大口径薄壁气瓶用无缝钢管的制造工艺

陈 冬, 桑 伟, 吴宜檑

(德新钢管(中国)有限公司, 无锡 214177)

试验与研究

大口径薄壁气瓶用无缝钢管的制造工艺

陈 冬, 桑 伟, 吴宜檑

(德新钢管(中国)有限公司, 无锡 214177)

为了弥补热轧、冷轧等工艺对大口径薄壁气瓶用无缝钢管的加工能力不够或成本过高等不足，开发和完善了热扩加冷拔工艺来制造此类无缝钢管。试验结果证明：用此工艺生产的气瓶钢管可以满足GB 28884-2012的要求，同时也满足客户在性能、尺寸等方面提出的协议要求，可以弥补目前市场中此类气瓶钢管的不足。

大口径薄壁气瓶；无缝钢管；热扩工艺；冷拔工艺

“十一五”期间，压缩天然气(CNG)汽车等新型清洁燃料汽车已被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中[1-2]，中国还致力于组织实施包括CNG汽车在内的各种清洁能源汽车的重大项目[3-4]。笔者通过改进设备、优化工艺，研制了一种性能优良的车载气瓶用无缝钢管。下面以规格为φ660 mm×9.7 mm的30CrMoE钢为例，对其生产工艺进行详细的介绍，以供参考。

1 生产工艺路线

目前市场上能直接轧制φ660 mm无缝钢管的机组稀少，并且还受到壁厚、价格、交期等方面的限制，无法满足市场对此类钢管的需求。因此某公司结合自身的优势，添加了冷拔及辅助设备，通过实践证明能够生产出满足市场需求的此类钢管。具体生产工艺为：将规格为φ406 mm×16 mm的母管先扩径至φ665 mm×14.5 mm，再冷拔至φ660 mm×9.7 mm。

2 生产工艺流程

该气瓶用无缝钢管的生产工艺流程如图1所示。

3 主要工艺及要点

3.1 热扩工艺

3.1.1 母管的选择与准备

选用母管为热轧态φ406 mm×16 mm 30CrMoE成品管，此规格为热轧通用规格，产品性能稳定。在扩径之前需要对母管进行化学成分、硬度、非金属夹杂物、几何尺寸等检测，并要求满足协议要求。除此之外，还需要清除母管内壁的杂物与氧化皮后均匀涂抹润滑剂。润滑剂为粉末状石墨粉(粒径74 μm)、鳞片石墨粉(粒径68 μm)与水按质量比1∶1∶3混合。

图1 30CrMoE气瓶用无缝钢管的生产工艺流程Fig.1 Production technology process of 30CrMoE seamless steel tubes for gas cylinders

3.1.2 芯棒选配

芯棒的选择会直接影响扩径后钢管的外径与壁厚质量，因此芯棒的选择在热扩工艺中尤为重要。图2为芯棒形状示意图，此次选择的芯棒材料为AISI310不锈钢，外径为634 mm。

3.1.3 连杆选配

选择的连杆外径为219 mm，长度为14 000 mm，能使母管完全穿于连杆之上。芯棒导入段的端头与螺母焊接在一起，螺母的外径比导入段端头外径小5～6 mm。连杆端头与螺栓焊接在一起，螺栓、螺母为管螺纹，一般使用油田J55钢的接箍料，螺母和螺栓的焊接保证同心度一致。

图2 锥形芯棒形状示意图Fig.2 Sketch diagram of the shape of the conical mandrel

3.1.4 线圈选配

加热线圈的选择根据热扩成品管的外径而定：加热线圈外径=热扩成品管外径+80～120 mm。加热线圈的长度应覆盖芯棒导入区一半以上、变形区的全部和定径区一半以上，线圈的匝数为16匝，长度为1 200 mm，此次线圈外径为766 mm。

3.1.5 热扩过程

将准备好的母管穿于连杆之上，经中频线圈将芯棒与母管加热到一定温度，利用专用扩管机油缸把母管推进芯棒变径段，使钢管变径成型(图2)。

3.1.6 热扩工艺记录

热扩过程中，远红外测温仪与速度采集器会把收集的信号反馈到相应的模块中，模块会把信号转换成数字显示在中央控制台屏幕上，操作员可以根据显示的数据作出相应的调整、记录及存档打印。此次扩管温度为770～790 ℃，速率为120 mm·min-1。

3.1.7 扩径后尺寸

母管扩径后尺寸如表1所示。

3.2 热处理工艺

为了满足冷拔机能力以及避免拔制过程中钢管断裂或产生缺陷，扩径后钢管需要进行退火处理来降低钢管的硬度。热处理工艺为740 ℃保温90 min，炉冷至450 ℃出炉空冷，热处理后钢管硬度为158～175 HB。

表1 母管扩径后尺寸

3.3 后续质量控制工艺

3.3.1 矫直、内外抛丸和内外表面修磨

确保钢管直线度以及内外表面没有氧化皮、裂纹、折叠、翘皮、划道、孔洞、严重凹凸等缺陷，并且使钢管内外表面有一定的粗糙度与清洁度，从而保证磷化、皂化质量。

3.3.2 磷化、皂化

磷化工艺为：将钢管浸于65～70 ℃的磷化液中120 min，使钢管内外表面形成一层磷化膜，为皂化液的吸附作准备。磷化液指标检测结果为：游离酸1.0(d)，总酸度32.5(d)。

皂化工艺为：将磷化后的钢管在清水中洗净后浸入70～75 ℃的皂化液中80 min，使钢管内外表面吸附一层均匀的皂化液，从而起到润滑作用，避免由于工模具磨损和粘结金属而影响钢管内外表面质量。皂化液指标检测结果为：脂肪酸8.0(ND)。

3.4 冷拔工艺

3.4.1 外模选配

选用锥形外模，材料为Cr12MoV模具钢，内径为660 mm。

3.4.2 内模选配

选用锥形内模，材料为Cr12MoV模具钢，外径为642.2 mm。

3.4.3 连杆选配

选用直径为280 mm、丝牙直径为250 mm的连杆，使之与内模内孔紧配。

3.4.4 拔制过程

选用1 600 t液压式冷拔机，采用等径减壁冷拔

工艺进行拔制。拔制前需检查母管内外表面及磷皂化质量，并消除内、外模具表面毛刺等缺陷。拔制时内、外模中心应与连杆中心保持一致，避免产生弯曲或壁厚不均。

图3 冷拔加工示意图Fig.3 Schematic diagram of the cold drawing process

3.4.5 冷拔工艺记录

拔制力计算公式如下

(1)

式中：P为拔制力，N；ΔF为拔制前后规格截面积之差，mm2；K为拔制应力，N·mm-2，气瓶管K约为1 372。

钢管截面积计算公式如下

(2)

式中：F为钢管截面积，mm2；π取3.1416；S为壁厚，mm；D为外径，mm。

由于不同材料、规格钢管的膨胀系数不同，需要对内、外模具的尺寸进行精密计算。拔制过程为：用三抓钳口夹住钢管的一头，利用油缸的拉力使钢管通过变形区，在内、外模具的共同作用下使钢管产生变径、减壁、伸长。此次拔制力为1.27×107N，速率为500 mm·min-1。

3.5 探伤、全长测厚控制工艺

根据GB/T 5777-2008与GB/T 7735-2004的要求，对钢管进行超声波与涡流检测，未发现超出标准要求的缺陷。根据GB 28884-2012与协议的要求，需对钢管进行全长测厚以及其他尺寸检测，结果如表2所示。

表2 任选两支钢管的尺寸检测结果

3.6 理化试验工艺

根据协议要求，钢管拔制完成后需取样模拟气瓶热处理方式进行理化室小炉试验，所得结果应符合协议要求。

3.6.1 试验方法

分别在两根拔制完成的钢管上取300 mm×300 mm试样，编号为A与B。将取好的试样在理化室进行小炉热处理，热处理工艺为：淬火(920 ℃保温25 min，油冷)+回火(620 ℃保温50 min，空冷)。然后对试样进行化学成分分析、力学性能测试及金相检验。

3.6.2 试验结果

钢管试样的化学成分分析、力学性能测试和金相检验结果分别如表3～5所示，钢管试样的显微组织形貌如图4所示。由结果可见，钢管的化学成分、力学性能和显微组织的各项检测结果均在标准及协议的要求范围之内。

4 结论

(1) 该φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE气瓶用无缝钢管是在GB 28884-2012的基础上，根据协议的要求通过热扩加冷拔方法进行生产的。整个过程在技术、操作、质量、数据、记录等方面是可控且可追溯的，符合质保体系与产品标准要求。按照该工艺生产出的φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE钢成品的尺寸测量与理化检验结果均满足标准及技术协议要求。

(2) 热扩加冷拔工艺用于生产大口径薄壁气瓶用无缝钢管是一种可行、稳定、有优势的工艺，它可以弥补目前市场上其他工艺的不足，满足客户对此类无缝钢管的需求。

表3 φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE钢管的化学成分分析结果(质量分数)

表4 φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE钢管的力学性能测试结果

表5 φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE钢管的金相检验结果

图4 φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE钢管的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of φ660 mm×9.7 mm 30CrMoE steel tubes:a) longitudinal section of specimen A; b) cross section of specimen A;c) longitudinal section of specimen B; d) cross section of specimen B

[1] 周怡沛,周志斌.中国CNG汽车市场发展现状、趋势与策略[J].国际石油经济,2009,17(10):44-48.

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[4] 罗峰,赵峰.LNG汽车气瓶选型设计[J].汽车实用技术,2016(9):62-64.

Manufacturing Process of Seamless Steel Tubes Used for Large-Caliber Thin-Wall Gas Cylinders

CHEN Dong, SANG Wei, WU Yilei

(Dexin Steel Tube (China) Co., Ltd., Wuxi 214177, China)

In order to make up to the hot rolling and cold rolling process for the lack of processing capacity or high cost of seamless steel tubes for large-caliber thin-wall gas cylinders, the technology of thermal expansion and cold drawing was developed and improved to manufacture the seamless steel tubes. The test results prove that: the cylinder steel tubes manufactured by this technology could meet the requirements of GB 28884-2012, and also meet the agreement requirements of customers in performance, dimension and so on, and they could make up for the lack of such gas steel tubes in the market.

large-caliber thin-wall gas cylinder; seamless steel tube; thermal expansion process; cold drawing process

10.11973/lhjy-wl201707007

2017-03-30

陈 冬(1983-)，男，学士，主要从事钢管生产和质量监控工作，260068820@qq.com

TG335.71

A

1001-4012(2017)07-0487-04