CN113198913B - 高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法 - Google Patents

Abstract

高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法，涉及无缝钢管生产技术领域，针对外径≥500mm、外径/壁厚比≥35的高钢级大口径薄壁无缝钢管，该方法包括以下步骤：（1）采用比预定口径小的芯棒对毛管进行热扩，热扩后依次进行淬火、回火处理，得到比预定口径略小的调质热处理后的母管；（2）在高于应力去除温度且低于回火温度的条件下，采用与预定口径相匹配的芯棒再次对母管进行热扩，得到预定口径的高钢级大口径薄壁无缝钢管。本发明提供的方法具有生产效率高、钢管变形量小且尺寸一致性高的特点。

Description

高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法

技术领域

本发明涉及无缝钢管生产技术领域，尤其指一种高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法。

背景技术

随着热扩钢管在各领域的使用范围逐渐增大，各钢种、牌号也逐渐增多，普通的无缝钢管通过热扩后可得到预定口径的产品，但在生产高钢级的大口径薄壁无缝钢管（例如外径/壁厚的比值达到35以上）时，热扩之后通常还需要进行调质热处理，以保证钢管具备高强度和韧性。然而在大口径薄壁无缝钢管的热处理过程中，钢管被加热至临界温度以上后，常常出现受自身重力因素影响而导致的变形问题，并且在热处理传送过程中也容易因受碰触而产生表面凹陷的缺陷。

为解决上述问题，目前有部分厂家采用在管内设置支撑架的方式来减少钢管筒体变形，应当指出的是，这种方式只能缓解因自身重量因素导致的变形问题，对钢管表面形成的碰撞凹陷还需要在热处理完成后于管内通过千斤顶从内向外顶压进行修复，显然，上述生产方式存在工效低且生产出来的钢管一致性难以保证的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法，该方法具有生产效率高、钢管变形量小且尺寸一致性高的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法，其包括以下步骤：

（1）采用比预定口径小的芯棒对毛管进行热扩，热扩后依次进行淬火、回火处理，得到比预定口径略小的调质热处理后的母管。

（2）在高于应力去除温度且低于回火温度的条件下，采用与预定口径相匹配的芯棒再次对母管进行热扩，得到预定口径的高钢级大口径薄壁无缝钢管。

优选地，所述母管的口径尺寸与预定口径尺寸相差在3%以内。

更优选地，步骤（2）中是在380-420℃的温度条件下对母管再次进行热扩。

更优选地，步骤（2）中是在150~300mm/min的速度条件下对母管再次进行热扩。

其中，所述高钢级大口径薄壁无缝钢管的外径≥500mm、外径/壁厚比≥35。

优选地，在完成步骤（1）并进入步骤（2）之前，先使所述母管经过矫直工序以改善椭圆度。

更优选地，步骤（1）采用第一热扩芯棒完成热扩，步骤（2）采用第二热扩芯棒完成热扩，其中，通过在第一热扩芯棒的外周面堆焊形成扩径段来得到第二热扩芯棒。

另外，本实施例还提供一种高钢级大口径薄壁无缝钢管，所述高钢级大口径薄壁无缝钢管采用上述的高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法制备得到。

其中，所述高钢级大口径薄壁无缝钢管为低碳合金钢管。

优选地，所述高钢级大口径薄壁无缝钢管的抗拉强度大于520MPa、屈服强度大于350 MPa、在室温下的全尺寸的冲击值大于130J。

本发明的有益效果在于：该生产方法通过先将毛管先热扩到比预定口径略小的程度，经过调质热处理之后在高于应力去除温度且低于回火温度的条件下再次进行热扩以达到预定口径的尺寸，从而可使先热扩后因调质热处理所造成的钢管管壁变形和碰凹缺陷在再次热扩时得到极大程度的修复，并使机械性能仍能保持在调质热处理所要求的指标范围。该方法具有生产效率高、钢管变形量小且尺寸一致性高的特点，最终，通过该生产方法制备高钢级大口径薄壁无缝钢管的热变形量处于极低的范围，可实现提高加工精度和质量的目的。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法，本申请的实施例主要针对的是外径≥500mm、外径/壁厚比≥35的高钢级大口径薄壁无缝钢管，该方法具体包括以下步骤：（1）采用比预定口径小的芯棒对毛管进行热扩，热扩后依次进行淬火、回火处理，得到比预定口径略小的调质热处理后的母管；（2）在高于应力去除温度且低于回火温度的条件下，采用与预定口径相匹配的芯棒再次对母管进行热扩，得到预定口径的高钢级大口径薄壁无缝钢管。

采用现有技术中的先热扩后淬火-回火的工艺处理高钢级大口径薄壁无缝钢管，会使钢管由于承受自重受力点使其发生塌陷、变形或在热传送过程中发生碰凹、碰伤等问题，从而影响高钢级大口径薄壁无缝钢管的几何尺寸和表面质量，进而导致其无法满足使用要求。而本申请的实施例所公开的生产方法通过先使毛管的口径尺寸热扩到略小于预定口径尺寸的状态，然后在高于应力去除温度且低于回火温度的条件下再次进行热扩，得到的预定口径的高钢级大口径薄壁无缝钢管可因上述第二次热扩而修复其表面的塌陷、碰凹等问题，以减少热处理变形量，有效提高了高钢级大口径薄壁无缝钢管的加工精度和质量。

相较于现有的通过内支撑架将钢管筒体凹陷位置顶出的低成本解决方案而言，本申请的实施例提供的生产方法虽然使得加工成本在一定程度上提升，但能够轻松并且精准快速地解决钢管塌陷变形及表面凹陷的问题。实际上，本领域的技术人员都知道，高钢级大口径薄壁无缝钢管的造价通常都比较高昂，因此采用这种相对内支撑架方式的成本更高的方法来解决上述问题，在高钢级大口径薄壁无缝钢管本身造价的基础上而言，这些加工成本微不足道，而良好的解决了钢管表面凹陷的问题却是对高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产制造产生了重大的意义，因此对于本领域的技术人员而言，该生产方法在实际生产过程中的实用性是非常好的，两次热扩所产生的成本完全在可接受的范围内。通过该生产方法，可实现对外径/壁厚比≥35的高钢级大口径薄壁无缝钢管进行批量生产。

在本申请的实施例中，母管的口径尺寸与预定口径尺寸相差在3%以内，例如，预定口径尺寸为600mm时，步骤（1）中通过热扩使得到的母管的口径尺寸暂时达到小于600mm的状态，比如可以是585mm，那么在进行步骤（2）中的再次热扩时，便可使母管被热扩到600mm了，在这个过程中，母管上的一些凹陷结构会因为再次扩径的效果而被顶回去，从而修复至更加平缓的程度，减少其变形量。本领域的技术人员应该知道，在再次热扩中实际上对母管的口径尺寸所产生的变化是相对微小的，而且由于大口径的薄壁无缝钢管经过热扩后的尺寸本就会存在一定的公差范围，因此再次热扩后得到的钢管口径尺寸在600mm左右的范围内波动也是可以接受的。

进一步而言，步骤（2）中是在380-420℃的温度条件下对母管再次进行热扩，该温度的选择是基于避免冷扩时产生的内应力从而造成“加工硬化”现象，换句话说，在调质热处理后钢管会获得良好的机械性能指标，而该生产方法在再次热扩时选取高于应力去除温度且低于回火温度条件的目的就是考虑到不对这样的机械性能指标造成影响，以保证钢管最终的加工质量。该生产方法所选取的高于应力去除温度且低于回火温度的条件在本申请的实施例中具体可以是380-420℃的温度条件，当然，本领域的技术人员都应该知道，由于钢管的材质有很多种，因此该温度条件的具体范围大小值，可以根据不同的钢质情况做出具体的调整，只要该范围处于380-420℃之间即可。

需要说明的是，本领域的技术人员应该知道，上述的应力去除温度实际上是正常钢管生产时为消除钢管在冷矫直时产生的应力而采用的去应力退火热处理时所处的温度条件。那么在本生产方法中，通过使母管处于高于去应力退火热处理温度且低于回火温度的条件下进行再次热扩的目的，一方面是为了使母管的自身应力作用保持在正常范围内，同时还能让母管在一定的温度下能够进行更顺利的变形，另一方面是低于回火温度可保持其回火稳定性，以使得最后得到的高钢级大口径薄壁无缝钢管能够保持前序步骤中毛管因调质热处理而获得的良好性能指标。

在具体的生产过程中，可对经过热扩、淬火、回火之后得到的母管直接送入下一道工序上，母管由于前序回火步骤而仍旧具备一定的高温程度，因此进入下一道工序时只需稍微对母管进行降温即可，这在一定程度上又能简化生产流程的难度，并且由于母管从回火工序送出后本身具有一定温度，使得后续步骤（2）能够在一定程度上节约能耗。

另外，热扩的目的是为了得到外径大、壁薄的无缝钢管，热扩的温度和速度会影响大口径薄壁无缝钢管的外径和壁厚均匀性。热扩的速度太快，易导致形成的大口径薄壁无缝钢管的壁厚不均匀，热扩的速度太慢，则又会使得淬火和回火的间隔时间太长，进而导致大口径薄壁无缝钢管的力学性能变差，本申请中的步骤（1）的热扩温度以及速度可以参考现有技术，而为了较好地修复母管管壁上的凹陷问题、减少其变形量，除了限制步骤（2）的再次热扩在380-420℃的温度条件下进行，还可限制该再次热扩的速度为25~50mm/min，以使得钢管的力学性能和壁厚的均匀性得到提高。

作为一种优选的方案，还可在完成步骤（1）并进入步骤（2）之前，先使母管经过矫直工序以改善椭圆度。由于毛管在生产时通常是通过定径机进行外定径的，而本实施步骤（2）中的再次热扩所扩径的尺寸非常小，相当于成了内定径，因此会使壁厚差对直径方向的影响由原来的影响内圆变成了影响外圆，故理论上椭圆度会在一定程度上增大，而由于本生产方法仅是对高钢级大口径薄壁无缝钢管进行再次热扩的，高钢级大口径薄壁无缝钢管的外径允许偏差指标也较大（通常为±1%），同时薄壁意味着壁厚差绝对数据较小，因此这种椭圆度增加的影响仍处于标准允许的范围之内。不过，在做正常的热扩生产工艺设计时，可以先严格控制一下椭圆度，以留有一定空间来满足再次热扩所产生的椭圆度变化，从而使得最终得到的产品尺寸精度更好。那么，本申请的实施例中通过在完成步骤（1）并进入步骤（2）之前，先使母管经过矫直工序（具体可以是旋转矫直的方式），对可能由于自身重量在高温时形成的椭圆度进行改善，然后在进入步骤（2）进行再次热扩，可使得产品的椭圆度变化程度更小。

本领域的技术人员都应该知道，上述的矫直工序实际上是钢管生产领域中常见的加工工序，包括小口径的钢管和大口径的薄壁钢管，业内都有相应的工艺方法对其进行矫直，因此，只要该工序可实现对钢管的矫直处理即可，本领域的技术人员对于如何矫直高钢级大口径薄壁无缝钢管不存在任何技术障碍。

当然，我们在前述内容中已经知道在步骤（1）的回火工序完成后紧接着进入步骤（2）的工序，可简化工艺流程的难度，并节约能耗，但若要在产品的椭圆度上增加精度又不得不在两个步骤之间对钢管进行矫直处理，从而浪费掉母管本身的热量，这里看似存在矛盾，但其实本领域的技术人员可以根据需要进行选择，由于该生产方法致使的钢管椭圆度变化仍处于标准允许的范围之内，因此若厂家的客户能够接受，则可不需要进行额外的矫直处理工作，若厂家的客户在该方面有一定的精度需求，则可在步骤（1）的回火工序之后将母管送至矫直加工生产线上进行矫直，然后再送至步骤（2）中进行再次热扩，这个过程中会产生一定程度的热量损耗，但在客户要求的基础之上，这些损耗实际上仅是相对而言的，属于厂家能够接受的范畴。

值得一提的是，本申请的实施例中的步骤（1）可采用第一热扩芯棒完成热扩，步骤（2）可采用第二热扩芯棒完成热扩，而实际操作中则可通过在第一热扩芯棒的外周面堆焊形成扩径段来得到第二热扩芯棒。这是由于热扩芯棒本身的成本价格很贵，本领域的技术人员都知道，通常钢管处理厂家在购置一根热扩芯棒时要花费达几十万人民币，那么为了实现再次热扩的修复凹陷效果而特意为一种型号的钢管配置两根直径相差很小的热扩芯棒，会产生高昂的费用。因此，本申请的实施例提供了一种解决方案，通过在直径相对较小一点的第一热扩芯棒的外周面的一截长度范围内进行堆焊，形成直径相对大一点的扩径段，用来对母管进行再次热扩，可有效解决额外购置热扩芯棒而产生的高昂花费问题。在实际操作应用中，经过堆焊后，还可通过车床对堆焊部位进行车削加工，以使堆焊结构更加平整，而完成步骤（2）的再次热扩之后，可再利用车削加工将堆焊结构去除掉，从而使第二热扩芯棒又能变回第一热扩芯棒，以再次回到步骤（1）中进行使用。在热扩芯棒上堆焊、车床精加工、车床车除堆焊等操作以及人工、时间方面的总花费远远低于一根热扩芯棒的购置成本价格，属于生产商能够接受的范畴，并且相对于购置两根热扩芯棒而造成的占用空间大的问题，该方式下由于仅需一根热扩芯棒，因而更能够节省空间，因此这种方式是完全可以在实际生产中进行应用的。

另外，本申请的实施例还提供一种高钢级大口径薄壁无缝钢管，其采用上述的高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法制备得到，该高钢级大口径薄壁无缝钢管为低碳合金钢管，进一步，该高钢级大口径薄壁无缝钢管的抗拉强度大于520MPa、屈服强度大于350MPa、在室温下的全尺寸的冲击值大于130J。

上述高钢级大口径薄壁无缝钢管通过本申请的生产方法制备得到，由于严格控制了再次热扩时的温度条件，因此该高钢级大口径薄壁无缝钢管不仅能在修复表面凹陷、减少热处理变形量的基础上提升产品质量，还能保证其抗拉强度、屈服强度以及室温下的全尺寸的冲击值均能满足业内要求。

以下将结合具体实施例、对比例以及试验检测对本申请的有益效果进行说明。

首先，为了保证各实施例以及对比例的对照效果，这里均选择同一种材质的钢管进行试验，该钢管为HG550旋挖钻管，其材质是一种高强度低碳合金钢，表面一般有镀铝锌层，屈服强度和抗拉强度值比较接近，并且应变硬化低。

对比例

采用现有的高钢级大口径薄壁无缝钢管热处理工艺对毛管进行加工，即采用与预定口径相匹配的芯棒对毛管进行热扩，在热扩的过程中，利用传统的内支撑架改善塌陷的方法来减少钢管表面的变形量，然后依次对热扩后的毛管进行淬火、回火处理，直接得到预定口径的高钢级大口径薄壁无缝钢管。

实施例1

采用比预定口径小的芯棒对毛管进行热扩，热扩后依次进行淬火、回火处理，得到比预定口径略小的母管，其中，母管的口径尺寸与预定口径尺寸相差1%，淬火的温度为900℃，回火的温度为650℃；然后在420℃以及150mm/min的速度条件下，采用与预定口径相匹配的芯棒再次对母管进行热扩，得到预定口径的高钢级大口径薄壁无缝钢管。

实施例2

采用比预定口径小的芯棒对毛管进行热扩，热扩后依次进行淬火、回火处理，得到比预定口径略小的母管，其中，母管的口径尺寸与预定口径尺寸相差3%，淬火的温度为820℃，回火的温度为600℃；然后在400℃以及180mm/min的速度条件下，采用与预定口径相匹配的芯棒再次对母管进行热扩，得到预定口径的高钢级大口径薄壁无缝钢管。

实施例3

采用比预定口径小的芯棒对毛管进行热扩，热扩后依次进行淬火、回火处理，得到比预定口径略小的母管，其中，母管的口径尺寸与预定口径尺寸相差2%，淬火的温度为750℃，回火的温度为550℃；然后在380℃以及300mm/min的速度条件下，采用与预定口径相匹配的芯棒再次对母管进行热扩，得到预定口径的高钢级大口径薄壁无缝钢管。

实施例4

采用比预定口径小的芯棒对毛管进行热扩，热扩后依次进行淬火、回火处理，得到比预定口径略小的母管，其中，母管的口径尺寸与预定口径尺寸相差1%，淬火的温度为900℃，回火的温度为650℃；然后对母管进行矫直；最后在420℃以及280mm/min的速度条件下，采用与预定口径相匹配的芯棒再次对母管进行热扩，得到预定口径的高钢级大口径薄壁无缝钢管。

试验检测结果

1、对比例加工处理得到的高钢级大口径薄壁无缝钢管上存在多个凹面，现测量出这些凹面的深度（mm），并记录在表1中，实施例1-实施例4均出现不同数量以及不同程度的凹面，现测量出这些凹面的深度，并记录在表1中。

2、在进行步骤（2）的再次热扩前后于该母管的东西两头同一位置分别测量椭圆度，测量数据见表2。

3、在进行步骤（2）的再次热扩前对钢管的一端取一段约300mm长的理化性能样，做机械性能检测，然后在进行步骤（2）的再次热扩后在同一位置再次取样做机械性能检测，得到的检测数据见表2。

表 1

通过表1可以看出，对比例由于是直接采用现有的高钢级大口径薄壁无缝钢管热处理工艺对毛管进行加工的，因此最后得到的高钢级大口径薄壁无缝钢管上出现了5个凹面，即便在热扩过程中运用了传统的内支撑架支撑方式来防止塌陷形成，但仍然无法避免出现凹面，并且每个凹面的深度量都明显较大，而实施例1-4由于使用的是本申请的生产方法，其中最多出现了4个凹面，最少的仅出现了两个凹面，并且每个实施例中产生的凹面尺寸都较小，其中实施例3-4的效果尤其优，虽然仍有0.4-0.85mm的残留深度，但这基本上通过肉眼很难发现，用手的触摸感也非常不明显，再按照API5L标准来说，这种凹面远远低于3mm范围，因此是可以接受的，而且按通常的高钢级大口径薄壁无缝钢管标准而言，只要再次热扩后的这种凹面处的外径不超过钢管外径的负偏差，也是符合标准要求的。故通过试验检测可得出本申请各实施例的生产方法能够修复或者说在可很大程度上减少高钢级大口径薄壁无缝钢管因调质热处理而产生的管壁变形量，最终可生产出热变形量极低的高钢级大口径薄壁无缝钢管。

表2

通过表2可以看出，对比例、实施例1、实施例2由于没有在再次热扩处理之前先使钢管经过矫直工序以改善椭圆度，因此再次热扩后的椭圆度有所变化，而实施例4由于在再次热扩之前经历了矫直工序以改善椭圆度，因此再次热扩后的椭圆度变化相对不大，其中，通过表2可以发现，实施例3即便没有经过矫直工序，其热扩前后的椭圆度也没有发生较大变化，其变化量几乎与实施例4相差无几，是由于实施例3在再次热扩过程中速度较快，达到了300mm/min，而实施例1-2的速度都相对较慢，那么可以得出的结论是，在实施例3的各种条件限制下，即便不进行矫直工序，也仍能使钢管在再次热扩前后都能保持较好的椭圆度，在很大程度上避免，钢管由于自身重量在高温时形成较大的椭圆度变化，从而获得质量更高的产品。

另外，在表2中还可以看出，在实施例1- 4中，再次热扩前后在钢管的同一位置取样所做的机械性能检测得到的强度差值均没有明显变化，而其中实施例3-4的变化尤为小，因此，本领域的技术人员应该明白，在高于应力去除温度且低于回火温度的条件下进行热扩修复的工艺，不会造成钢管的机械性能指标发生明显变化。

通过上述实施方式提供的高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法的试验检测可以得出的结论是，对通过调质热处理的高钢级大口径薄壁无缝钢管所造成的凹面缺陷，可在380-420℃的温度条件下通过热扩工艺加以修复，从而在极大程度上减小钢管因调质热处理产生的变形量，这对于外径/壁厚比≥35的高钢级大口径薄壁无缝钢管的热扩生产具有良好的市场前景和意义。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采用比预定口径小的芯棒对毛管进行热扩，热扩后依次进行淬火、回火处理，得到比预定口径略小的调质热处理后的母管，所述母管的口径尺寸与预定口径尺寸相差控制在3%以内，以使得后续仅需对母管进行较小尺寸的热扩即可达到预定口径；

（2）在高于应力去除温度且低于回火温度的380-420℃条件下，采用与预定口径相匹配的芯棒以150~300mm/min的速度再次对母管进行热扩，通过将母管热扩限定在高于去应力去除温度且低于回火温度的条件下进行，以保证母管在进行小尺寸热扩时能够顺利变形且自身应力作用保持在正常范围内，并使因步骤（1）中调质热处理所造成的管壁变形和碰凹缺陷经再次热扩得到修复，同时不降低调质热处理所获得的性能指标；

再次热扩完成后即可得到预定口径的高钢级大口径薄壁无缝钢管，所述高钢级大口径薄壁无缝钢管的外径≥500mm、外径/壁厚比≥35。

2.根据权利要求1所述的高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法，其特征在于：在完成步骤（1）并进入步骤（2）之前，先使所述母管经过矫直工序以改善椭圆度。

3.根据权利要求1所述的高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法，其特征在于：步骤（1）采用第一热扩芯棒完成热扩，步骤（2）采用第二热扩芯棒完成热扩，其中，通过在第一热扩芯棒的外周面堆焊形成扩径段来得到第二热扩芯棒。

4.一种高钢级大口径薄壁无缝钢管，其特征在于：所述高钢级大口径薄壁无缝钢管采用权利要求1-3中任一项所述的高钢级大口径薄壁无缝钢管的生产方法制备得到。

5.根据权利要求4所述的高钢级大口径薄壁无缝钢管，其特征在于：所述高钢级大口径薄壁无缝钢管为低碳合金钢管。

6.根据权利要求5所述的高钢级大口径薄壁无缝钢管，其特征在于：所述高钢级大口径薄壁无缝钢管的抗拉强度大于520MPa、屈服强度大于350MPa、在室温下的全尺寸的冲击值大于130J。