厚壁管材壁厚均勻性問題的分析與對策

王國亮，李進喜（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

0 引言

隨著工藝技術水平的提高與新裝備的開發，無縫鋼管生產的規格范圍不斷擴大，厚壁鋼管壁厚精度問題成為制約產品成材率的關鍵。結合加熱、穿孔工藝調整，通過改進定心工藝，采用管坯通體定心技術，實現了厚壁管管體壁厚高精度控制與產品成材率提高2.2%～5.1%。

1 存在問題

隨著工藝技術的發展，鋼管管坯定心工藝實現了由管坯單端定心，管坯兩端定心到碳鋼管坯自定心技術的跨越，鋼管壁厚精度的控制能力逐步增強[1-2]。但是，厚壁鋼管生產工藝存在其特殊性，在相同定心條件下仍存在壁厚不均問題，亟待定心技術的新進展。

如圖1所示，厚壁鋼管壁厚不均主要是指在同一截面上壁厚最薄點、最厚點與名義壁厚偏差較大的現象，其中圖1(a)為正常的壁厚均勻成品管，而圖1(b)則出現 Smax與 Smin，即壁厚不均問題[3-4]。

圖1 鋼管壁厚均勻性示意圖

壁厚均勻性計算公式如下：

式中，Smax為鋼管截面上壁厚的最大尺寸；Smin為鋼管截面上壁厚的最小尺寸；SN為鋼管壁厚的名義尺寸。

2 機理分析

厚壁管生產工藝流程為：EAF→LF→VD/RH→CCM→冷卻→管坯檢驗→管坯加熱→穿孔→軋制→定徑/張減→冷床→鋸切→矯直→探傷→交庫，其中，對壁厚均勻性產生影響的主要工序包括管坯準備、管坯加熱和管坯穿孔，在加熱管坯合格的條件下，應避免由穿孔工藝參數調整差別[2-7]。

2.1 管坯準備

無縫鋼管管坯準備包括管坯直度、橢圓度與管坯定心。在相同的直度與橢圓度條件下，管坯定心直接影響著鋼管壁厚均勻性。

鋼管定心是指在使用管坯軋制鋼管時，當管坯進入斜軋穿孔之前，在管坯前端面中心設置一定直徑和深度的圓孔。在管坯咬入過程中，穿孔頂頭可快速對準圓坯位置，使頂頭順利穿入圓坯，并使管坯金屬在頂頭圓周均勻流動，最終得到壁厚均勻性高的毛管。但是，在管坯前端沒有設置中心孔時，穿孔頂頭與管坯前端面接觸點存在隨機性，頂頭穿入圓坯時，大多成偏心狀態，毛管管壁不均，因此，軋制出的成品管亦存在壁厚不均以及內折問題，造成成品鋼管切頭尾中廢率增高，成材率降低。

厚壁管成品檢驗結果表明，在定心狀態下，鋼管端部壁厚均勻性較好，但是管體壁厚均勻性存在精度偏低問題，分析認為管坯定心有效提高了鋼管端部精度，但對管體壁厚精度的提高作用較弱。

2.2 管坯加熱

在管坯穿孔前，無縫鋼管圓管坯需要進行高溫加熱，而加熱溫度不均則是影響鋼管壁厚均勻度的主要因素，影響管坯加熱均勻性的因素包括加熱溫度、加熱速度和加熱時間。

加熱溫度指管坯經過環形爐加熱后管坯出爐的表面溫度；加熱速度指管坯表面升溫速度，在環形爐加熱最終階段，需要在高溫狀態下均熱保溫，目的在于減小坯料表面與中心的溫差，使管坯溫度更加均勻；加熱時間指加熱管坯至目標溫度所需時間，管坯的加熱時間直接影響產量和質量，加熱時間過短易導致管坯加熱不均勻。

在生產過程中，應根據毛管規格適當調整加熱工藝制度，對于厚壁成品管，因其毛管規格較厚，應在保證溫度滿足穿孔軋制工藝所需溫度的條件下，盡量延長管坯均熱保溫時間，提高管坯溫度均勻性。

2.3 穿孔工藝

在加熱管坯合格的條件下，應避免由穿孔工藝參數調整而導致的毛管壁厚不均問題，其中，壁厚不均問題的主要影響因素有以下兩種情況：

(1)穿孔機軋制中心線不正、頂頭前壓下量太小易導致壁厚不均問題產生。

(2)在軋制過程中定心輥打開過早、定心輥調整不當以及頂桿抖動等造成的壁厚不均。

在相同管坯規格條件下，毛管壁厚的增加需要頂頭尺寸的減小，因此，導致頂桿尺寸的減小。較小直徑的頂桿，在強大的管坯反向作用力下容易失穩而抖動。為了預防壁厚不均問題的產生，主要措施包括：高精度調整穿孔工藝參數，同時，準確調整定心輥打開時間，不可過早打開定心輥，以減輕頂桿抖動問題。

3 對策分析

壁厚均勻性問題主要影響因素包括管坯準備（定心）、管坯加熱及穿孔工藝，依據其不同的作用機理，改進厚壁鋼管壁厚均勻性主要措施包括：

（1）管坯加熱工序：在管坯加熱過程中，延長保溫時間，提高管坯溫度均勻性。

（2）軋制工藝調整：正確設定穿孔工藝參數，同時，準確調整定心輥打開時間，不可過早打開定心輥，以減輕頂桿抖動問題。

（3）定心孔改進：改進定心孔幾何尺寸參數，延伸定心孔作用范圍。如圖2所示，采取加延長心孔尺寸的技術改進，其中，定心孔尺寸圖2（a）為50 mm，圖 2（b）為 150 mm，圖 2（c）為 500 mm，定心孔直徑為Φ55 mm，管坯規格為Φ251 mm，采用單端定心工藝。

圖2 定心孔尺寸改進

4 試驗結果

4.1 試驗1

根據成品壁厚均勻性目標，采用Φ251 mm管坯進行試驗，試驗鋼種為20#，成品規格Φ245 mm×30 mm。

4.1.1 管坯準備

鋼種：20#；管坯直徑：251 mm；管坯長度：3 850mm。化學成分如表1所示。

表1 20#鋼化學成分 （wt%）

在管坯單端打定心孔，尺寸分別為：1#：Φ55 mm×50 mm；2#：Φ55 mm×150 mm；3#：Φ55 mm×500 mm。

4.1.2 加熱工藝

在管坯加熱過程中，應適當延長管坯的加熱時間，設定加熱時間：70s/步。

表2 20#加熱工藝制度

4.1.3 穿孔工藝

軋制毛管規格Φ275×34，其穿孔工藝參數如下：軋輥輥距：216 mm；頂頭規格：Φ186×360 mm；導距：255 mm；頂頭前伸量：30 mm；頂桿直徑：Φ185mm。

4.1.4 試驗結果與分析

根據表3試驗結果可見，隨著管坯兩端定心孔尺寸的增加，成品管壁厚均勻性明顯改善，同時，由于管端幾何精度的提高，切頭和切尾長度明顯減少，切頭尾兩端的長度和為150 mm，明顯降低了中廢比例，提高了產品成材率，其中3#管坯試樣產品成材率達到了92.1%，定心孔管坯對成材率的提高起到了明顯的作用。同時，管體壁厚均勻性得到改善，避免了管體壁厚超出公差帶的問題，無管體壁厚中間廢。

4.2 試驗2

由試驗1的結果可見，在增加定心孔長度之后，鋼管壁厚均勻性得到了明顯改善。為了進一步提高鋼管幾何尺寸精度，本文開展了第2次試驗，深入研究了通體孔對鋼管壁厚精度的影響。

加長定心孔尺寸，改善產品壁厚的機理在于加長了定心孔工作段，穿孔過程中頂頭的對中作用有效增強。因此，在管體心部通體制作定心孔，可實現穿孔工序全長定心對中作用，進而改善管體壁厚精度。如圖3所示，管體中間通體設置定心孔，開展試驗2的研究。

4.2.1 管坯準備與試驗工藝

采用試驗1相同的管坯進行管坯通體定心工藝研究，定心孔尺寸分別為：4#：Φ55 mm×3 850mm，通體定心孔尺寸保持不變；5#：Φ55 mm×500 mm+Φ40 mm×2 850 mm+Φ55 mm×500 mm，管坯中部定心孔直徑較小。

圖3 通體定心孔示意圖

采用上述管坯，執行試驗2的加熱工藝和穿孔工藝，成品規格Φ245 mm×30 mm。

表3 試驗1檢驗結果

表4 試驗2壁厚檢驗結果與成材率統計

4.2.2 試驗結果

試驗結果見表4。根據試驗2結果可見，管坯通體通過定心可以實現管體壁厚精度的提高，頭尾切去長度120 mm，可保證產品成材率的提高，同時，壁厚精度高于±5%，可滿足高精度產品供貨要求。同時，對比4#定心工藝與5#定心工藝可見，由于4#定心工藝在管坯中部直徑過大，消耗了管坯金屬重量，成材率相對偏低，而5#定心工藝實現了成品管壁厚精度提高的同時，成材率明顯提高。

將通體定心工藝應用于生產實踐，統計結果表明，厚壁管坯通體定心工藝相對于傳統管端定心工藝可實現成材率提高2.2%～5.1%。

5 結論

通過加長管坯定心孔，實現了壁厚精度提高至±10%，切頭尾長度降低至150 mm，鋼管成材率提高2.0%。管坯通體定心工藝，實現了管坯全長定心作用，管體壁厚精度可滿足±5%，鋼管成材率提高2.6%，且統計結果表明成材率提高2.2%～5.1%。管坯通體定心工藝，中心孔直徑應合理控制，5#定心工藝 Φ55 mm×500 mm+Φ40 mm×2 850 mm+Φ55mm×500 mm，可實現成材率提高2.6%，定心孔直徑不宜過大。