大口徑薄壁氣瓶用無縫鋼管的制造工藝

陳 冬, 桑 偉, 吳宜檑

(德新鋼管(中國)有限公司, 無錫 214177)

試驗與研究

大口徑薄壁氣瓶用無縫鋼管的制造工藝

陳 冬, 桑 偉, 吳宜檑

(德新鋼管(中國)有限公司, 無錫 214177)

為了彌補熱軋、冷軋等工藝對大口徑薄壁氣瓶用無縫鋼管的加工能力不夠或成本過高等不足，開發和完善了熱擴加冷拔工藝來制造此類無縫鋼管。試驗結果證明：用此工藝生產的氣瓶鋼管可以滿足GB 28884-2012的要求，同時也滿足客戶在性能、尺寸等方面提出的協議要求，可以彌補目前市場中此類氣瓶鋼管的不足。

大口徑薄壁氣瓶；無縫鋼管；熱擴工藝；冷拔工藝

“十一五”期間，壓縮天然氣(CNG)汽車等新型清潔燃料汽車已被列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》中[1-2]，中國還致力于組織實施包括CNG汽車在內的各種清潔能源汽車的重大項目[3-4]。筆者通過改進設備、優化工藝，研制了一種性能優良的車載氣瓶用無縫鋼管。下面以規格為φ660 mm×9.7 mm的30CrMoE鋼為例，對其生產工藝進行詳細的介紹，以供參考。

1 生產工藝路線

目前市場上能直接軋制φ660 mm無縫鋼管的機組稀少，并且還受到壁厚、價格、交期等方面的限制，無法滿足市場對此類鋼管的需求。因此某公司結合自身的優勢，添加了冷拔及輔助設備，通過實踐證明能夠生產出滿足市場需求的此類鋼管。具體生產工藝為：將規格為φ406 mm×16 mm的母管先擴徑至φ665 mm×14.5 mm，再冷拔至φ660 mm×9.7 mm。

2 生產工藝流程

該氣瓶用無縫鋼管的生產工藝流程如圖1所示。

3 主要工藝及要點

3.1 熱擴工藝

3.1.1 母管的選擇與準備

選用母管為熱軋態φ406 mm×16 mm 30CrMoE成品管，此規格為熱軋通用規格，產品性能穩定。在擴徑之前需要對母管進行化學成分、硬度、非金屬夾雜物、幾何尺寸等檢測，并要求滿足協議要求。除此之外，還需要清除母管內壁的雜物與氧化皮后均勻涂抹潤滑劑。潤滑劑為粉末狀石墨粉(粒徑74 μm)、鱗片石墨粉(粒徑68 μm)與水按質量比1∶1∶3混合。

圖1 30CrMoE氣瓶用無縫鋼管的生產工藝流程Fig.1 Production technology process of 30CrMoE seamless steel tubes for gas cylinders

3.1.2 芯棒選配

芯棒的選擇會直接影響擴徑后鋼管的外徑與壁厚質量，因此芯棒的選擇在熱擴工藝中尤為重要。圖2為芯棒形狀示意圖，此次選擇的芯棒材料為AISI310不銹鋼，外徑為634 mm。

3.1.3 連桿選配

選擇的連桿外徑為219 mm，長度為14 000 mm，能使母管完全穿于連桿之上。芯棒導入段的端頭與螺母焊接在一起，螺母的外徑比導入段端頭外徑小5～6 mm。連桿端頭與螺栓焊接在一起，螺栓、螺母為管螺紋，一般使用油田J55鋼的接箍料，螺母和螺栓的焊接保證同心度一致。

圖2 錐形芯棒形狀示意圖Fig.2 Sketch diagram of the shape of the conical mandrel

3.1.4 線圈選配

加熱線圈的選擇根據熱擴成品管的外徑而定：加熱線圈外徑=熱擴成品管外徑+80～120 mm。加熱線圈的長度應覆蓋芯棒導入區一半以上、變形區的全部和定徑區一半以上，線圈的匝數為16匝，長度為1 200 mm，此次線圈外徑為766 mm。

3.1.5 熱擴過程

將準備好的母管穿于連桿之上，經中頻線圈將芯棒與母管加熱到一定溫度，利用專用擴管機油缸把母管推進芯棒變徑段，使鋼管變徑成型(圖2)。

3.1.6 熱擴工藝記錄

熱擴過程中，遠紅外測溫儀與速度采集器會把收集的信號反饋到相應的模塊中，模塊會把信號轉換成數字顯示在中央控制臺屏幕上，操作員可以根據顯示的數據作出相應的調整、記錄及存檔打印。此次擴管溫度為770～790 ℃，速率為120 mm·min-1。

3.1.7 擴徑后尺寸

母管擴徑后尺寸如表1所示。

3.2 熱處理工藝

為了滿足冷拔機能力以及避免拔制過程中鋼管斷裂或產生缺陷，擴徑后鋼管需要進行退火處理來降低鋼管的硬度。熱處理工藝為740 ℃保溫90 min，爐冷至450 ℃出爐空冷，熱處理后鋼管硬度為158～175 HB。

表1 母管擴徑后尺寸

3.3 后續質量控制工藝

3.3.1 矯直、內外拋丸和內外表面修磨

確保鋼管直線度以及內外表面沒有氧化皮、裂紋、折疊、翹皮、劃道、孔洞、嚴重凹凸等缺陷，并且使鋼管內外表面有一定的粗糙度與清潔度，從而保證磷化、皂化質量。

3.3.2 磷化、皂化

磷化工藝為：將鋼管浸于65～70 ℃的磷化液中120 min，使鋼管內外表面形成一層磷化膜，為皂化液的吸附作準備。磷化液指標檢測結果為：游離酸1.0(d)，總酸度32.5(d)。

皂化工藝為：將磷化后的鋼管在清水中洗凈后浸入70～75 ℃的皂化液中80 min，使鋼管內外表面吸附一層均勻的皂化液，從而起到潤滑作用，避免由于工模具磨損和粘結金屬而影響鋼管內外表面質量。皂化液指標檢測結果為：脂肪酸8.0(ND)。

3.4 冷拔工藝

3.4.1 外模選配

選用錐形外模，材料為Cr12MoV模具鋼，內徑為660 mm。

3.4.2 內模選配

選用錐形內模，材料為Cr12MoV模具鋼，外徑為642.2 mm。

3.4.3 連桿選配

選用直徑為280 mm、絲牙直徑為250 mm的連桿，使之與內模內孔緊配。

3.4.4 拔制過程

選用1 600 t液壓式冷拔機，采用等徑減壁冷拔

工藝進行拔制。拔制前需檢查母管內外表面及磷皂化質量，并消除內、外模具表面毛刺等缺陷。拔制時內、外模中心應與連桿中心保持一致，避免產生彎曲或壁厚不均。

圖3 冷拔加工示意圖Fig.3 Schematic diagram of the cold drawing process

3.4.5 冷拔工藝記錄

拔制力計算公式如下

(1)

式中：P為拔制力，N；ΔF為拔制前后規格截面積之差，mm2；K為拔制應力，N·mm-2，氣瓶管K約為1 372。

鋼管截面積計算公式如下

(2)

式中：F為鋼管截面積，mm2；π取3.1416；S為壁厚，mm；D為外徑，mm。

由于不同材料、規格鋼管的膨脹系數不同，需要對內、外模具的尺寸進行精密計算。拔制過程為：用三抓鉗口夾住鋼管的一頭，利用油缸的拉力使鋼管通過變形區，在內、外模具的共同作用下使鋼管產生變徑、減壁、伸長。此次拔制力為1.27×107N，速率為500 mm·min-1。

3.5 探傷、全長測厚控制工藝

根據GB/T 5777-2008與GB/T 7735-2004的要求，對鋼管進行超聲波與渦流檢測，未發現超出標準要求的缺陷。根據GB 28884-2012與協議的要求，需對鋼管進行全長測厚以及其他尺寸檢測，結果如表2所示。

表2 任選兩支鋼管的尺寸檢測結果

3.6 理化試驗工藝

根據協議要求，鋼管拔制完成后需取樣模擬氣瓶熱處理方式進行理化室小爐試驗，所得結果應符合協議要求。

3.6.1 試驗方法

分別在兩根拔制完成的鋼管上取300 mm×300 mm試樣，編號為A與B。將取好的試樣在理化室進行小爐熱處理，熱處理工藝為：淬火(920 ℃保溫25 min，油冷)+回火(620 ℃保溫50 min，空冷)。然后對試樣進行化學成分分析、力學性能測試及金相檢驗。

3.6.2 試驗結果

鋼管試樣的化學成分分析、力學性能測試和金相檢驗結果分別如表3～5所示，鋼管試樣的顯微組織形貌如圖4所示。由結果可見，鋼管的化學成分、力學性能和顯微組織的各項檢測結果均在標準及協議的要求范圍之內。

4 結論

(1) 該φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE氣瓶用無縫鋼管是在GB 28884-2012的基礎上，根據協議的要求通過熱擴加冷拔方法進行生產的。整個過程在技術、操作、質量、數據、記錄等方面是可控且可追溯的，符合質保體系與產品標準要求。按照該工藝生產出的φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE鋼成品的尺寸測量與理化檢驗結果均滿足標準及技術協議要求。

(2) 熱擴加冷拔工藝用于生產大口徑薄壁氣瓶用無縫鋼管是一種可行、穩定、有優勢的工藝，它可以彌補目前市場上其他工藝的不足，滿足客戶對此類無縫鋼管的需求。

表3 φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE鋼管的化學成分分析結果(質量分數)

表4 φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE鋼管的力學性能測試結果

表5 φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE鋼管的金相檢驗結果

圖4 φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE鋼管的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE steel tubes:a) longitudinal section of specimen A; b) cross section of specimen A;c) longitudinal section of specimen B; d) cross section of specimen B

[1] 周怡沛,周志斌.中國CNG汽車市場發展現狀、趨勢與策略[J].國際石油經濟,2009,17(10):44-48.

[2] 高海靜.我國CNG汽車的發展現狀及趨勢[J].電子制作,2014(7):118-119.

[3] 梁金桂.論中國LNG發展趨勢及拓展福建LNG的應用[J].油氣世界,2007(3):29-33.

[4] 羅峰,趙峰.LNG汽車氣瓶選型設計[J].汽車實用技術,2016(9):62-64.

Manufacturing Process of Seamless Steel Tubes Used for Large-Caliber Thin-Wall Gas Cylinders

CHEN Dong, SANG Wei, WU Yilei

(Dexin Steel Tube (China) Co., Ltd., Wuxi 214177, China)

In order to make up to the hot rolling and cold rolling process for the lack of processing capacity or high cost of seamless steel tubes for large-caliber thin-wall gas cylinders, the technology of thermal expansion and cold drawing was developed and improved to manufacture the seamless steel tubes. The test results prove that: the cylinder steel tubes manufactured by this technology could meet the requirements of GB 28884-2012, and also meet the agreement requirements of customers in performance, dimension and so on, and they could make up for the lack of such gas steel tubes in the market.

large-caliber thin-wall gas cylinder; seamless steel tube; thermal expansion process; cold drawing process

10.11973/lhjy-wl201707007

2017-03-30

陳 冬(1983-)，男，學士，主要從事鋼管生產和質量監控工作，260068820@qq.com

TG335.71

A

1001-4012(2017)07-0487-04