厚壁无缝钢管品质上乘

“6年时间建造一个核电站，3年时间在等待锻件。”10年前说起我国对核电建设中的关键锻件大口径厚壁无缝钢管无法自主生产的窘境，曾有许多业内人士无奈地发出这句感慨。

“自主制造万吨级重型设备已不是难事，我们的目标是中国“极端制造”领跑世界。”如今再谈及这一话题，清华大学机械工程系重型装备研究团队成员的眼里已满是自信的光芒。

从2009年内蒙古3.6万吨垂直挤压机挤出 根厚壁无缝钢管打破国外垄断，到2015年青海6.8万吨挤压和模锻双功能重型压机挤出世界 长度的无缝钢管实现国际领先，短短几年技术创新突破，我国自主生产电力用高端耐热无缝钢管替代进口并跻身国际市场的夙愿正在成为现实。

“联手清华大学5年攻坚克难，世界首台6.8万吨重型压机能够完成95%以上的航空模锻件的生产，首根碳钢无缝钢管长达12.8米，直径630毫米，壁厚110毫米。”近日发布这一消息的青海康泰锻铸机械有限责任公司备受瞩目，公司技术研发部部长安杰告诉记者，6.8万吨多功能压机是目前世界上惟一具备模锻和挤压两个功能的 吨位的压机，可挤压生产核电和高参数超超临界火电机组高合金、难变形、大口径厚壁新型管材，也可锻造出航空、航天工业等领域大型和特大型钛合金、高温合金、超高强度金属等难变形锻件。

为什么要自主研发大吨位重型压机生产厚壁无缝钢管？世界 长度意味着什么？项目主要负责人清华大学机械工程系重型装备研究所教授吴任东给出了答案。

大口径厚壁无缝钢管是60万千瓦以上超临界、超超临界火力发电项目必不可少的装备，其制造依赖于重型压机，然而重型压机的制造技术却长期被国外垄断，我国一度只能高价进口。作为装备大国、电力大国，只有打破这样的尴尬处境才能真正在国际领域占有一席之地。

不仅如此，制造万吨级重型设备标志着一个 的制造能力，涉及设计、制造、运输、安装等诸多技术难题，属于“极端制造”领域，成功虽极其不易，但没人不想抢占先机。对已经积累了深厚技术经验的中国来说，打破国外垄断只是阶段性成果，领先国际水平形成 优势并掌握市场定价权才能在竞争中立于不败之地。

“更重要的，在应用领域，更长、更厚的无缝钢管是今后产品发展的方向。”吴任东说，随着电站功率增大以及海上钻油深度不断增加，对厚壁钢管的口径要求越来越大，而高合金钢管普遍存在难以焊接的问题也对厚壁钢管的长度提出更高要求。“值得一提的是，经过论证，6.8万吨重型压机已具备挤压生产长度18米、外径1.5米的难变形合金大口径厚壁钢管，这远远超过了世界同类其他设备的水平。”

据了解，截至目前，6.8万吨重型压机项目已累计完成投资11亿元，完成了压机工艺主辅设备安装及调试。在2015年的四次试制过程中，6.8万吨压机均成功挤出长度超过14米的厚壁钢管，尤其是高合金、大口径钢管的调试成功验证了压机当初设计的挤压功能和各项技术数据已达到设计指标，也证明挤压功能已经满足生产要求。

作为完全自主研发的建设项目，企业的更多突破也丰富了“世界先进水平”的内涵。安杰介绍，在挤压工艺完成过程中，一线技术人员解决了压机镦粗、穿孔前的外表面除鳞问题以及压机挤管前的外圆及内孔的玻璃润滑问题，为成功挤出世界 长度钢管奠定了坚实的基础。

厚壁钢管英文（Thick wall steel pipe）和薄壁钢管的 区别在于钢管壁的厚度，一般说来，薄壁钢管都是冷拔技术，而厚壁钢管一般使用热轧技术，如果是用度量单位来区分的话，那么，一般认为，壁厚/管径等于0.05是厚壁钢管和薄壁钢管的分水岭，壁厚/管径小于0.05的是薄壁钢管，大于的是厚壁钢管，在用途上来说，薄壁钢管多用于管道上。而厚壁钢管多应用于空心零件的坯料。承压以及重要管道上使用。

 

厚壁钢管主要应用于自来水工程、石化工业、化学工业、电力工业、农业灌溉、城市建设。作液体输送用：给水、排水。作气体输送用：煤气、蒸气、液化石油气。作结构用：作打桩管、作桥梁；码头、道路、建筑结构用管等。

 

国内常用材质为：10# 20mn 42crmo 36CrMo 40Cr 20Cr 15CrMo 12Cr1Mov Q235A，Q235B、0Cr13、1Cr17、00Cr19Ni11、1Cr18Ni9、0Cr18Ni11Nb、16Mn、20#、45#,Q345、L245、L290、X42、X46、X70、X80。

 

强度等级

1)以公称压力表示其等级或规定压力一温度额定值的管件，应按标准规定的压力一温度额定值作为其使用基准，如GB/T 17185；

2)标准中仅规定了与其相连直管的公称厚度的管件，按标准规定的基准管子等级确定其适用压力一温度额定值，如GB14383~GB14626。

3)标准中仅规定外形尺寸的管件，如GB12459、GB 13401，应通过验证性试验来确定其承压强度。

4)其他，应按有关规定进行压力设计或解析分析等方法来确定其使用基准。此外，管件强度等级的确定，还应不低于整个管道系统在操作中可能遇到的严酷工况下的压力。

1 应力应变和沮度分析将上述建立的有限元分析模必和设定的边界条件分别在 Marc 软件设定．获得了竺厚 17mm 的钢管轧制时的变形情况。图 2 为钢管在第 1o 机架变形区的等效应变、等效应力和沮度分布图。从图中可知．钢管产生的等效应变、等效应力以及轧制过程中的沮度分布并不均匀。在轧辊约束下．钢管外表面产生的变形小于内表面变形；辊缝处的等效应力小于辊底处的等效应力。从钢管的退度分布云图可以看出．钢管的外表面由于与处于较低沮度的轧辊的接触．沮度迅速下降较多；钢管中间部分的沮度升高，但幅度不大．主要是由于钢管变形．部分变形功转换为热债；钢管内表面沮度墓本不变．说明内表面通过对流和热辐射一与外界进行的能徽交换较少。
2 成品钢管的周向壁厚分析本文在进行钢管张力减径的有限元计算过程中发现．划分的有限单元网格产生崎变．单元节点与其径向位！偏离较大．由此会导致在 Marr 自带的后处理模块中计算成品钢管峨厚时会产生较大的误差。因此，本文将有限元计算获得的结果文件导入到 CAD 软件中进行壁厚侧．，能充分保证侧盆的准确性。钢管周向璧尽按图 3 所示位 t 进行侧盆。图 4 为本文经过计算获得的不同壁厚的钢愉减径后的璧厚沿周向分布图。可以粉出变形后的成品
钢管的壁厚并不一致．且都出现了内多边形现象．壁厚越小。出现的内多边形现象越严欢。分析产生内多边形的原因主要有如下 3 点： ( 1 ）轧辊孔型的椭阂形状导致张力减径过程中金属沿孔型圆周方向的压下峨出现趋异．辊底处的压下反较大而辊缝处压下盆较小；同时，辊底的金属和辊缝的金属变形时的流动方式不一样，辊底金属向内侧流动，而辊缝金属向外侧流动。 ( 2 ）轧辊运动时，其横截面上不同位，的线速度导致了钢管表面的牵擦力分布不均。图 5 给出了变形过程中钢管表面的雌徐力分布云图．从图中可以粉出，由于钢管的线速度小于辊缝处的线速度．而大于辊底处的线速度，由此造成了康擦力方向在辊缝位且与轧制方向相同，而在辊底位置雌擦力与轧制方向相反．并在辊缝处形成了轴向压应力 M ，而在辊底处形成轴向拉应力，并且越帐近辊缝和辊底位， . 康擦引起的附加应力越大。