积≥ 85%，硬度≤280HV10。

另外，从图2的成品无缝钢管的500倍显微组织放大图可见：X80的显微组织为晶粒度粒度8～9级，组织为多边形针状铁素体+多位向贝氏体，晶粒内弥散分布碳化物颗粒。

13、产品喷标、入库。

四、应用：

将取得的无缝钢管试用于低温环境下的天然气长距离、高压力条件下，结果显示可以满足天然气的大输送量、耐低温和安全性的使用需求，并且使用时无须在管线外缠绕对钢管进行加热的电阻丝，可以大大节省该输送管线的运营成本。

五、总结：

本发明利用直径为900mm的X80实心圆管坯，生产出直径为1422mm的无缝钢管，此方法不仅生产的产品尺寸精度高，组织性能优良，而且设备投资少。

Claims

1.一种直径为1422mm的无缝钢管的生产方法，将实心圆管坯经加热后，再进行穿孔，取得毛管，再将毛管经轧制、控温轧制，取得荒管，将荒管经定径后，再经淬火、回火、冷却后矫直、定长锯切，其特征在于：

所述实心圆管坯为X80钢；所述实心圆管坯的直径为900mm；

所述加热时升温速度为80℃/h，直至管坯的温度达到1280℃后再保温420 min；

穿孔用的轧辊形状为锥形，穿孔后取得的毛管的外径为1000mm，壁厚为85mm；

所述轧制为斜轧轧制；轧制用的轧辊形状为锥形，轧制后取得的毛管外径为1360 mm，壁厚为45mm；

所述控温轧制是在毛管的温度为820±5℃的条件下进行均壁轧制；控温轧制后取得的荒管的外径为1480mm，壁厚为41mm；

所述定径是将控温轧制后的荒管依次通过五组定径机进行减径处理；

第一组定径机的轧制力矩为655.16 kN.m，延伸系数为1.0011，长半径为749.79mm，短半径为727.248mm，椭圆度为1.031；

第二组定径机的轧制力矩为823.11kN.m，延伸系数为1.0066，长半径为742.56mm，短半径为716.756mm，椭圆度为1.036；

第三组定径机的轧制力矩为805.2kN.m，延伸系数为1.0055，长半径为735.13mm，短半径为709.59mm，椭圆度为1.036；

第四组定径机的轧制力矩为668.76kN.m，延伸系数为1.0044，长半径为723.68mm，短半径为709.49mm，椭圆度为1.02；

第五组定径机的轧制力矩为317.87kN.m，延伸系数为1.0005，长半径为715.87mm，短半径为715.87mm，椭圆度为1；

定径后钢管的外径为1428mm，壁厚为41.5mm；

所述淬火为在线淬火，淬火出炉温度为980℃±14℃，冷却速度大于300℃/min；

所述回火为在线回火，回火温度为630℃±14℃，保温时间大于45min。

2.根据权利要求1所述直径为1422mm的无缝钢管的生产方法，其特征在于：冷却为采用链式冷床对钢管进行旋转冷却。

3.根据权利要求1或2所述直径为1422mm 的无缝钢管的生产方法，其特征在于：矫直后钢管的直线度≤1.5mm/m。

4.根据权利要求1所述直径为1422mm的无缝钢管的生产方法，其特征在于：所述X80钢的化学成分及重量百分比为C：0.08～0.12%、Si：0.17～0.25%、Mn：1.45～1.55%、P：≤0.010%、S：≤0.005%、Cr：0～0.15%、Ni：0.18～0.22%、Cu：0.16～0.20%、V：0～0.03%、Ti：0.005～0.020%，余量为Fe及不可避免的杂质。