异型热轧钢管(无缝钢管是怎样生产的？)

Posted 2023-05-25

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异型热轧钢管(无缝钢管是怎样生产的？)

由整块金属制成的，表面上没有接缝的钢管，称为无缝钢管。根据生产方法，无缝管分热轧管、冷轧管、冷拔管、挤压管、顶管等。按照断面形状，无缝钢管分圆形和异形两种，异形管有方形、椭圆形、三角形、六角形、瓜子形、星形、带翅管多种复杂形状。最大直径达650mm，最小直径为 0.3mm。根据用途不同，有厚壁管和薄壁管。无缝钢管主要用做石油地质钻探管、石油化工用的裂化管、锅炉管、轴承管以及汽车、拖拉机、航空用高精度结构钢管。

从零到世界第一，中国无缝钢管艰辛发展历程

无缝钢管被誉为工业的“血管”，是国家工业建设和国防建设的重要原材料，无论制造飞机、轮船、火车、汽车、锅炉、电站，还是输油、输汽、输水，或者是开发矿藏进行地质钻探，哪儿都需要它，哪里也离不开它。可以说，如果离开了无缝钢管的话，很多如石油、化工、钢铁、机械、军工、航空航天等工业发展都将无从谈起。

1949年建国初期，我国还不能生产无缝钢管。当时只有上海，有一点钢管改制设备，但因缺乏热穿孔机械，不能用圆钢生产无缝钢管，又无法从国外进口毛管，只能采用进口或用过的旧无缝钢管改制为其它规格的无缝钢管。（注：虽然在新中国成立前，日本侵略者曾在东北的鞍山于1935年建了一套生产直径为70－150mm的热轧无缝钢管机组，但是在1945年日本投降后，其设备全部都被苏联拆运到了原苏联现乌克兰的乌拉尔第一钢管厂。所以在新中国成立时，我国是不能生产无缝钢管的）

新中国成立后，随着三年恢复经济和国民经济第一个五年计划开始实施，我国经济将迈上了走向工业化的道路。由于西方敌对国家对新中国实行经济封锁和禁运，靠从国外进口无缝钢管来源中断，而当时国内还不能生产，这对经济的恢复和国防工业都产生了严重的影响。

图为1952年秋鞍山钢铁厂被纳入一五计划

1953年12月26日，在我国的北方鞍山－鞍钢无缝钢管厂，几乎所有的工人都提前来到了工厂，紧张又兴奋。这一天，中国冶金史将掀开新的一页。下午2点半，操作台上的工人们各就各位。一锭通红的钢坯，从高温加热炉里滚出，钻过穿孔机。当火红的钢管头缓缓露出，在场的人无不欢呼雀跃，新中国第一根无缝钢管诞生了。

鞍钢无缝钢管厂原设计生产规格为 Φ57－140mm，壁厚4－20mm，长4－12m；设计产量 6.19万吨/年，投产后三年（1956年生产了6.6万吨）超设计7％达产。

鞍钢无缝钢管厂的投产，结束了我国不能生产无缝钢管的历史。从工厂破土动工，到第一根无缝钢管问世，仅仅用了1年零3个月。投产后的第二年（1954年）就先后试轧出了，锅炉管、地质管、油管和不锈钢管。在二辊斜轧穿孔机上穿轧不锈钢管成功，是我国无缝钢管生产史上一大盛事，这为我国以后的不锈钢管生产起了先导作用。

1958年3月8日在我国的南方－上海，永鑫五金制作厂（1958年7月改为上海永鑫无缝钢管厂，后来改为上海异型钢管厂）的技术人员和工人师傅们一起，在总结生产无缝铜管经验的基础上，研制出了我国第一台 Φ76mm穿孔机，结束了上海冷拔无缝钢管长期不能自供坯料毛管的历史。从而成为我国能生产热轧毛管（冷拔管料管）的第二家无缝钢管厂。后来发展成为我国品种最全、规格最多的异型钢管厂。

后来，上海冷拔钢管厂(上钢五厂)还在总结提高的基础上创造出了“二辊斜轧穿孔加牛油石灰冷拔”生产不锈钢管的新工艺。我国对于用二辊斜轧穿孔工艺生产不锈钢管的研究和实践堪称世界一流。

随着这种穿孔机在设备和工艺上的发展和完善，特别是在毛管的壁厚减薄、壁厚不均减小、内外表面质量的提高和穿孔后在线打头的实现等等，形成了用穿孔机穿制毛管后立即打头，然后直接进行冷拔，生产冷拔无缝钢管，即穿孔－冷拔无缝钢管生产线。

这种简易生产线，在我国当时非常缺少小直径无缝钢管的条件下，很快就成为较普遍的无缝钢管生产工艺之一。当然，这也是一种在我国特定的条件下“少投入，快产出，浪费资源” 的生产工艺。

少投入：比建设能生产相同规格热轧成品管的整套机组的投资；快产出：比建设能生产相同规格热轧成品管的整套机组，设备简单、数量少、重量轻和操作容易、达产快；浪费资源：比生产相同规格热轧成品管所需用的资源（原、辅材料，能源和人力）。这种工艺，后来在上海和其他地方的一些无坯料管自给的冷拔钢管厂或根本就没有无缝钢管厂的地方，先后建成投产了一批Φ50、60、76mm穿孔机或穿孔机－冷拔管生产线。

后来由于技术的发展和在市场的推动下又进一步向较大直径无缝钢管生产发展，先后建成投产了衡阳钢管厂、上海钢管厂、昆明市无缝钢管厂、广钢无缝钢管厂、长治钢铁公司、洪都钢厂、常州钢铁厂、天津市无缝钢管厂、大冶钢厂、大连钢厂、安阳钢厂、重庆市无缝钢管厂、成都金属加工总厂、首钢特钢厂、合肥钢铁厂等（Φ76mm）；重钢三厂（Φ90mm），长城特钢、抚顺钢厂、西宁钢厂、上海第一钢铁厂（Φ100mm），苏州钢厂（Φ120mm）和南通市特殊钢厂（Φ200mm）穿孔机和相应的冷拔、冷轧管生产线。及包钢无缝钢管厂（Φ400mm）自动轧管机组。

1958年国家决定，在我国的西南地区，利用匈亚利的三套（Φ133mm顶管机组和Φ216、318mm周期轧管机组）主轧管设备，我国自主设计、制造建设一个从管坯生产到无缝钢管成品（包括地质、油井管等）出厂的配套齐全的独立的专业化大型无缝钢管厂－成都无缝钢管厂。

我国第一个生产特殊钢无缝钢管厂诞生

1959年上海冷拔钢管厂建成投产了一台Φ76mm穿孔机和与其相配套的冷拔管生产线，投产不久，即被并入上钢五厂，成为特钢企业，向生产合金、不锈无缝钢管发展。1960年该厂在Φ76mm的穿孔机上成功地生产了18－8（304）不锈钢毛管，并通过冷拔方式生产出了我国第一批航空导管用不锈钢管。是我国第一个特殊钢厂里的无缝钢管厂，是我国军工用冷拔管的主要生产厂之一。

我国自主研制冷轧－冷拔管生产线投产

上海钢铁研究所在1961年建成投产了我国自己研制的第一台SG32－1三辊冷轧管机和小型冷拔管机，形成了完全国产化的“冷轧－冷拔管”生产不锈、精密、薄壁和超薄壁无缝钢管的生产线。

我国无缝钢管的发展历程是：从1953年的3000吨发展到1982年的101万吨，共用了29年，赶上了意大利（101万吨）、超过了英国（43万吨）和法国（66万吨）。在这29年当中，我国经历了58年的大跃进、三年自然灾害和10年文化大革命的天灾和人患。

70，80和90年代，由于国家经济政策的灵活和开放，随着国家重点企业在贯彻职工退休政策中，使一大批有技术的老工人和技术人员离开国营工厂；再加上，当时市场上无缝钢管，特别是不锈无缝钢管紧缺，利润较大。给一些个人或集体开设无缝钢管厂创造了有利的条件。

在南方，特别是在江浙两省，建成了一大批的“无缝钢管厂”，可能称为“作坊”更为确切，有的只设有一台简陋的穿孔机和1－2台简陋拉拔机；有的则只有1－2台简陋的拉拔机。当然，这些厂经过市场的筛选和淘汰，其中已有部分工厂，真正建成了名符其实的无缝钢管厂或不锈钢管厂等大型企业集团。

其中：

70年代，建成了山东省北墅生建钢管厂和无锡通达不锈钢管厂等建成投产Φ76mm自动轧管机组，河南孟县无缝钢管厂建成投产Φ50mm穿孔机。

80年代，常熟市远东钢管厂、宁波不锈钢管厂等建成投产Φ76mm自动轧管机组；湖州久立不锈钢管厂、江苏通州市钢管厂、靖江不锈钢管厂、张家港市不锈钢管厂和福建三明铁厂等建成投产Φ76mm穿孔机及冷拔钢管生产线。

90年代，黄石宝陆钢厂建成投产了Φ100mm自动轧管机组，山东青州市钢无缝管厂建成投产了国产Φ140mm狄塞尔轧管机组。

温州：丰业集团、青山特钢、华迪钢管、永上不锈钢等建成投产Φ100mm冷拔钢管生产线；巨星特钢、天宝特钢、江南钢管、华东钢管、丰源钢管等建成投产Φ76mm冷拔钢管生产线。

随着全国各地无缝钢管厂相继建成，我国无缝钢管生产的发展进入了黄金时期；从1982年开始连续15年平均以每年递增8.9％，到1997年生产了361万吨，达到了第一个高峰。在1992年生产了265万吨，超过日本（233万吨）；在1994年达到304万吨，超过俄罗斯（281万吨）成为世界第一生产大国，并一直保持止今。

沿其横截面的周边上无接缝的钢管。根据生产方法不同分为热轧管、冷轧管、冷拔管、挤压管、顶管等，均有各自工艺规定。材质有普通和优质碳素结构钢（Q215-A～Q275-A和10～50号钢）、低合金钢（09MnV、16Mn等）、合金钢、不锈耐酸钢等。按用途分为一般用途的（用于输水、气管道和结构件、机械零件）和专用的（用于锅炉、地质勘探、轴承、耐酸等）两类。

无缝钢管用途很广泛。一般用途的无缝钢管由普通的碳素结构钢、低合金结构钢或合金结构钢轧制，产量最多，主要用作输送流体的管道或结构零件。.2、根据用途不同分三类供应：a、按化学成分和机械性能供应；b、按机械性能供应；c、按水压试验供应。按a、b类供应的钢管，如用于承受液体压力，也要进行水压试验。3、专门用途的无缝管有锅炉用无缝管、化工电力用，地质用无缝钢管及石油用无缝管等多种。

无缝钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管道，如输送石油、天然气、煤气、水及某些固体物料的管道等。钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材。

广泛用于制造结构件和机械零件，如石油钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中用的钢脚手架等用钢管制造环形零件，可提高材料利用率，简化制造工序，节约材料和加工工时，已广泛用钢管来制造。

生产工艺

①热轧无缝钢管主要生产工序（△主要检验工序）：

管坯准备及检查△→管坯加热→穿孔→轧管→钢管再加热→定（减）径→热处理△→成品管矫直→精整→检验△（无损、理化、台检） →入库

②冷轧（拔）无缝钢管主要生产工序：

坯料准备→酸洗润滑→冷轧（拔）→热处理→矫直→精整→检验

一般的无缝钢管的生产工艺可以分为冷拔与热轧两种，冷轧无缝钢管的生产流程一般要比热轧要复杂，管坯首先要进行三辊连轧，挤压后要进行定径测试，如果表面没有响应裂纹后圆管要经过割机进行切割，切割成长度约一米的坯料。然后进入退火流程，退火要用酸性液体进行酸洗，酸洗时要注意表面是否有大量的起泡产生，如果有大量的起泡产生说明钢管的质量达不到相应的标准。外观上冷轧无缝钢管要短于热轧无缝钢管，冷轧无缝钢管的壁厚一般比热轧无缝钢管要小，但是表面看起来比厚壁无缝钢管更加明亮，表面没有太多的粗糙，口径也没有太多的毛刺。

热轧无缝钢管的交货状态一般是热轧状态经过热处理后进行交货。热轧无缝钢管在经过质检后要经过工作人员的严格的手工挑选，在质检后要进行表面涂油，然后紧接着是多次的冷拔实验，热轧处理后要进行穿孔的实验，如果穿孔扩径过大就要进行矫直矫正。在矫直后再由传送装置传送到探伤机进行探伤实验，最后贴上标签、进行规格编排后放置到到仓库当中。

圆管坯→加热→穿孔→三辊斜轧、连轧或挤压→脱管→定径（或减径）→冷却→矫直→水压试验（或探伤）→标记→入库无缝钢管是用钢锭或实心管坯经穿孔制成毛管，然后经热轧、冷轧或冷拨制成。无缝钢管的规格用外径*壁厚毫米数表示。

热轧无缝管外径一般大于32mm，壁厚2.5-200mm，冷轧无缝钢管外径可以到6mm，壁厚可到0.25mm，薄壁管外径可到5mm壁厚小于0.25mm，冷轧比热轧尺寸精度高。

一般用无缝钢管是用10、20、30、35、45等优质碳结钢16Mn、5MnV等低合金结构钢或40Cr、30CrMnSi、45Mn2、40MnB等合结钢热轧或冷轧制成的。10、20等低碳钢制造的无缝管主要用于流体输送管道。45、40Cr等中碳钢制成的无缝管用来制造机械零件，如汽车、拖拉机的受力零件。一般用无缝钢管要保证强度和压扁试验。热轧钢管以热轧状态或热处理状态交货；冷轧以热处理状态交货。

热轧，顾名思义，轧件的温度高，因此变形抗力小，可以实现大的变形量。以钢板的轧制为例，一般连铸坯厚度在230mm左右，而经过粗轧和精轧，最终厚度为1~20mm。同时，由于钢板的宽厚比小，尺寸精度要求相对低，不容易出现板形问题，以控制凸度为主。对于组织有要求的，一般通过控轧控冷来实现，即控制精轧的开轧温度、终轧温度.圆管坯→加热→穿孔→打头→退火→酸洗→涂油（镀铜）→多道次冷拔（冷轧）→坯管→热处理→矫直→水压试验（探伤）→标记→入库。

力学性能指标

钢材力学性能是保证钢材最终使用性能（机械性能）的重要指标，它取决于钢的化学成分和热处理制度。在钢管标准中，根据不同的使用要求，规定了拉伸性能（抗拉强度、屈服强度或屈服点、伸长率）以及硬度、韧性指标，还有用户要求的高、低温性能等。

①抗拉强度（σb）

试样在拉伸过程中，在拉断时所承受的最大力（Fb），除以试样原横截面积（So）所得的应力（σ），称为抗拉强度（σb），单位为N/mm2（MPa）。它表示金属材料在拉力作用下抵抗破坏的最大能力。

②屈服点（σs）

具有屈服现象的金属材料，试样在拉伸过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力，称屈服点。若力发生下降时，则应区分上、下屈服点。屈服点的单位为N/mm2（MPa）。

上屈服点（σsu）：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力；下屈服点（σsl）：当不计初始瞬时效应时，屈服阶段中的最小应力。

屈服点的计算公式为：

式中：Fs--试样拉伸过程中屈服力（恒定），N（牛顿）So--试样原始横截面积，mm2。

③断后伸长率（σ）

在拉伸试验中，试样拉断后其标距所增加的长度与原标距长度的百分比，称为伸长率。以σ表示，单位为%。计算公式为：σ=（Lh-Lo）/L0*100%

式中：Lh--试样拉断后的标距长度，mm；L0--试样原始标距长度，mm。

④断面收缩率（ψ）

在拉伸试验中，试样拉断后其缩径处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，称为断面收缩率。以ψ表示，单位为%。计算公式如下：

式中：S0--试样原始横截面积，mm2；S1--试样拉断后缩径处的最少横截面积，mm2。

⑤硬度指标

金属材料抵抗硬的物体压陷表面的能力，称为硬度。根据试验方法和适用范围不同，硬度又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、显微硬度和高温硬度等。对于管材一般常用的有布氏、洛氏、维氏硬度三种。

A、布氏硬度（HB）

用一定直径的钢球或硬质合金球，以规定的试验力（F）压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径（L）。布氏硬度值是以试验力除以压痕球形表面积所得的商。以HBS（钢球）表示，单位为N/mm2（MPa）。

其计算公式为：

式中：F--压入金属试样表面的试验力，N；D--试验用钢球直径，mm；d--压痕平均直径，mm。

测定布氏硬度较准确可靠，但一般HBS只适用于450N/mm2（MPa）以下的金属材料，对于较硬的钢或较薄的板材不适用。在钢管标准中，布氏硬度用途最广，往往以压痕直径d来表示该材料的硬度，既直观，又方便。

举例：120HBS10/1000/30：表示用直径10mm钢球在1000Kgf（9.807KN）试验力作用下，保持30s（秒）测得的布氏硬度值为120N/ mm2（MPa）。

无缝钢管的质量要求

（一）质量要求

①钢的化学成分：钢的化学成分是影响无缝钢管性能最主要的因素之一，也是制定轧管工艺参数和钢管热处理工艺参数的主要依据。

a. 合金元素：有意加入，根据用途

b. 残余元素：炼钢带入，适当控制

c. 有害元素：严格控制（As、Sn、Sb、Bi、Pb），气体（N、H、O）

炉外精炼或电渣重熔：提高钢中化学成分的均匀性和钢的纯净度，减少管坯中的非金属夹杂物并改善其分布形态。

②钢管几何尺寸精度和外形

a. 钢管外径精度：取决于定（减）径方法、设备运转情况、工艺制度等。

外径允许偏差 δ=（D-Di）/Di ×100% D：最大或最小外径mm

Di：名义外径mm

b. 钢管壁厚精度：与管坯的加热质量，各变形工序的工艺设计参数和调整参数，工具质量及其润滑质量等有关

壁厚允许偏差：ρ=（S-Si）/Si×100% S：横截面上最大或最小壁厚

Si：名义壁厚mm

C．钢管椭圆度：表示钢管的不圆程度。

d. 钢管长度：正常长度、定（倍）尺长度、长度允许偏差

e. 钢管弯曲度：表示钢管的弯度：每米钢管长度的弯曲度、钢管全长的弯曲度

f. 钢管端面切斜度：表示钢管端面与钢管横截面的倾斜程度

g. 钢管端面坡口角度和钝边

5．钢管表面质量：表面光洁要求

a. 危险性缺陷：裂纹、内折、外折、轧破、离层、结疤、拉凹、凸包等。

b. 一般性缺陷：麻坑、青线、划伤、碰伤、轻微的内、外直道、辊印等。

产生原因：

① 由于管坯的表面缺陷或内部缺陷所带来的。

② 生产过程中产生的，如轧制工艺参数设计不正确，模具表面不光滑，润滑条件不好，孔型设计及调整不合理。

③ 管坯（钢管）在加热轧制，热处理以及矫直过程中，如果因为加热温度控制不当，变形不均匀，加热冷却速度不合理或矫直变形量太大而产生过大的残余应力，那么也有可能导致钢管产生表面裂纹。

6．钢管理化性能：常温力学性能、高温力学性能、低温性能、抗腐蚀性能。钢管的理化性能主要取决于钢的化学成分，组织结构和钢的纯净度以及钢管的热处理方式等。

7．钢管工艺性能：压扁、扩口、卷边、弯曲、焊接等。

8．钢管金相组织：低倍组织（宏观）、高倍组织（微观） M、B、P、F、A、S

9．钢管特殊要求：合同附件、技术协议。

（二）无缝钢管质量检验方法：

1．化学成分分析：

化学分析法、仪器分析法（红外C—S仪、直读光谱仪、zcP等）。

①红外C—S仪：分析铁合金，炼钢原材料，钢铁中的C、S元素。

②直读光谱仪：块状试样中的C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Ni、Cn、A1、W、V、Ti、B、Nb、As、Sn、Sb、Pb、Bi

③N—0仪：气体含量分析N、O

2．钢管几何尺寸及外形检查：

①钢管壁厚检查：千分尺、超声测厚仪，两端不少于8点并记录。

②钢管外径、椭圆度检查：卡规、游标卡尺、环规，测出最大点、最小点。

③钢管长度检查：钢卷尺、人工、自动测长。

④钢管弯曲度检查：直尺、水平尺（1m）、塞尺、细线测每米弯曲度、全长弯曲度。

⑤钢管端面坡口角度和钝边检查：角尺、卡板。

3．钢管表面质量检查：100%

①人工肉眼检查：照明条件、标准、经验、标识、钢管转动。

②无损探伤检查：

a. 超声波探伤UT：

对于各种材质均匀的材料表面及内部裂纹缺陷比较敏感。

标准：GB/T 5777-1996 级别：C5级

b. 涡流探伤ET：（电磁感应）

主要对点状（孔洞形）缺陷敏感。标准：GB/T 7735-2004

级别：B级

c. 磁粉MT和漏磁探伤：

磁力探伤，适用于铁磁性材料的表面和近表面缺陷的检测。

标准：GB/T 12606-1999 级别：C4级

d. 电磁超声波探伤：

不需要耦合介质，可以应用于高温高速，粗燥的钢管表面探伤。

e. 渗透探伤：

荧光、着色、检测钢管表面缺陷。

4．钢管理化性能检验：

①拉伸试验：测应力和变形，判定材料的强度（YS、TS）和塑性指标（A、Z）

纵向，横向试样管段、弧型、圆形试样（￠10、￠12.5）

小口径、薄壁大口径、厚壁定标距。

备注：试样断后伸长率与试样尺寸有关 GB/T 1760

②冲击试验：CVN、缺口C型、V型、功J 值J/cm2

标准试样10×10×55（mm）非标试样5×10×55（mm）

③硬度试验：布氏硬度HB、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV等

④液压试验：试验压力、稳压时间、 p=2Sδ/D

5．钢管工艺性能检验过程：

①压扁试验：圆形试样 C形试样（S/D>0.15） H=（1+2）S/（∝+S/D）

L=40～100mm 单位长度变形系数=0.07～0.08

②环拉试验：L=15mm 无裂纹为合格

③扩口和卷边试验：顶心锥度为30°、40°、60°

④弯曲试验：可代替压扁试验（对大口径管而言）

6．钢管金相分析：

①高倍检验（微观分析）：非金属夹杂物100x GB/T 10561 晶粒度：级别、级差

组织：M、B、S、T、P、F、A-S

脱碳层：内、外。

A法评级：A类-硫化物 B类-氧化物 C类-硅酸盐 D-球状氧化 DS类。

②低倍试验（宏观分析）：肉眼、放大镜10x以下。

a. 酸蚀检验法。

b. 硫印检验法（管坯检验，显示低培组织及缺陷，如疏松、偏析、皮下气泡、翻皮、白点、夹杂物等。

c. 塔形发纹检验法：检验发纹数量、长度及分布。

（三）中国现行无缝钢管标准：

1．现行无缝钢管标准：

共有47项其中：GB 25 项 HB 3 项特殊用途19项；基础 2项产品 45项

2．常用标准：

① GB/T 2102 钢管的验收、包装、标志和质量证明书。

② GB/T 17395无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差。

③ GB 5310 高压锅炉用无缝钢管。

④ GB 9948 石油裂化用无缝钢管。

⑤ GB 6479 高压化肥设备用无缝钢管。

⑥ GB 18248 气瓶用无缝钢管。

⑦ GB/T 8162 结构用无缝钢管。

⑧ GB/T8163 流体设备用无缝钢管。

⑨ GB/T 3639 精密无缝钢管生产标准。

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