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“6年时间建造一个核电站，3年时间在等待锻件。”10年前说起我国对核电建设中的关键锻件大口径厚壁无缝钢管无法自主生产的窘境，曾有许多业内人士无奈地发出这句感慨。
“自主制造万吨级重型设备已不是难事，我们的目标是中国“极端制造”领跑世界。”如今再谈及这一话题，清华大学机械工程系重型装备研究团队成员的眼里已满是自信的光芒。
从2009年内蒙古3.6万吨垂直挤压机挤出 根厚壁无缝钢管打破国外垄断，到2015年青海6.8万吨挤压和模锻双功能重型压机挤出世界 长度的无缝钢管实现国际领先，短短几年技术创新突破，我国自主生产电力用高端耐热无缝钢管替代进口并跻身国际市场的夙愿正在成为现实。
“联手清华大学5年攻坚克难，世界首台6.8万吨重型压机能够完成95%以上的航空模锻件的生产，首根碳钢无缝钢管长达12.8米，直径630毫米，壁厚110毫米。”近日发布这一消息的青海康泰锻铸机械有限责任公司备受瞩目，公司技术研发部部长安杰告诉记者，6.8万吨多功能压机是目前世界上惟一具备模锻和挤压两个功能的 吨位的压机，可挤压生产核电和高参数超超临界火电机组高合金、难变形、大口径厚壁新型管材，也可锻造出航空、航天工业等领域大型和特大型钛合金、高温合金、超高强度金属等难变形锻件。
为什么要自主研发大吨位重型压机生产厚壁无缝钢管？世界 长度意味着什么？项目主要负责人清华大学机械工程系重型装备研究所教授吴任东给出了答案。
大口径厚壁无缝钢管是60万千瓦以上超临界、超超临界火力发电项目必不可少的装备，其制造依赖于重型压机，然而重型压机的制造技术却长期被国外垄断，我国一度只能高价进口。作为装备大国、电力大国，只有打破这样的尴尬处境才能真正在国际领域占有一席之地。
不仅如此，制造万吨级重型设备标志着一个 的制造能力，涉及设计、制造、运输、安装等诸多技术难题，属于“极端制造”领域，成功虽极其不易，但没人不想抢占先机。对已经积累了深厚技术经验的中国来说，打破国外垄断只是阶段性成果，领先国际水平形成 优势并掌握市场定价权才能在竞争中立于不败之地。
“更重要的，在应用领域，更长、更厚的无缝钢管是今后产品发展的方向。”吴任东说，随着电站功率增大以及海上钻油深度不断增加，对厚壁钢管的口径要求越来越大，而高合金钢管普遍存在难以焊接的问题也对厚壁钢管的长度提出更高要求。“值得一提的是，经过论证，6.8万吨重型压机已具备挤压生产长度18米、外径1.5米的难变形合金大口径厚壁钢管，这远远超过了世界同类其他设备的水平。”
据了解，截至目前，6.8万吨重型压机项目已累计完成投资11亿元，完成了压机工艺主辅设备安装及调试。在2015年的四次试制过程中，6.8万吨压机均成功挤出长度超过14米的厚壁钢管，尤其是高合金、大口径钢管的调试成功验证了压机当初设计的挤压功能和各项技术数据已达到设计指标，也证明挤压功能已经满足生产要求。
作为完全自主研发的建设项目，企业的更多突破也丰富了“世界先进水平”的内涵。安杰介绍，在挤压工艺完成过程中，一线技术人员解决了压机镦粗、穿孔前的外表面除鳞问题以及压机挤管前的外圆及内孔的玻璃润滑问题，为成功挤出世界 长度钢管奠定了坚实的基础。
壁厚和张力系数对钢骨内多边形程度的影响规律
影响成品例管在张力减径过程中产生的内多边形程度的因素较多．们 · 般认为荒管壁厚和张力系数起主要作用。在其他囚水不变的情况下，钢管的变形会随着 It 壁厚的增加逐渐举现不均匀现象．钢管产生内多边形的现象趋十严或；而钢管变形不均匀的现象则会随着张力系效的增大而浮渐档千均匀。图 6 给出了不同壁厚的荒管在张力减径条件下，产生的不同周向壁厚方筹的对比。可以着出．成品钢管的周向壁厚方差随着荒管的峨厚增大早连渐减小的趋势。当荒骨壁厚为 IS . sn . n ．和 16mm 时．相应的．其周向壁厚方差分布达到 1 . 04 和： ( ) 5 ，钢竹的内多边形程度较高。
1 壁厚增加到 I6 . smm , Ismm 时．成品钢管的周向壁厚方差比壁厚为 l3 . 5llII : ，和 I6mm 时减小 r 113 ；当荒管壁厚进一步增加到 22 川“．和 24mm 时，其周向璧厚方差在 0 . 14 附近，说明此时钢管壁厚分布 。经本文作者进一步研究发现．当荒管壁厚继续姗加时，成品钢管的壁厚并不继续减小．因此采用张力减径工艺生产该种战号的成品钢管时．荒竹的壁厚控制在 Zomm 心 4n , n ，之间为宜＿ 3 结论 《 l ）通过对厚壁钢管张力减径过程的效伯分知．分析获得 J －轧棍形状、轧棍不同截而的线速度以及炯管的滋度场是影响钢管壁厚不均的主要因素。 《 2 万皿过对不 l 司璧厚钢锌张力减径过程的有限元模拟，分析获得了荒管壁厚和张力系数时成形后钢管壁厚分布不均的影响规律。结果表明，当荒管壁厚为 22mm 和 24mm 时，成形成品钢竹的周向壁厚方效在 n . 14 左右．说明此时钢管壁厚分布 ．成品竹内表面较圆－
关于结构用厚壁钢管合理选材选型的建议
(1)在大型管结构工程设计中,需选用厚壁钢管时,设计人员应了解厚壁钢管的成型方法类别与其技术经济性能特点,并合理选材。
(2)综合比较力学性能、焊接性能、加工性能、截面尺寸精度及材料价格等因素,钢结构工程用厚壁钢管宜选用冷压或冷卷成型钢管。在此类钢管比选中,若考虑钢管力学性能、加工效率、焊缝数量与打磨要求等因素,则宜 冷压成型(U(E)厚壁钢管,但在加工费用上冷压工艺要高于冷卷工艺约20%以上。
(3)当选用冷压或冷卷厚壁钢管时应注意以下技术性能或参数的要求
1)径厚比一一冷卷与冷压制管时,钢板内、外纤维分别受压受拉,产生塑性变形和冷加工硬化与残余应力等不利影响,而径厚比(管内径与厚壁之比)愈小,此影响愈严重,并会直接降低钢管的使用性能。我国电力行业标准《压力钢管制造与安装验收规范》L5017-93要求冷卷钢管的径厚比不应小于33(Q235与Q345钢)或40(Q390与Q420钢)。根据建筑钢结构工程的国内外经验,此限值可适当以放宽,在目前钢材性能水平和工艺条件下,暂以不小于20为宜。
2)钢材的强度级别一《钢结构设计规范》对钢管架结构规定所用钢材强度不应超过345MPa,届强比不应大于0.8,主要原因是现有研究、设计计算方法公式等都是以此类级钢材为主要对象进行的。厚壁钢管可能用于桁架或支柱结构,当钢板厚度、径厚比均相同而强度更高时,会产生更不利的冷加工硬化影响与残余应力,降低钢管的承载性能与焊接性能,故冷成型厚壁钢管的钢材强度以不大于345MPa为宜
3)钢材的性能要求目前冷成型型材的相关标准中对其力学性能试件的取样部位无明确规定,故厂家所提供的质量检验单数据均为其原材料的力学性能数据,并非已成型管产品的实物力学性能,这对厚壁钢管易造成延性指标要求(如伸长率)数据偏高的现象。故对主要承重构件用钢管,应在设计文件中注明其实物力学性能指标需经成品钢管上.的取样复测确认。同时对抗震设防等重要构件所用冷卷厚壁钢管,宜要求按钢板横轧制方向取样进行冲击功性能检测确认。在性能要求的项目内容上,除常规的化学成分与力学性能外,当厚壁钢管用于主要承重结构时,还应按荷载条件,使用温度、板厚、节点焊接约束度等条件,要求附加保证碳当量、屈强比、冲击功或Z向性能等作为钢管供货的保证性能指标。
4)热处理冷成型厚壁管影响性能的主要缺陷是冷加工硬化和残余应力影响,故对很重要的管构件或径厚比很小的钢管,可经过技术经济比较要求进行成品管热处理以细化晶粒,残余应力,优化钢管使用性能。
(4)热成型厚壁钢管虽无冷加工效应,但价格均较高。而热扩无缝钢管的壁厚公差可达士25%,会造成结构构件截面不对称,增加附加偏心弯矩和削弱截面承载力;而且在管构件对接接头处,可能造成对焊接头较大的错边偏差,故不宜用作钢结构承重构件。热卷成管性能较好,但加工成本高,主要适用于锅炉、压力容器、管道,般不宜用于钢结构构件中。
根据标准规定,热轧无缝高压锅炉管和低、中压锅炉管均需作压扁性能试验。20A高压锅炉管是我厂无缝车间的部优质产品,但近年来,特别是近两年来,其压扁性能不合格(包括热轧检验和用户投料验收不合格)较多。造成往返运输费用和重新热处理时能源、材料的消耗增加,也影响用户及时投料及我厂产品的信誉。为此我们对压扁性能不合格的原因及防止和办法进行了探讨。
首先将无缝钢管车间1980年以来20A0g压扁性能不合格的钢管规格及定、减径直径压缩率进行了分析。可以看出压扁性能不合格的钢管几乎都是壁厚S≥8mm的厚壁钢管,而20A钢管中主要又是减径管。因此,本文着重对20A减径厚壁管的压扁性能作以下分析。
ニ、20A厚壁管匠扁不合格试样的外观特征和金相分析
20A厚壁钢管压扁不合格试样,绝大部分表现为管壁纵向直线状内裂,而且其部位儿乎都在进行压扁试验时与试验机压板接触
的中间部分,其裂缝深度大于0,5mm。80年3月对9-753炉497批68×13mm的20A钢管压扁开裂试样,进行了常规金相分析,其结果列于表2。
1984年4月对三个炉批号20A钢管的7个试样进行了常规金相分析,其结果列于表3。
三、20A臧径厚壁钢管压扁开裂的原因
压扁性能是钢管的一种工艺性能,而钢管工艺性能是其机械性能与表面状态综合影响的结果。因此对压扁性能必须从钢管机械性能和表面状态两个方面进行分析。
无论是机械性能还是表面状态,都受金属自然性质和变形条件(如变形程度、变形温度、变形速度、应力状态、变形状态等)两个重要因素影响。因此在分析钢管压扁开製原因时,首先要找出主要因素。裂钢管的试祥几乎都是与压板接触的中间部分内壁呈纵向直线状裂缝。一般认为,压扁时例管表面产生直线状裂缝,是由变形加工引起的;
而螺旋状的表面裂缝,则是由金属自然性质引起的。如金属自然性质引起压裂时,其裂缝产生部位不可能固定不变,而实际上几乎全部裂缝产生在与压板接触的钢管内壁中间部位。所以从裂缝外观特征及产生部位在不同试验条件下的固定性,可以认为钢管压扁开裂是变形加工因素引起的。事实上,由于自动轧管机组中主要变形量分配在穿孔和轧管工艺环节,如果管坯带入有金属自然性质方面的缺陷,那么在穿孔斜轧中就自然会显示为螺旋状表面缺陷。但在穿孔后把毛管加工成成品钢管的变形较大的工艺环节中,只有轧管和减径,而轧管和减径都是纵钆。
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