離心鑄造坯和鍛坯生產L80－13Cr石油管的對比分析

鞏國平

( 新興鑄管股份有限公司邯鄲工業區)

0 前言

L80 －13Cr 石油管具有良好的耐CO2腐蝕性能，適用于含CO2和Cl－的酸性介質的油氣田。由于其采用特殊密封螺紋接頭，所以鋼管的尺寸精度要求較高。長鋼傳統的生產工藝是采用鍛坯作為原料先進行熱擴再進行擠壓，其缺點是熱擴時偏心度較大，擠壓后的鋼管尺寸精度很難保證，壁厚不均嚴重，難以滿足客戶的要求。為此，筆者采用離心管坯直接擠壓工藝實驗，與鍛坯擠壓工藝進行對比，分析兩種工藝對鋼管尺寸的精度影響。

1 生產及工藝概況

長城特鋼3150 t 擠壓機始建于20 世紀70年代中期，全套設備由國外進口，年設計生產Φ76 mm ～Φ219 mm×4 mm ～30 mm 的無縫鋼管和各種異形材異形管1．5 萬t，品種范圍包括: 碳鋼、合結鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、軸承鋼、有色金屬等等。但隨著設備的老化，生產鋼管的尺寸精度逐步下降，特別是擴孔偏心嚴重，造成尺寸精度不能滿足石油管的特殊需要。但熱擠壓以三向壓應力變形為主，金屬密實性好，組織均勻，特別在高合金、難變形鋼種和各種異型斷面管的生產方面具有特殊加工優勢，所以長城特鋼的擠壓機仍然發揮了較大的作用。

2 擠壓試驗

2．1 試驗材料

試驗用鋼L80－13Cr 石油管的成分是按API 5CT的標準進行設計的。L80－13Cr 鋼化學成分見表1。

表1 L80 －13Cr 鋼化學成分 wt%

2．2 試驗設備

采用Φ270 mm ×3000 mm 離心機澆鑄成空心管坯，經過內外表面機加工、平端面，以及檢查探傷合格后作為擠壓原料;而鍛坯則經過S325 長剝皮機進行剝皮、探傷合格后，分切、深孔鉆、端面加工，以及檢查合格后作為擠壓原料。實驗的主要設備為10 MN 的擴孔機和31．5 MN 擠壓機，鍛造坯料需經擴孔后再進行擠壓成型，而離心坯則只需經過擠壓機進行擠壓成型。

幾何尺寸的測量，外徑和壁厚均采用游標卡尺及壁厚測量儀進行檢測。

2．3 試驗方法

2．3．1 試驗主要參數

試驗采用4 支離心坯和9 支鍛坯，經過加工后在長城特鋼的3150 t 擠壓機上進行擠壓試驗。試驗主要參數見表2。

表2 試驗主要參數

2．3．2 試驗主要工藝路線

試驗用的4 支離心坯在新興鑄管公司的離心車間進行澆鑄成型，經加工后運到長城特鋼;而9 支鍛坯是在長鋼冶煉和鍛造車間制造，后在長城特鋼的擠壓車間剝皮。試驗主要工藝路線如下:

離心坯→環形爐預熱→感應爐加熱→潤滑→擠壓→空冷→切頭尾→尺寸測量。

鍛坯→環形爐預熱→感應爐加熱→潤滑→擴孔→感應爐加熱→潤滑→擠壓→空冷→切頭尾→尺寸測量。

2．3．3 測量位置和方法

先把擠壓管的頭部和尾部切除300 mm 長，然后在管端的四個方向等均分配并用筆做好標識，一個管端外徑要測量4 個值，壁厚要測8 個值，所有的數據匯總后取最大和最小值進行數據分析。

3 試驗結果及分析

3．1 外徑測量尺寸及公差

根據API 5CT 的標準要求，外徑公差為－0．5%～+1%。從離心坯和長鋼鍛坯擠壓鋼管的外徑測量值，可看出兩種管坯擠壓鋼管的外徑尺寸均存在偏大現象。離心坯擠壓鋼管頭部外徑測量值均完全滿足標準外徑公差的要求，尾部外徑測量值偏大，超出標準外徑公差范圍;而鍛坯擠壓鋼管的頭部、尾部外徑尺寸絕大部分都偏大，且超出標準外徑公差范圍。

3．1．1 離心坯擠壓鋼管外徑測量尺寸

試驗采用的離心坯經內外加工后直接擠壓成無縫鋼管，坯料尺寸為Φ258 mm/Φ135 mm×500 mm，外徑公差為±0．5 mm，使用擠壓模為Φ143．33 mm，芯棒為Φ127．63 mm，離心坯擠壓鋼管外徑測量值見表3。

表3 離心坯擠壓鋼管外徑測量值

3．1．2 鍛坯擠壓鋼管外徑測量尺寸

試驗采用的鍛坯先經過外剝皮、內鉆孔，還需經過擴孔后再擠壓成無縫鋼管，坯料尺寸為Φ255 mm/Φ65 mm×460 mm，擴孔后的實際外徑為Φ256 mm～Φ259 mm，使用擠壓模為Φ143． 33 mm，芯棒為Φ127．63 mm，鍛坯擠壓鋼管外徑測量值見表4。

表4 鍛坯擠壓鋼管外徑測量值

3．2 壁厚測量尺寸及公差

根據API 5CT 的標準要求，壁厚公差只要求大于－12．5%，沒有要求上限，但要求對應的管子重量公差，即:該規格標準重量為22．82 kg/m，重量偏差－3．5% ～+6．5%。離心坯和鍛坯擠壓鋼管壁厚尺寸均滿足API 標準的要求，但尺寸普遍偏大。針對離心坯擠壓鋼管進行了單支稱重，每支鋼管的平均單重為22．7 kg/m ～23．7 kg/m，重量偏差－0．1%～+3．9%，滿足標準要求。離心坯擠壓鋼管實測重量數據見表5。

表5 離心坯擠壓鋼管實測重量值

3．2．1 離心坯擠壓鋼管壁厚測量尺寸

采用離心坯直接擠壓成無縫鋼管的試驗，坯料的內外徑是經過精加工的，壁厚公差只有±0．5 mm，擠壓后壁厚均勻性較好。離心坯擠壓鋼管壁厚測量值見表6。

3．2．2 鍛坯擠壓鋼管壁厚測量尺寸

采用鍛坯擠壓成無縫鋼管的試驗，由于要經過一道擴孔工藝，擴孔后的壁厚公差實為±1．5 mm，所以擠壓后壁厚均勻性較差。鍛坯擠壓鋼管壁厚測量值見表7。

表6 離心坯擠壓鋼管壁厚測量值

表7 鍛坯擠壓鋼管壁厚測量值

3．3 兩種工藝的試驗結果進行外徑不圓度及壁厚不均度對比

管體不圓度及壁厚不均度按下列公式計算［1］:

不圓度:

ε=［2(D最大－D最小) /(D最大+D最小)］×100%

壁厚不均度:

μ=［2( S最大－S最小) /( S最大+S最小) ］×100%

式中:D最大——最大外徑;

D最小——最小外徑;

D平均——表示為( D最大－D最小) /2;

ε%——百分不圓度;

S最大——最大壁厚;

S最小——最小壁厚;

S平均——表示為( S最大－S最小) /2;

μ%——百分壁厚不均度。

3．3．1 外徑不圓度的對比分析

由于API 標準中沒有明確具體的外徑不圓度，所以外徑不圓度是根據客戶的實際要求進行分析。客戶對外徑不圓度的要求為，同一橫截面上外徑的最大值與最小值差不超過0． 65% D( D 為公稱外徑) 。經測算，試驗管Φ139．7 mm ×6．98 mm 的外徑不圓度應小于0．9080 mm。

離心坯和鍛坯擠壓鋼管試樣的不圓度見表8、表9。

表8 離心坯擠壓鋼管不圓度

表9 鍛坯擠壓鋼管不圓度

圖1 離心坯與鍛坯擠壓鋼管外徑不圓度波動對比

由表8、表9 數據可以看出，采用離心管坯擠壓工藝，鋼管頭部的最大不圓度1． 1%，最小不圓度0．4%; 鋼管尾部的平均外徑最大不圓度1．2%，最小不圓度0．5%;采用鍛造管坯擠壓工藝，鋼管頭部的最大不圓度1．6%，最小不圓度0．3%; 鋼管尾部的最大不圓度0．6%，最小值不圓度0．1%。根據數據分析可以看出，只有鍛坯擠壓管的尾部尺寸滿足客戶外徑不圓度的要求，其他的均不合格，分析認為外徑不圓度跟離心坯還是鍛坯擠壓工藝關系不大。原因是擠壓管的外徑主要受擠壓模的設計、玻璃粉的厚度和溫度影響更大［2］。離心坯與鍛坯擠壓鋼管外徑不圓度波動對比如圖1 所示。可以看出，離心坯和鍛坯擠壓管的波動基本一致。

3．3．2 壁厚不均勻的對比分析

由于API 標準中沒有明確具體的壁厚不均值，所以壁厚不均是根據客戶的實際要求進行分析。客戶對壁厚不均的要求為，同一橫截面上壁厚的最大值與最小值差不超過14%t( t 為公稱壁厚) 。經測算，試驗管Φ139．7 mm×6．98 mm 的壁厚不均度應小于0．9772 mm。

離心坯和鍛坯擠壓鋼管試樣的壁厚不均度見表10、表11。

表10 離心坯擠壓鋼管壁厚不均度

表11 鍛坯擠壓鋼管壁厚不均度

由表10、表11 的數據可以看出，采用離心管坯擠壓工藝，鋼管頭部的壁厚不均度最大值達11．3%，最小值5． 7%; 鋼管尾部壁厚不均度最大值達10．7%，最小值4．1%，頭尾均完全滿足客戶14%的要求;采用鍛造管坯擠壓工藝，鋼管頭部的壁厚不均度最大值達21．3%，最小值1．4%;鋼管尾部壁厚不均率最大值達14．4%，最小值1．4%，頭尾均超出客戶提出的要求，且不均度的波動比較大，差值高達19．9%。離心坯與鍛坯擠壓鋼管壁厚不均度對比如圖2 所示。

圖2 離心坯與鍛坯擠壓鋼管壁厚不均率波動對比

由圖2 可以看出，離心坯擠壓管的波動比較小，而鍛坯則比較大。

4 討論

雖然API 標準對L80 －13Cr 石油管的幾何尺寸精度要求不高，但由于客戶在長期使用過程中，特殊扣加工的需要，對管子的尺寸精度提出了更為嚴格的要求。從上述試驗結果及分析來看，采用離心坯生產L80 －13Cr 石油管，無論壁厚公差還是均勻程度均好于鍛坯擠壓管，這是由于采用離心坯工藝，其坯料加工尺寸精度高，又沒有受擴孔工序造成偏心的影響。而從外徑不圓度來看，兩種工藝波動基本一樣，均不能滿足客戶提出的0．65%D 的要求，說明兩種工藝對擠壓鋼管外徑的尺寸影響不大，更重要的是受擠壓模具設計、玻璃粉的潤滑條件和擠壓溫度的影響，且由于長城特鋼的擠壓設備已經嚴重老化，雖然經過多次改造，但設備的運行精度卻大大降低。因此若進一步改善外徑不圓度，需從提高工模具的制作精度入手，必要時對擠壓設備進行改造。

5 結語

采用離心坯擠壓工藝生產石油管能夠大大減小壁厚偏心度的問題，且在目前的裝備條件下，能夠較鍛坯擠壓工藝更好地滿足客戶的使用要求，但外徑不圓度的控制更重要的是跟擠壓模的設計，以及生產過程中玻璃粉的潤滑、擠壓溫度等因素有關，提高精度有待進一步研究改進。

［1］成海濤．無縫鋼管缺陷與預防［M］． 成都: 四川科學技術出版社，2007:3 －5．

［2］謝建新，劉靜安．金屬擠壓理論與技術［M］．北京: 冶金工業出版社，2001:88 －92．