CN102873512A - 核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法。所述制造方法包括以下步骤：加热圆钢坯；使用斜轧穿孔机对圆钢坯进行穿孔，形成毛管；使用Φ508mm皮尔格周期轧管机组将毛管轧制成管坯，确保管坯的全长壁厚偏差控制在±8％，并且管坯的断面壁厚极差不超过其全长壁厚偏差的80％；加热管坯至1000～1100℃，然后使用拉拔式扩管机组对管坯进行扩径；对扩径后的管坯进行软化热处理；对扩径后的管坯的内、外表面进行整体修磨，修磨量控制为1.0～1.8mm；使用精密液压拔机对整体修磨后的管坯进行拔制，制得核电站用大口径中厚壁无缝钢管。本发明具有生产成本低、生产效率高、产品几何尺寸精度高、表面质量好等优点。

Description

核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法

技术领域

本发明涉及大口径无缝钢管制造技术领域，更具体地讲，涉及一种制造核电站用大口径中厚壁无缝钢管的方法。

背景技术

在现有技术中，生产大口径中厚壁无缝钢管主要有以下几种生产工艺：

第一种，钢锭斜轧穿孔+内镗外拔机加工；第二种，Φ508mm以上的周期轧管机组；第三种，轧管机组供坯+整体加热拉拔式扩管；第四种，轧管机组供坯+分段加热顶推式扩径。

其中，第一种工艺是一种采用钢锭经斜轧穿孔，再内镗外拔机械加工制造钢管的生产工艺。该工艺制造的钢管几何尺寸精度高，表面质量好，但该工艺具有金属损耗大、成材率低、成本高、效率低等不足。

第二种工艺具有生产组织灵活(例如，可批量生产，也可零星生产)的特点，但周期轧管方式在轧制过程中轧辊弹跳值大，易造成壁厚与外径偏差大(即：钢管几何尺寸精度较差)，同时生产的钢管表面质量较差，不能满足核电管产品高尺寸精度的要求。

第三种工艺和第四种工艺具有生产工艺简便、成本低的特点，但钢管的几何尺寸精度及内外表面质量水平均不如第二种工艺。

综上所诉，亟需一种能够成批量、大规模地生产出满足要求的核电站用高精度大口径中厚壁无缝钢管的生产工艺。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的一项或多项。

例如，本发明的目的之一在于提供一种能够具有高的成材率且生产成本低、生产效率高的用于制造核电站用高精度大口径中厚壁无缝钢管的方法。

本发明提供了一种核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：加热圆钢坯；使用斜轧穿孔机对圆钢坯进行穿孔，形成毛管；使用Φ508mm皮尔格周期轧管机组将毛管轧制成管坯，确保管坯的全长壁厚偏差控制在±8％，并且管坯的断面壁厚极差不超过其全长壁厚偏差的80％；加热管坯至1000～1100℃，然后使用拉拔式扩管机组对管坯进行扩径；对扩径后的管坯进行软化热处理；对扩径后的管坯的内、外表面进行整体修磨，将修磨量控制为1.0～1.8mm；使用精密液压拔机对整体修磨后的管坯进行拔制，制得核电站用大口径中厚壁无缝钢管。

在一个示例性实施例中，所述圆钢坯的规格可以为Φ600mm；所述大口径中厚壁无缝钢管的规格按照外径×壁厚可以为559～610mm×25～40mm。

在一个示例性实施例中，所述制造方法还可包括在所述拔制步骤之前，对经过整体修磨后的管坯进行超声波探伤预检，并对超声波探伤预检合格的管坯进行酸洗、清洗、磷化和润滑。

在一个示例性实施例中，所述制造方法还可包括第一矫直步骤和第二矫直步骤，其中，所述第一矫直步骤设置在所述软化热处理步骤与所述整体修磨步骤之间，所述第二矫直步骤设置在拔制步骤之后。

在一个示例性实施例中，所述加热圆钢坯的步骤采用环形加热炉将圆钢坯均匀加热至1230～1250℃。

在一个示例性实施例中，所述扩径步骤可采用小变形量多道次的方式，所述小变形量多道次的方式是指每将管坯加热至1000～1100℃之后，对管坯进行2至4道次扩径，并将每道次扩径量控制为不大于20mm，同时确保扩径后的管坯的公差满足外径±0.75％、壁厚±10％。

在一个示例性实施例中，在所述拔制步骤中，可将拔制速度控制在0.5～2.5m/min，将液压拔机的***压力控制在8～12MPa，将拔制时的减壁量控制为1.5～2.5mm并将减径量控制为4～7mm。

在一个示例性实施例中，在所述管坯为高合金钢的情况下，所述软化热处理步骤采用完全退火工艺；在所述管坯为中、低合金钢的情况下，所述软化热处理步骤采用正火加回火工艺。

与现有技术相比，本发明采用能够实现对核电站用高精度大口径中厚壁无缝钢管进行低成本、高效率地制造。此外，本发明的制造方法还具有成材率高、适合大工业批量化生产的特点。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法。

根据本发明一个示例性实施例的核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法包括步骤：加热圆钢坯；使用斜轧穿孔机对圆钢坯进行穿孔，形成毛管；使用Φ508mm皮尔格周期轧管机组将毛管轧制成管坯，确保管坯的全长壁厚偏差控制在±8％，并且管坯的断面壁厚极差不超过其全长壁厚偏差的80％；加热管坯至1000～1100℃，然后使用拉拔式扩管机组对管坯进行扩径；对扩径后的管坯进行软化热处理；对扩径后的管坯的内、外表面进行整体修磨，修磨量控制为1.0～1.8mm；使用精密液压拔机对整体修磨后的管坯进行拔制，制得核电站用大口径中厚壁无缝钢管。

优选地，在本发明的一个示例性实施例中，所述圆钢坯的规格为Φ600mm；所述大口径中厚壁无缝钢管的规格按照外径×壁厚为559～610mm×25～40mm。

在本发明中，所述大口径中厚壁无缝钢管的外径与壁厚的比值(即，外径/壁厚，通常记为D/S)可为14至25。

优选地，在本发明的一个示例性实施例中，所述制造方法还可以包括在所述拔制步骤之前，对经过整体修磨后的管坯进行超声波探伤预检，以提高产品的成材率；并对超声波探伤预检合格的管坯进行酸洗、清洗、磷化和润滑。

优选地，在本发明的一个示例性实施例中，所述制造方法还可以包括第一矫直步骤和第二矫直步骤，其中，所述第一矫直步骤设置在所述软化热处理步骤与所述整体修磨步骤之间，所述第二矫直步骤设置在拔制步骤之后，设置第一矫直步骤和第二矫直步骤能够确保产品的直度。

优选地，在本发明的一个示例性实施例中，所述加热圆钢坯的步骤采用环形加热炉将圆钢坯均匀加热至1230～1250℃。

优选地，在本发明的一个示例性实施例中，所述扩径步骤采用小变形量多道次的方式，所述小变形量多道次的方式是指每将管坯加热至1000～1100℃一次之后，对管坯进行2至4道次扩径，并将每道次扩径量控制为不大于20mm，同时确保扩径后的管坯的公差满足外径±0.75％、壁厚±10％。

优选地，在本发明的一个示例性实施例中，在所述拔制步骤中，将拔制速度控制在0.5～2.5m/min，将液压拔机的***压力控制在8～12MPa，将拔制时的减壁量控制为1.5～2.5mm，并将减径量控制为4～7mm。

优选地，在本发明的一个示例性实施例中，所述软化热处理步骤采用正火加回火处理的方式，其中，正火温度为920±10℃，回火温度为690±10℃。

优选地，在本发明的一个示例性实施例中，所述整体修磨步骤将修磨量控制为1.0～1.8mm。

在另一个示例性实施例中，本发明的核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法也可以采用如下的方式来实现：

(1)总的艺流程可以为：Φ600mm圆钢坯(例如，电渣圆钢锭)→车削渣孔→坯料加热→斜轧穿孔机穿孔→Φ508mm皮尔格周期轧管机组轧制管坯→热锯头尾→冷却→转100吨扩管机组扩径→管坯软化热处理→矫直→内外表面整体修磨→管坯超声波探伤预检→酸洗→清洗→磷化→润滑→1000吨精密夜压拔机拔制→矫直→精整→尺寸及表面质量检查→包装入库。

(2)钢坯经LF精练+真空脱气处理后，再经由电渣重熔而制成。车削渣孔时偏心度应≤5mm。

(3)通过环形加热炉将钢坯均匀加热至1230～1250℃，优选地，加热至1235～1245℃。例如，钢坯在环形炉内进行具体的加热操作时，环形炉不供热段温度应＜800℃，炉料前后要空5～7排放置，应确保其他炉料温度不影响此钢坯加热温度，要求钢坯在炉内排列的间距为800mm，应采用中慢速均匀加热，并确保均热效果，加热不得出现因加热不均产生阴阳面、加热不透、过热、过烧现象，钢坯加热时间可以大于11小时，通常为11～13小时，出炉钢温1235～1245℃。

(4)斜轧穿孔机穿孔步骤，需要尽量使穿孔后的毛管目视平直，全长外径大小一致，穿孔后必须调整风管标高正对毛管中心吹净内表面氧化铁皮，同时加强毛管内壁及内变形工具的检查、加强芯棒润滑，以保证钢管内表面质量。而且应该根据不同的生产规格，选配相应的穿孔顶头尺寸。例如，对于Φ600mm钢坯，毛管外径控制在640～650mm，确保毛管长度≤4m。

(5)在热轧管坯的步骤，使用Φ508mm皮尔格周期轧管机组轧制将毛管轧制成管坯，确保管坯的全长壁厚偏差控制在±8％，并且管坯的断面壁厚极差不超过其全长壁厚偏差的80％。具体来讲，为确保热轧管坯的壁厚极差合格，为精拔尺寸达到产品技术要求创造条件，在热轧轧管前，对轧辊、导盘、顶头、芯棒等工模具进行检查，按管坯尺寸偏差的中值配备工模具；在管坯轧制过程中，应减缓打头速度，控制好喂入量，重轧系数不小于2.5，避免产生平面、棱子、凸包及壁厚的断面差超差。Φ508mm皮尔格周期轧管机组轧制管坯(例如，外径(OD)510mm)应保证全长壁厚偏差控制在±8％以内，断面壁厚极差不超过壁厚偏差的80％。

(6)为保证精拔后成品尺寸及表面质量满足要求，经热扩后管坯的几何尺寸公差需满足D±0.75％、S±10％。而且扩管时可以使用轧制管坯的皮尔格头端做为喇叭口，扩制完成后根据轧制管坯吹孔位置进行喇叭口切除。具体来讲，在实际生产中，控制以下方面：

第一，拉拔式扩管机的前台受料长度必须是大于5.5m；

第二，水压机扩喇叭口时不得出现扩皱、扩裂及扩歪，否则应锯切后重新扩口。

第三，步进炉加热温度按1000～1100℃控制，加热时间可以为100min～150min，且应踏步前进，保证加热均匀，确保加热质量，并防止出现阴阳面等加热缺陷；

第四，在坯料管出炉前，应做好扩机的准备工作。坯料管出炉后，尽快上扩机扩制，尽可能减少因中间过程中坯料管的降温量。

第五，采用小变形量多道次的热扩方式，所述小变形量多道次的方式是指每将管坯加热至1000～1100℃一次后，对管坯进行2至4道次扩径，并将每道次扩径量控制为不大于20mm，保证扩厚管坯几何尺寸满足要求。扩制时，应加强顶头的石墨润滑，确保钢管内表面质量。

(7)在扩径步骤之后，对管坯进行软化热处理。软化热处理步骤对于保证后续拔制步骤顺利进行起到重要作用。具体来讲，在所述管坯为高合金钢(例如，P91等)的情况下，所述软化热处理步骤采用完全退火工艺；在所述管坯为中、低合金钢(例如，WB36CN1等)的情况下，所述软化热处理步骤采用正火加回火工艺。上述完全退火工艺可以为：将管坯加热至900～950℃后，保温第一预定时间，所述第一预定时间按管坯的壁厚每毫米6～8分钟计算(即，对于壁厚为x毫米的管坯，其第一预定时间为6x～8x分钟，例如，x为40，则第一预定时间为240～320分钟)；然后以30～35℃/小时的速率炉冷至480～520℃，最后出炉空冷。上述正火加回火工艺可以为：将管坯加热至900～950℃后，保温第二预定时间，所述第二预定时间按管坯的壁厚每毫米2～3分钟计算(即，对于壁厚为x毫米的管坯，其第二预定时间为2x～3x分钟)；然后出炉空冷至室温，再进炉升温至650～700℃后，保温第三预定时间，所述第三预定时间按管坯的壁厚每毫米6～8分钟计算(即，对于壁厚为x毫米的管坯，其第三预定时间为6x～8x分钟)，最后出炉空冷。采用上述软化热处理工艺能够：将高合金钢(例如，P91等)管坯的屈服强度控制为不大于350MPa；将中、低合金钢(例如，WB36、CN1等)管坯的屈服强度控制为不大于450MPa。

(8)在经过热扩径处理之后，由于加热而在钢管内表面形成了厚度较厚且附着紧密的氧化层，并且在热扩径过程中，氧化层脱落后会嵌入内壁，形成大小不一的凹坑，这些均会严重影响精拔工序的进行，因此，采取内外表面整体修磨工艺，修磨量控制可以在1.0～1.8mm，从而能够清除管坯外表面氧化皮以及内表面的划伤、麻坑等缺陷。

(9)由于精拔冷变形过程对管坯的缺陷有放大效应，即使是细微的缺陷也会造成钢管表面缺陷，因此对管坯表面质量的控制至关重要，精拔前应对管坯按GB/T5777中L2当量进行超声波探伤预检，探伤合格后方可进行精拔工序。

(10)精密液压冷拔机拔制(简称精拔)

钢管经过精拔变形后，尺寸精度得到改善，但每一次精拔变形能够将尺寸精度提高多少，则是随钢种、钢管规格的不同而有所差异。精拔变形后的弹性变形回复会影响钢管尺寸精度，当变形抗力高时，弹性变形回复就大，对钢管尺寸精度影响也较大。综合考虑钢管的钢种、规格及产品尺寸允许偏差等因素后最终确定了精拔模具尺寸，如下：

管坯规格：565～616mm×27～42mm(设计减壁量1.5～2.5mm，减径量4～7mm)

拔制外模模具：560～610mm

拔制内模模具：480～560mm

精拔厚成品规格559～610mm×25～40mm，长度≥5米

这里，在拔制步骤之前，对管坯尺寸及表面进行检查，然后制头，接下来依次进行酸洗、清洗、磷化和润滑。具体情况如下：

a、制头

制头长度：350～400mm，制头外径：556～606mm。

b、酸洗：硫酸酸液浓度在10％～20％、Fe2+浓度不大于250克/升、温度控制范围50～70℃，根据酸液浓度、Fe2+浓度实际检测值确定酸洗时间。酸洗时间控制在35～45分钟，将钢管内外表面的氧化铁皮酸洗干净。

c、冲洗：酸洗后的钢管要在清水槽内多次充满水并倾倒，以倒掉管子内存的氧化铁皮和附着物为止。然后再倾倒放置在冲洗台上，用高压水自上而下逐根进行冲洗，直至管内流出清水为止。

d、磷化：总酸度30～40滴、游离酸度1～4滴、Zn(NO3)2为18～28克/升、H3PO4为4～7克/升、SO42-≤2克/升、温度60～70℃、磷化时间15～20分钟。

e、润滑：润滑剂浓度为1.2～2.6BN、游离碱度0～1.5Pt、温度50～65℃、皂化时间10～15分钟。

f、1000精密液压拔拔机制

①拔制中心线和拔制小车中心，以保持两者一致；

②确定外模安装到位压实、定位孔与模座套端面垂直；

③内模与芯杆、螺钉装配应为过渡配合，以防止过渡松动破坏模具和拔制中的浮动；

④拔制速度控制在0.5～2.5m/min，***压力控制在8～12MPa。拔制初期采用低速拔制速度，拔制平稳运行后根据***压力调整拔制速度。

本示例性实施例的方法具有生产工艺简单、成材率高、成本低、生产效率高的特点，并且其产品的几何尺寸精度高、内外表面质量好。此外，其产品能够满足核电站用大口径中厚壁无缝钢管的以下要求：

(1)钢管外径559～610mm；(2)钢管壁厚25～40mm；(3)钢管长度≥5m；(4)钢管满足GB/T5777-2008标准中L2当量的超声波探伤验收要求；(5)钢管满足JB/T4730.4-2005标准中磁粉探伤II级验收要求；(6)钢管的表面粗糙度Ra≤6.3；(7)钢管的尺寸公差：壁厚±5％，外径(+3.2mm，-0.8mm)。

下面将结合具体示例来详细描述本发明的示例性实施例。

在本示例中，对核电站用大口径中厚壁无缝钢管产品技术要求见表1。

表1本实施例的产品要求

本示例中，采用的生产工艺为：Φ600mm电渣圆钢锭→车削渣孔→坯料加热→斜轧穿孔机穿孔→Φ508mm皮尔格周期轧管机组轧制管坯→热锯头尾→冷却→转100吨扩管机组扩径→(管坯软化热处理)→矫直→内外表面整体修磨→超声波探伤→酸洗→清洗→磷化→润滑→1000吨精密夜压拔机拔制→矫直→精整→尺寸及表面质量检查→包装入库。

表2示出了坯料加热相关参数情况。

表2坯料加热相关参数

表3示出了斜轧穿孔工序的相关参数。

表3斜轧穿孔工序参数

表4示出了采用Φ508mm皮尔格周期轧管机组进行轧管时的相关参数。

表4Φ508mm皮尔格周期轧管机组孔型及尺寸控制

表5示出了扩管工序中的相关参数。

表5扩管工序中的相关参数

对于软化热处理，采用正火加回火的热处理工艺，保证其屈服强度在400MPa～450MPa之间，完全满足精拔要求。具体来讲，先将管坯加热至920±10℃后，保温100min；然后出炉空冷至室温，再进炉升温至690±10℃，保温240min。

在本示例中，内外表面整体修磨步骤中，外表面修磨量控制为≤1.0mm，内表面修磨量控制为≤0.5mm，以清除外表面缺陷、内表面的划伤和麻坑等缺陷，原则上以缺陷修磨干净为准。

在本示例中，超声波探伤预检的设备和相关参数如下：

设备：美国Φ720mmDAPCO全自动超声波探伤机

探头频率：4MHz

检验部位：内外表面100％全覆盖，断头盲区采用手工探伤检查

检验方向：纵横向

验收标准：GB/T5777-2008L2级

表6示出了酸洗工序的相关参数控制情况。

表6酸洗工序的相关参数

表7示出了磷化工序的相关参数控制情况。

表7磷化工序的相关参数

表8示出了润滑工序的相关参数控制情况。

表8润滑工序的相关参数

表9示出了采用精密液压拔制机进行拔制时的相关工艺参数。

表9精密液压拔制机拔制工序的相关参数

下面示出了对采用上述方法得到的3跟样管在轧管工序、扩径工序和拔制工序后的相关参数情况，以及所述3跟样管的成品钢管的力学性能值。

表10示出了轧管工序得到的管坯的几何尺寸。

表10轧管工序得到的管坯的几何尺寸

表11示出了扩径工序得到的管坯的几何尺寸。

表11扩径工序得到的管坯的几何尺寸

表12示出了拔制工序得到的成品钢管的几何尺寸。

表13示出了成品钢管的力学性能(纵向)情况。

表12拔制工序得到的成品钢管的几何尺寸

表13成品钢管的室温拉伸性能

表14示出了成品钢管的冲击性能情况。

表15示出了成品钢管的高温短时拉伸性能情况。

表16示出了将本示例的钢管与现有技术中的三种生产工艺所得钢管的相关参数进行比较的情况。

表14成品钢管的冲击性能

表15成品钢管的高温短时拉伸性能

表16本发明的钢管与现有技术的钢管的相关参数的比较情况

综上所述，本发明能够将圆钢锭(例如，规格为Φ600mm)经由Φ508mm皮尔格周期轧管机组轧制成管坯，再经由整体加热拉拔式扩管机组进行扩径，最后经由1000吨精密液压拔机进行拔制，制得核电站用大口径中厚壁无缝钢管，并且本发明具有生产成本低、生产效率高、产品几何尺寸精度高、表面质量好等优点。

Claims (10)

1.一种核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：

加热圆钢坯；

使用斜轧穿孔机对圆钢坯进行穿孔，形成毛管；

使用Φ508mm皮尔格周期轧管机组将毛管轧制成管坯，确保管坯的全长壁厚偏差控制在±8％，并且管坯的断面壁厚极差不超过其全长壁厚偏差的80％；

加热管坯至1000～1100℃，然后使用拉拔式扩管机组对管坯进行扩径；

对扩径后的管坯进行软化热处理；

对扩径后的管坯的内、外表面进行整体修磨，修磨量控制为1.0～1.8mm；

使用精密液压拔机对整体修磨后的管坯进行拔制，制得核电站用大口径中厚壁无缝钢管。

2.根据权利要求1所述的核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述圆钢坯的规格为Φ600mm；所述大口径中厚壁无缝钢管的规格按照外径×壁厚为559～610mm×25～40mm。

3.根据权利要求1所述的核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括在所述拔制步骤之前，对经过整体修磨后的管坯进行超声波探伤预检，并对超声波探伤预检合格的管坯进行酸洗、清洗、磷化和润滑。

4.根据权利要求1所述的核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括第一矫直步骤和第二矫直步骤，其中，所述第一矫直步骤设置在所述软化热处理步骤与所述整体修磨步骤之间，所述第二矫直步骤设置在拔制步骤之后。

5.根据权利要求1所述的核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述加热圆钢坯的步骤采用环形加热炉将圆钢坯均匀加热至1230～1250℃。

6.根据权利要求1所述的核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述扩径步骤采用小变形量多道次的方式，所述小变形量多道次的方式是指每将管坯加热至1000～1100℃之后，对管坯进行2至4道次扩径，并将每道次扩径量控制为不大于20mm，同时确保扩径后的管坯的公差满足外径±0.75％、壁厚±10％。

7.根据权利要求1所述的核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在所述拔制步骤中，将拔制速度控制在0.5～2.5m/min，将液压拔机的***压力控制在8～12MPa，将拔制时的减壁量控制为1.5～2.5mm并将减径量控制为4～7mm。

8.根据权利要求1所述的核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在所述管坯为高合金钢的情况下，所述软化热处理步骤采用完全退火工艺；在所述管坯为中、低合金钢的情况下，所述软化热处理步骤采用正火加回火工艺。

9.根据权利要求1所述的核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述大口径中厚壁无缝钢管的外径与壁厚的比值为14至25。

10.根据权利要求1所述的核电站用大口径中厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述大口径中厚壁无缝钢管的外径允许偏差为(+3.2mm，-0.8mm)；壁厚允许偏差为±5％。