無縫鋼管中頻熱擴工藝分析

于恒洋

(天津騰飛鋼管有限公司，天津 300301)

現代電站所用的鍋爐呈現高參數發展趨勢，石化生產裝置呈現出大型化發展趨勢，各使用單位對于大口徑型無縫鋼管的使用需求量大幅增加。在加工時，可通過先進的中頻熱擴工藝來滿足這種無縫鋼管的大口徑、小批量、多規格與多品種等加工需求。現對無縫鋼管中的中頻熱擴工藝技術應用情況展開研究。

1 中頻熱擴鋼管加工流程

中頻熱擴技術的優勢包括缺陷出現概率較低，其鋼管表面質量較高，表面呈現氧化狀態的鐵皮不多，經過擴制處理后，鋼管表面仍舊可以維持原本的狀態；將潤滑劑涂抹到鋼管的內部表面上后，頂頭不會輕易產生黏鋼的問題，因此內表面能夠達到質量標準。該工藝的成材率較高，設備成本不高，能夠滿足生產需求，工藝操作相對簡單，整體制造成本不高。經過擴制后，管道的壁厚減薄，直徑增大，最大可達到1 500 mm；管坯加熱溫度不高，整體變形量不大。

中頻熱擴工藝是加工無縫鋼管時使用的重要工藝技術，對母管進行檢驗，確保其符合加工標準，在加工過程中對變徑率、速度與溫度進行控制，始終采用中頻對母管實施均勻加熱，通過液壓缸活塞給原管施加推動作用，再借助錐形芯棒擴大原管直徑[1]。中頻熱擴加工工藝應用過程如圖1所示。

首先需要對加工所用的原管進行復檢，查看原管情況，進行適當修磨，選擇規格合適的芯棒，將潤滑劑涂抹到原管內壁，實施加熱擴徑處理，開展熱處理，對加工完成的鋼管進行理化檢查，校直鋼管并處理鋼管外部與內壁，而后進行測厚與探傷，確保鋼管無缺陷，結束水壓試驗后，檢查鋼管的外觀與尺寸，無其他質量問題后即可進行后續的加工工作。

2 中頻熱擴鋼管加工工藝應用要點

2.1 加熱溫度

對比拉拔式熱擴工藝與中頻熱擴工藝兩種技術手段，前者之所以要大幅提高加熱溫度，是因為完成一次加熱處理后，需要開展3次左右的擴徑[2]。進行擴徑處理之后，毛管溫度將隨之出現降低的情況，當擴徑次數增加到4次時，溫度下降幅度過大，擴制時的擴徑率約為2%，即使對加熱溫度提出較高的要求，但是仍舊難以精準地掌控熱擴溫度，因此采用這種加工工藝加工的鋼管存在尺寸精度不高、表面質量極低的問題。

運用中頻熱擴工藝時，可將推制速度提升，完成對溫度的有效提升，但應關注高溫造成的不良影響：高溫會使鋼管外表面與內壁產生氧化，內壁氧化皮會粘結芯棒，在鋼管內表面形成明顯刮痕，造成內直道的問題[3]。高溫還會削弱材料晶粒間的實際結合力，導致鋼管裂紋嚴重化，裂紋等鋼管缺陷受到的實際約束力將隨之被削弱；采用中頻熱擴工藝之后，鋼管直徑增大，相對地，對于芯棒質量與體積的要求也隨之出現變化，芯棒對于鋼管底部區域的金屬材料的質量存在一定的影響，若溫度過高，金屬出現塑性變形現象后，鋼管壁的厚度將會增大，且增大程度并不均勻[4]。如果鋼管的壁厚為中薄程度，實施中頻熱擴工藝時，應對加熱溫度上限實施精準控制，避免超出預設的下臨界溫度數值，以此來預防缺陷，同時使鋼管形成均勻的管壁厚度，保持良好的表面質量。

2.2 加熱方式

應用中頻熱擴工藝時，需要借助中頻感應線圈與電磁感應原理來加熱原管，液壓缸活塞在加熱過程中起到推動作用，使原管按照預設次序從線圈中經過，原管的所有部位都能夠得到均勻加熱，直到溫度提升至要求的溫度。應確保線圈長度能夠完整地覆蓋原管的所有變形區，同時還應保留一定的加熱長度余量，以此保障原管受熱之后，溫度升高，鋼管溫度滿足熱擴溫度的長度長于管道金屬材料變形區間對應的長度。原管接觸芯棒變形區域后形成錐形區間，原管在此區間完成減壁擴徑變形[5]。

2.3 金屬受力狀態

鋼管中頻熱擴工藝應用過程中，鋼管變形區金屬受力狀態如圖2所示。液壓缸活塞將推力(Ft)施加給原管的管端，內置芯棒與變形區進行接觸后，原管會受到芯棒造成的垂直擠壓力(Fj)與平行摩擦阻力(FF)的影響，Fj與Ff順延周向、徑向與軸向完成合并與分解。變形區金屬并非保持單向受力狀態，徑向與軸向都會受到壓應力的影響，變形抗力被克服后，鋼管直徑在原有的基礎上擴大，變形區域之內的金屬于管內需要承受徑向壓力，且壓力值達到最大，在克服徑向變形抗力的過程中，金屬需承受的徑向壓力逐步接近0；金屬于軸向受到拉應力，通過克服變形抗力實現對管道厚度的減薄，相比拉拔式熱擴工藝使用期間的雙向受拉式的受力狀態，其整體受力狀態較為穩定，金屬完成全部變形之后，將不會繼續受到軸向力帶來的影響。

3 中頻熱擴鋼管質量控制措施

3.1 控制原管質量

針對中頻熱擴工藝加工的鋼管進行質量控制時，首先應對原管胚料進行嚴格把控，以此來預防鋼管產品的分層、孔洞以及翹皮等缺陷。我國制鋼、煉鋼技術已經達到較高水平，同時純凈鋼冶煉與鐵水預處理等技術相較過去都有了較大進步，因此鋼材料的均勻度與純凈度均有了較大提升，鋼材料中非金屬類雜質的實際含量已經大幅降低[6]。依靠球化技術來調整鋼種雜質的分布與形態，優化原鋼的性能。冶煉鋼材時，可采用真空脫氣、精煉與轉爐冶煉工藝。

3.2 控制工藝參數

重點控制溫度這一工藝參數，當溫度過低時，金屬將形成過大的變形抗力，提升擴徑變形的實現難度，應增大液壓缸提供的推制力，極易使連桿與芯棒受到損傷；若加熱溫度超過預設溫度范圍，出現過高的情況時，耗能隨之增加，芯棒前端部位的金屬材料會出現起皺的現象。因此應保持合適的溫度，具體應綜合考慮擴徑率、鋼管壁厚、材料相變溫度、原鋼管的材質以及材料形成裂紋對應的敏感溫度部位等相關因素[7]。中頻加熱控制系統如圖3所示，可通過智能化溫控系統來實現對加工溫度的精準控制。

當推進速度較快時，原管的溫度將因此而降低，并形成裂紋；當推進速度較慢時，原管將出現溫度升高的情況，引發堆鋼與鼓包等質量缺陷，芯管的可用時間將會因此而縮短。同樣，可通過自動化控制系統實現對推進速度的精準控制，選擇分辨率較高的優質傳感器輔助速度調節工作，對原管的具體線速度進行測量，再利用高精度型傳感器來檢測推制壓力數值，控制系統可將推進速度與液壓缸壓力等重要參數直接顯示在儀表界面上。根據擴徑率的大小和壁厚的薄厚，可適當調節熱擴道次和速度，一般初道熱擴設定的推制速度參數可選擇100～200 mm/min，第2道熱擴設定的推制速度參數可提高到200～250 mm/min。

3.3 合理選擇檢測技術

利用中頻熱擴工藝加工鋼管時，變形區的金屬材料呈現出單向受拉與雙向受壓的受力特點，通過控制參數有利于提高加工質量。若原管本身就存在質量缺陷，技術人員并未在檢查階段及時發現缺陷，進行熱擴處理時，缺陷將暴露出來，降低鋼管產品的合格率。因此完成熱處理后，應對鋼管的外觀展開仔細檢查，并進行拋丸處理[8]。

無論是處于熱處理狀態的母管，還是經過熱處理之后的熱擴鋼管，在溫度分別為500、450、400、350、300、250和200 ℃時形成的高溫屈服強度超過了標準要求。經過2次熱擴之后進行熱處理的鋼管具有的高溫屈服強度低于相應溫度條件下處于熱處理狀態的母管，高溫屈服強度差值在3%～7%之間，經過2次熱擴之后，高溫屈服強度相對比較穩定，波動范圍在4%左右，熱擴加工不會給經過熱處理的高溫拉伸性能造成明顯的影響[9-10]。

4 結語

中頻熱擴工藝能夠滿足無縫鋼管的加工需求，加工效果良好、經濟性強、優勢突出。在加工期間，應當重點控制加工溫度、推制速度，合理選擇加熱方式。在正確運用工藝技術的基礎上，還應全面落實加工質量控制，加工前期嚴格篩選原管胚料，加工過程中準確把控工藝參數，進行標準化操作，加工完成后還應做好后續處理與檢測，以此有效消除無縫鋼管的質量缺陷。