TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管的開發與生產

邊令喜，周曉鋒，周國帥，王亞男，邊洪振

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

旋挖機是一種適合建筑基礎工程中成孔作業的施工機械［1］。旋挖機鉆桿是用在旋挖鉆機與施工用鉆頭之間，傳遞扭矩、軸向壓力等載荷，沿共同軸心、逐節伸縮的管狀結構。旋挖機鉆桿由3～6支無縫鋼管經機加工、焊接后套裝而成。其中，每支無縫鋼管構成1節鉆桿套筒，每節鋼管的長度通常約10 m，直徑159～630 mm，壁厚8～45 mm，每節鉆桿套筒的外圓按120°均布焊接有約20 mm（厚度）×50 mm（寬度）的通長外鍵，每節鉆桿套筒下端內弧面上焊接了同樣厚度和寬度的內鍵（長500～900 mm）。

為保證旋挖機正常工作，要求盡量縮小相鄰鉆桿套筒間的空隙，同時還要保證各節套筒能夠自由伸縮，這對套筒用無縫鋼管的尺寸偏差提出了特殊的要求。對于制造鉆桿套筒的無縫鋼管通常選用20鋼和Q345，但是由于強度低，韌性不好，直接影響到鉆桿的使用壽命。為此，天津鋼管集團股份有限公司（簡稱天津鋼管）針對國內某知名廠商的使用要求，開發了TP550RD（550是鋼管的最小屈服強度，RD是旋挖鉆機的英文縮寫）旋挖機鉆桿用無縫鋼管。本文將重點介紹該TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管的生產開發情況。

1 產品技術要求

天津鋼管針對國內某知名廠商的使用要求，開發了TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管，該無縫鋼管的化學成分、力學性能、尺寸公差要求見表1～3。

表1 TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管的化學成分（質量分數）最大值要求%

表2 TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管力學性能要求

表3 TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管的尺寸公差要求

2 產品成分設計

綜合考慮鋼管的性能和成本，成分設計時需保證產品具有高強度、高韌性、穩定的熱處理工藝、優良的焊接性能。成分設計方面考慮適當控制較低的碳當量CEIIW［2-4］，CEIIW控制在0.43%以下，加入適量的Mo、V等合金元素以控制淬火馬氏體回火組織的相變強化和細晶強化，利用Si、Mn的固溶強化和Nb的微合金化對原奧氏體晶粒的細化作用，保證鋼管力學性能，并盡可能降低S、P等有害元素和氣體含量［5-8］。

C是增加鋼的淬透性、提高強度的元素，但含量超過0.2%時，鋼的韌性會變差，同時C是影響CEIIW的主要元素，過高的C含量會降低材料的可焊性，增大焊接裂紋敏感性，所以在保證強度的前提下，C含量越低越好［9-11］，上限定為0.14%。

Mn是提高鋼的強度及韌性的元素，對于這類鋼，Mn含量應不低于0.5%；但Mn含量過高，焊接裂紋敏感性增強。所以，Mn含量的上限以1.40%為宜。

Mo可以提高淬透性，防止回火時強度降低。對微合金化鋼來說一般不加入Mo，但對于厚壁結構鋼通常會適量加入Mo以提高鋼的淬透能力和回火穩定性，故其上限為0.15%。

V是最常用的微合金化元素，在調質工藝的情況下，強度強化特征更明顯。因此，V含量一般在0.02%以上。但是，V含量過高會影響鋼的焊接性能，所以將其上限定為0.08%［12］。

Nb元素通過細晶強化和沉淀強化提高強度，同時可改善鋼的低溫沖擊韌性。但Nb元素還可以降低鋼的熱塑性，從而增加含鈮鋼鑄坯的熱裂傾向，因此將上限定為0.05%。

P、S是鋼中的雜質元素，對鋼的熱塑性和成品的韌性有影響，應盡可能地減少其含量，控制P元素含量小于0.015%，S元素含量小于0.005%。

通過以上化學成分設計思路，TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管的化學成分設計最大值見表4。

表4 TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管的化學成分（質量分數）設計最大值 %

3 煉鋼工藝

煉鋼連鑄坯采用EAF電弧爐冶煉-LF鋼包精煉爐冶煉/VD真空脫氣爐處理-CCM（連續澆注）工藝生產，為了確保開發的無縫鋼管具有高的使用性能，煉鋼過程中對成分含量、鋼的純凈度、夾雜物含量嚴格控制，需要采取特殊的工藝措施，針對該情況決定采取以下幾方面工藝控制措施。

為實現精確控制碳含量的目的，生產中電爐冶煉與精煉爐精煉精準匹配，要求電爐終點碳和氧的含量、爐內CO氣體分壓、電爐溫度匹配，爐外精煉在VD采用調整氬氣流量、增大浸漬管直徑等手段保證夾雜物充分上浮，控制鋼水的純凈度。

在電弧爐冶煉初期，溫度較低，爐底加入造渣料，在吹氧條件下能形成脫磷脫硫渣，保證P、S的充分氧化。P與C在不同的溫度條件下會出現選擇氧化，其反應為2P+5CO=5C+P2O5，在溫度一定的情況下，降低P2O5含量會使P優先于C氧化，在煉鋼早期及時造好能使P2O5值低的高堿度、高氧化鐵的熔渣，保證充分脫磷脫硫。

保證鋼中Ca含量及弱攪時間，控制夾雜物級別及形態，加強連鑄上下爐次之間的銜接管理，及時加入中包覆蓋劑和結晶器保護渣，避免澆注過程中鋼水的二次氧化。

4 軋制工藝

TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管的生產規格包括 Φ406.4 mm×11 mm、Φ406.4 mm×13 mm、Φ426 mm×12 mm、Φ450 mm×13 mm、Φ508 mm×13 mm、Φ530 mm×13 mm等。幾何尺寸的精度會直接影響客戶在施工現場的焊接質量和施工效率。為保證旋挖機正常工作，相鄰鉆桿套筒間的空隙要小，同時還要保證各節套筒能夠自由伸縮，這對TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管的尺寸偏差及幾何精度提出了特殊要求。

鋼管采用PQF連軋管機組進行軋制，優化管坯在環形加熱爐的加熱制度，增加在爐時間，保證坯料加熱均勻。穿孔機組通過頂頭前伸量和軋輥壓下量與導距的精確匹配，降低穿孔時的軋輥轉速，提高了毛管質量。連軋管機組通過選用軋制中期優質軋輥，降低軋制節奏，保證芯棒預熱均勻，增大石墨噴涂量以保證充分潤滑，合理確定連軋管機架間的變形量分配，開啟頭尾削尖功能等手段，保證荒管壁厚不均度良好，定徑機組采用高精度三輥定徑機架，通過在通用機架后增加雙規圓機架的方法保證產品外徑滿足用戶要求。

5 熱處理工藝

無縫鋼管的熱處理是建立在合理的溫度區間進行的，該TP550RD鋼種微合金化元素的加入及合理的熱處理制度使金相組織中的第二相粒子充分析出，釘扎晶界，提高了材料的強度。通過實驗室測定TP550RD鋼種的奧氏體化轉變終了溫度Ac3為894℃，奧氏體化轉變開始溫度Ac1為721℃，并結合相關熱處理經驗進行小樣試驗室熱處理工藝研究。TP550RD無縫鋼管小樣熱處理試驗力學性能見表5。

表5 TP550RD無縫鋼管小樣熱處理試驗力學性能

從表5可以看出，該鋼種的力學性能很好地滿足產品要求，小樣實驗室熱處理淬火時冷卻速度較現場生產快，冷卻效果好，所以相同熱處理制度下力學性能會高。結合現場生產實際情況，最終生產的熱處理工藝為：920℃水淬，680℃回火空冷。TP550RD無縫鋼管大生產成品性能見表6。

表6 TP550RD無縫鋼管大生產成品性能

考慮到旋挖鉆機可能在我國東北地區的嚴寒環境中使用，且使用時會受到交變應力，所以選取TP550RD成品鋼管進行橫、縱向系列沖擊試驗。TP550RD無縫鋼管的低溫韌-脆轉變曲線如圖1所示。可以看出鋼管的韌-脆轉變溫度在-50℃以下，能保證在低溫地區的正常使用。

此外，觀察熱處理后TP550RD成品鋼管的金相組織，TP550RD無縫鋼管的微觀組織如圖2所示，TP550RD無縫鋼管的組織為典型的回火貝氏體。鐵素體基體從組織上保證了鋼管的韌性，貝氏體組織及細小的晶粒度確保了鋼管優良的強度和韌性組合［13-16］。

圖1 TP550RD無縫鋼管的低溫韌-脆轉變曲線

圖2 TP550RD無縫鋼管的微觀組織

6 用戶使用情況

天津鋼管已為用戶開發生產了7個規格、共1 820 t的TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管，已被用戶使用在其最新開發的第五代旋挖鉆桿上。TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管突破了傳統旋挖機鉆桿用管強韌性不足、易斷裂等缺點，產品尺寸精度高、機械性能優異、可焊性高，能夠滿足鉆桿使用壽命超過3 000 h的要求。

7 結 語

天津鋼管根據多年的生產實踐和技術積累，為用戶定制研發生產的TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管成分設計合理，其較低的碳含量和碳當量確保了產品具有高的可焊性；通過嚴格控制煉鋼、軋管和熱處理各工序，確保產品具有強度高、低溫韌性好等特點。目前，生產的TP550RD旋挖機鉆桿用無縫鋼管已被用戶使用在其最新開發的第五代旋挖鉆桿上，能夠滿足鉆桿使用壽命超過3 000 h要求。