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大口径厚壁钢管的生产工艺研究
冯丽军 1, 左超超 2 (1.武汉电力职业技术学院, 机电系 430071; 2.新加坡国立大学 科学系,117546 3山东普华永道金属材料有限公司，技术部 520051)
摘 要: 分析了钢管的工作应力特征,探讨了钢管毛坯几种热加工方法, 比较了各自的特点及应用范围。结果表 明, 大口径厚壁管的冲孔- 拉伸生产工艺法是合理的。 关键词: 厚壁钢管; 冲孔; 拉伸; 成形 中图分类号: TG356.5文献标识码: A文章编号: 1001-3814( 2006) 17-0019-02
Study on Manufactur ing Technology of Lar ge Diameter Heavy Section Steel Tube FENG Li-jun1, ZUO Chao-chao2
(1.Department of mechanical and electrical engineering, Wuhan Electric Power Technical College, Wuhan 430071, China; 2. Faculty of Science, National University of Singapore, Singapore 117546) Abstr act : The characteristics of working stress on steel tube were analyzed.Some hot working methods were disscussed. Their respective characteristics and scopes of application were compared. The results show that manufacturing technics of the punching and tension of big diameter heavy section steel tubes are reasonable. Key wor ds: heavy section steel tube; punching; tension; forming
众 所 周 知 , 采 用 大 口 径 厚 壁 管 道 ( 外 径 400 mm 以上, 外径与壁厚比为 5.5～9.0) [1]输送液 体和汽体物质是最为合理经济的,但是,随着被输 送液体和汽体的温度和压力的升高, 管道破裂的 危险也增大。为了保证管道的安全有效,必需从材 料和生产工艺二个方面 提高质量以 满足性能要 求。就钢管生产工艺而言,重点在于采用什么方法 生产毛坯。
图 1 所示为一圆柱形容器, 其直径为 D, 壁 厚 为 δ,长度为 L,在内压 p 的作用下, 容器的纵、横截 面上都将产生应力[2], 用截面法将容器沿 纵截面 截开, 纵截面上的拉应力为:
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面。设想火电站汽水管汽水压力为 5 MPa(约 50 大 气压), 内直径 D 为 1 000 mm,壁厚 δ为 10 mm,则 汽水管纵截面上将产生约 250 MPa 的工作应力。考 虑温度对屈服极限的影响,一般中低碳钢是无法胜 任的,但采用高强度合金钢则不仅价格高而且成形 更为困难。因此采用高冶金质量的低碳钢制作厚壁 管就显得十分经济。因为壁厚 δ增加一倍, 则应力 σ降到原来的一半; 汽水在管道中长期流动,腐蚀不 可避免,壁厚大则管道的寿命也可延长。 pLD- 2T=0 代入(1)式得: σ= p D/ 2 δ。 可以类似地推出横截面上的应力仅为上述应 力的一半。传递高压流体的管道的危险截面是纵截
作者简介: 冯丽军( 1959-) 女, 湖北黄梅人, 副教授; 电话: 027-68779980; E- mail: w_azx@sina.com 将加热好的钢锭放入冲孔胎模中先冲一个盲 孔, 然后放入拔伸胎模中进行拔长而生产厚壁管 的方法称为冲孔- 拉伸法。其压力加工过程的原理 如图 2 所示[3]。
2.1 成形工艺 ( 1) 材料准备 用于锻制厚壁管的钢锭, 除化
图 2 冲孔- 拉伸法原理图
学成分必须符合规定要求外, 对 Pb, S, Sb, As, P 也应严格控制, 以减少脆性和晶界裂纹的产生。应 降低 N 含量, 不能用铝来脱氧以减少时效敏感 性。钢锭表面不能有裂纹, 因为表面任一细小裂纹 都有可能在加热或锻造过程中进一步扩大。发现 钢锭表面有裂纹要及时进行清理和打磨, 凹坑及 清理后产生的凹坑要进行特殊处理, 以防产生折 叠。钢锭的冒口和底部切除, 可用带锯或大面积火 焰切割机进行。为防止产生裂纹, 对热敏感性高的 钢锭切割时要进行加热。 ( 2) 加热与锻前处理 应减少钢锭加热时的径 向温度不均匀,以防止由此而导致钢锭变形抗力不 同而引起冲孔偏心。冲孔( 拉伸) 前要对坯料进行除 鳞处理, 即打掉坯料周围的氧化皮, 以防锻造过程 中氧化皮掉入模具中而影响管坯表面形状。 ( 3) 冲孔 为避免放入模具的钢锭产生偏斜, 钢锭与模具间的间隙应很小, 也正因为如此, 冲孔 过程实际上相当于反挤压, 这样极有利于钢锭内 部缺陷的焊合及晶粒细化。为减少冲孔( 或称为反 挤压) 时因冲杆( 或称为凸模) 的偏移而产生冲孔 偏心, 影响尺寸精度, 冲孔时冲杆要有导向装置。 在冲孔或拔伸中为方便脱模, 加有一定量的脱模 剂, 当冲孔或拔伸完后要把脱模剂的残余物冲洗 出来, 以防止内孔缺陷。冲孔的同时也要注意外观 质量检查, 对于成形过程中产生的小裂纹和凹坑 要及时修整, 以防缺陷在后续成形时进一步扩大。 ( 4) 拉伸 冲孔后如坯料温度高则可立即进 行一次拉伸, 否则应先加热再拉伸。每一火的变形 比应达到 60%以上, 经 2～3 火即可拔到一根成 品管所需长度。拉伸过程中应注意如下几点: ①每 一火次的拉伸变形量不能太大, 这主要是由于设 备能力不够和易于拔穿掉底。②拉伸过程中因重 力作用, 向下的一边管壁会变得薄一些, 为此每拉 一次都应使管坯转动一定的角度, 以使管壁厚度 均匀。③拉伸过程要尽可能快, 这样既可以提高生
( 5) 锻造设备选择 冲孔的实质为反挤压过 程, 所需设备吨位较大; 拉伸为变薄拉伸过程, 通 过拉拔要达到所需管长, 因此压力机行程要长。用 4 000 t 以上的立式压力机用于反挤, 用 2 000 t 以 上的大行程卧式水压机作为拔伸设备是合理的。 当然 如果冲孔和拉伸压力机的工作压力和行程 更大些将有利于成形和增加管长。 ( 6) 热处理与机加工 由于锅炉钢管所用材 料为低碳钢或低碳合金钢, 所以热处理方式为正 火。对于合金钢, 可用喷雾方式进行冷却以满足其 性能要求。由于电站锅炉钢管是长期工作于高温 高压之中, 为保证性能符合要求, 热处理工艺参数 ( 加热温度, 保温时间, 冷却条件) 及炉温控制要求 极严格。热处理后的钢管经校直、喷丸后即可进行 机加工。由于钢管对尺寸精度要求并不高, 因而对 机加工设备没有很高要求, 普通深孔镗床和车床 即可胜任。
3冲 孔 - 拉 伸 法 与 一 些 传 统 成 形 方法比较
3.1 铸造成形方法 采用铸造的方法生产厚壁管其工艺是极为简 单的, 因为厚壁管为形状简单的对称件且壁厚均 匀。用铸造的方法生产厚壁管完全不需要什么大型 设备, 生产成本会低于冲孔- 拉伸法。但是, 铸造缺 陷和组织难以满足性能要求。采用冲孔- 拉伸法生 产厚壁管, 冲孔工步即可达到 1.5～2 的锻造比, 拉 伸工步的锻造比更可达 3 以上, 总锻造比可达 4 以 上。这样, 铸锭经高锻造比的塑性变形后, 其内部的 气孔、缩松等被锻合, 金属内部的脆性杂质被打碎, 顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布; 塑性 杂质随金属变形沿主要伸长方向呈带状分布, 从而 使组织致密, 晶粒细化, 力学性能提高。
3.2 自由锻成形方法 采用自由锻的方式也很容易生产厚壁管。但 是, 由于管长较大且内径不大, 因而内孔直径很难 锻出, 这样就只好锻成实心棒材,机加内孔。对于 大口径厚壁管而言, 这种材料上的浪费是极大的, 自由锻必不可少的大余量也加 ( 下转第 23 页 )
卸料板 10, 同时带动摆块 23, 推板 22 推动推管 20, 使推管和卸料板同步从型芯 15 上推出铸件。 当铸件从型芯上推出后, 摆块 23 已摆动一角度, 小圆弧代替大圆弧推动推板 22, 此时, 推管的速 度比卸料板的速度快, 将铸件从卸料板上推出, 便 可取出铸件[1]。 选用压铸机时, 首先要确定锁模力。锁模力的 作用主要是为了克服反压力, 锁紧模具的分型面, 防止金属液飞溅, 保证铸件的尺寸精度。 F 锁≥K( F 主+F 分 ) ( 2) 式中: F 锁 为压铸机应有的锁模力, kN; K 为安全 系数, 一般 K=1.25。 由( 2) 计算得
4 压铸机选择
4.1 胀型力计算 F 主=Ap/10 ( 1) 式中: F 主 为主胀型力( 铸件在分型面上的投影面 积, 包括浇注系统、溢流、排气系统的面积乘以比 压) , kN; A 为铸件在分型面上的投影面积, 此处 A=36.4 cm2; p 为比压, 此处 p=40 MPa。 F 分=!( A 芯 p×tanα/10) 式中: F 分 为分胀型力 ( 作用在楔紧块楔紧面上的 法向分力引起胀型力之和) , kN; A 芯 为侧向活动 型芯的成型端面的投影面积, 此处 A 芯 =0 cm2; α 为楔紧块的楔紧角, 此处 α=0 度。 计算得 F 主=146 kN; F 分= 0 kN。
4.2 锁模力计算和设备选择
( 上接第 20 页) 剧了这种浪费,另外这种方法也极 大地增加了机加工成本。更为重要的是由于材料 利用率极低而不得不使用大钢锭和大吨位压力 机, 这又使得生产困难且产品性能难以保证。
3.3 卷制厚壁管成形方法 用卷板机对板料进行卷制也可得到各种壁厚 的钢管, 这种方法生产钢管工艺极为简单, 它无需 什么专用模具, 只需恰当地调整三辊间[4] 的距离 而用以成形所需管径, 若弯曲力不足, 则实行热 卷。此法材料利用率较高, 但是缺点是不能生产无 缝钢管而只能生产有缝钢管, 此缝隙通过后续焊 接来缝合。虽说现代焊接对于焊接长大缝隙技术 在不断的提高, 但是, 很难保证焊缝处性能与本体 性能相一致以及焊缝处的质量[5]。因为承受高压 流体的管道危险截面是纵向截面, 卷制钢管的焊 F 锁≥183 kN J113A 型压铸机锁模力为 250 kN, 大于所计 算的锁模力 182 kN。取压室直径为 30 mm, 压射 力为 35 kN, 则其对应的压射比压为 49.5 MPa。 经校核得出实际所需的锁模力为 225 kN, 而 J1125 型压铸机的锁模力为 250 kN, 故锁模力能 满足要求[2]。
5结语
图 2 所示的卸料板、推管二次推出机构压铸模 结构紧凑, 成本低, 维修方便。生产实践证明, 该模 具工作可靠, 生产效率高, 成型工件满足质量要求。
参考文献: [1]田福祥, 王名涌. 壳体零件压铸模设计及其工艺改进[J]. 热加工工艺, 2004, ( 3) : 64-65. [2]潘 宪 曾. 压 铸 模 设 计 手 册 [M]. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 1998.
4结束语
通过对此分析, 表明大口径厚壁管的生产采 用冲孔- 拉伸工艺属先进工艺, 值得探讨与推广。
参考文献: [1] 李良福. 制造大直径厚壁管的工艺研究 [J]. 金属成形工艺, 2000,(1):47-48. [2] 李龙堂.材料力学[M].北京:高等教育出版社, 1985. [3] 周德祥. 冲孔- 拉伸法生产电站锅炉用大口径厚壁无缝钢管 [J].锻造工业,1996,(3):5-7. [4] 李阳华. 三辊轧制机组厚壁管制壁厚度不均研究 [J]. 轧钢, 2004,(1):22-23. [5] 王飞.厚壁管道焊接过程的探伤的探讨[J].无損探伤, 2004,(6): 38-40. |
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