国内大容积气瓶用无缝钢管发展概述

王洪海，桑 伟，陈俊德，陈 冬

（德新钢管（中国）有限公司，江苏 无锡 214177）

大容积无缝气瓶通常是指外径为559 mm或以上且水容积超过150 L的无缝气瓶，通常用来组装成长管拖车以运输压缩天然气、氢气和氦气等高压气体。压缩天然气中残留的硫化物在湿环境下对高压气瓶有应力腐蚀作用［1］，高压氢气则有可能使高强钢发生氢脆［2］，并且高压气瓶还要经受疲劳载荷、冲击载荷、极端环境温度和充卸气过程中温差变化引起的应力载荷作用［3］；因此，对大容积气瓶用无缝钢管的制造提出了很高要求。从2001年国内第一支大容积无缝钢瓶试制成功到2008年，国内大容积气瓶用无缝钢管完全依赖进口，国外制造厂商主要为意大利Dalmine工厂和美国联合钢铁公司。2008年，天津钢管三圆管材有限公司和攀钢集团成都钢钒有限公司（简称攀成钢）分别开发了大容积气瓶用无缝钢管［4-6］，逐步取代了进口。

目前，国内先后开发了连轧管+斜轧式热扩工艺（天津钢管集团股份有限公司）、周期轧管+拉拔式热扩工艺（攀成钢）、连轧管+推制式热扩+冷拔工艺、热轧管+冷拔工艺（德新钢管（中国）有限公司，简称德新钢管）等大容积气瓶用无缝钢管制造工艺［7］；大容积气瓶用无缝钢管的直径从559 mm发展到如今普遍使用的715 mm和850 mm，壁厚公差也由0～27.5%提高到0～15.0%，制造能力和产品质量均处于世界领先地位；产量不仅能满足国内每年8万t左右的需求，而且每年还向欧洲、美国等发达国家和地区出口2万t左右。总结国内大容积气瓶用无缝钢管的发展经验，从技术要求、制造工艺两方面概述我国近十年大容积气瓶用无缝钢管的发展状况，指出今后大容积气瓶用无缝钢管的发展方向和趋势。

1 大容积气瓶用无缝钢管的技术要求

1.1 材 质

钢质气瓶用无缝钢管的材料发展经历了低碳钢、中碳钢、碳锰钢、铬钼钢及合金钢等几个阶段［8］，呈现出材料的综合性能不断提高，钢瓶的壁厚降低，气瓶向高压、轻量化发展趋势。

我国自20世纪60年代开始发展锰钢气瓶，由于正火锰钢气瓶工艺简单、经济性高，因此逐渐成为无缝钢瓶的主流产品。与之前的中碳钢相比，碳锰钢的综合性能有所提高，但是，由于锰钢中通常有呈枝晶间共晶形式的Ⅱ型MnS，其在轧制过程中易形成片状或长条状的MnS夹杂物，这种夹杂物在随后的热处理过程中也难以消除［9］。片状或长条状MnS夹杂物的尺寸一般较大，与基体的结合强度较低，破坏了基体的连续性，使钢的冲击韧性降低［10］。另外，MnS夹杂物与基体具有不同的热膨胀系数，在拉应力和温差应力的作用下易于在界面处形成应力集中和微空隙，钢中的可扩散氢在应力诱导作用下向空隙中聚集，随着空隙部位的氢浓度增大，氢压升高，引起界面开裂，从而加剧了碳锰钢对氢致开裂的敏感性［11］。

由于碳锰钢的上述缺点，国内也逐步推广使用铬钼钢气瓶。铬钼钢在Cr与Mo共同合金化作用下，既有良好的淬透性，又提高了抗高温回火脆性的能力。Cr是一种强碳化物形成元素，在回火时析出的碳化物Cr23C6可产生强化效应，并且通过晶粒细化可成为捕获氢的不可逆陷阱，降低钢的氢脆敏感性［12］。Mo可提高钢的回火抗力，在达到相同强度的情况下，回火温度升高可降低淬火内应力、位错密度和畸变，提高其抵抗硫化氢应力腐蚀（SSC）和氢脆的能力［13］。此外，Mo 在原奥氏体晶界的偏聚能够降低S、P杂质在晶界的偏聚量，提高晶界的结合强度，改善铬钼钢的耐延迟断裂性能。因此，铬钼钢具有良好的综合性能，目前已经成为制造大容积气瓶用无缝钢管的必然之选。

我国GB 28884—2012《大容积气瓶用无缝钢管》和GB/T 33145—2016《大容积钢质无缝气瓶》均要求大容积气瓶材质是铬钼合金钢。GB/T 33145—2016包括两类钢瓶，即盛装致脆性气体的钢瓶（Ⅰ类钢瓶）和盛装非致脆性气体的钢瓶（Ⅱ类钢瓶），致脆性气体包括氢气、天然气、甲烷。就瓶体材料而言，GB/T 33145—2016给出了两个组别的铬钼钢：组别Ⅰ的典型牌号是GB 28884—2012中的30CrMoE（4130X），用于Ⅰ类钢瓶；组别Ⅱ是碳含量较高的铬钼钢，典型牌号是GB 28884—2012中的42CrMoE（4142），用于Ⅱ类钢瓶。GB/T 33145—2016对气瓶瓶体材料铬钼钢的化学成分要求见表1。

表1 GB/T 33145—2016对气瓶瓶体材料铬钼钢的化学成分（质量分数）要求 %

国内外标准对气瓶用钢中杂质、有害元素和气体含量的要求见表2。GB/T 33145—2016对S、P杂质及有害元素和钢中气体的要求均高于GB 28884—2012，国内标准均严于国际同类标准ISO 11120∶2015和美国交通运输部标准DOT-3AAX。

GB/T 33145—2016和GB 28884—2012均要求钢管用坯料都应当是电弧炉或氧气转炉+炉外精炼处理的无时效性镇静钢，宜采用连铸连轧钢坯或锻制钢坯；钢坯表面不得有目视可见的结疤、气孔、针孔、重皮及深度超过0.5 mm的裂纹；横截面酸浸低倍试片上不允许有目视可见的白点、分层、气泡、夹杂和折叠等缺陷，低倍组织缺陷按YB/T 4149—2006《连铸圆管坯》附录A评级图评定，中心疏松、缩孔、中心裂纹、中间裂纹、皮下裂纹和皮下气泡的合格级别均不得大于1级；按GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定》A法进行非金属夹杂物检验评级，B、C、D、DS类非金属夹杂物等级应分别≤1.0、≤0.5、≤1.5、≤1.5，A类非金属夹杂物细系≤1.5、粗系≤1.0。

表2 国内外标准对气瓶用钢中杂质、有害元素和气体含量的要求 %

表3 GB 28884—2012对30CrMoE和42CrMoE气瓶用钢经淬火+回火热处理后的纵向力学性能要求

1.2 力学性能

GB 28884—2012规定了30CrMoE和42CrMoE经淬火+回火热处理后的纵向力学性能，具体见表3。

大气瓶标准GB/T 33145—2016对于Ⅰ类钢瓶用材料的冲击试验要求比钢管标准GB 28884—2012更为严格。GB/T 33145—2016要求标准横向试样的冲击功平均值不小于60 J，单个试样的冲击功最小值不小于48 J。一般认为，钢瓶的爆破失效通常是经过初始缺陷—疲劳—缺陷扩展—突然受到冲击—爆破失效，爆破口的方向通常是横向冲击试验的方向，这是瓶壁中周向应力最大所致，所以横向冲击更能模拟气瓶的爆破失效。此外，钢中的Ⅱ型MnS在钢轧制过程中偏转到轧制平面方向上，形成片状或长条状的MnS夹杂物，从而导致钢的横向冲击韧性低于纵向冲击韧性［9］。

另外，GB/T 33145—2016还要求Ⅰ类钢瓶用材料热处理后的抗拉强度不能超过880 MPa，这是基于降低材料对SSC和氢脆敏感性的考虑［3］。但是，从目前材料的性能和制造水平及热处理水平来看，880 MPa的抗拉强度门槛值设定得较为保守［14］。这是因为如今材料中S、P杂质和有害元素及气体的含量控制得非常低，材料的纯净度提高；并且钢的微合金化及炼钢技术不断发展，使得材料的质量逐步提升，材料的综合机械性能、抗氢脆和SSC的能力也随之提升［15］。ISO 11120∶2015标准正是基于材料的进步逐步提高气瓶的抗拉强度上限，实现气瓶的轻量化及提高运输效率的目标，而1999版的ISO 11120标准将Ⅰ类钢瓶的实际抗拉强度上限限定在950 MPa，2015年版又规定Ⅰ类钢瓶的抗拉强度上限值可进一步提高，并可通过ISO 11114-4∶2005《移动气瓶 气瓶和瓶阀材料与盛装气体的相容性第4部分：选择耐氢脆的金属材料的试验方法》所要求的试验进行验证，实际抗拉强度不能超过1 100 MPa。

1.3 尺寸精度

GB/T 33145—2016对气瓶用无缝钢管的尺寸精度要求如下：①壁厚偏差不应超过规定壁厚的0～20%；②外径偏差不应超过公称直径的±1%；③直线度不应超过总长的0.15%；④圆度不应超过该截面平均外径的2%。

生产实践中，由于交通管理部门严格要求长管拖车整车满载时的总质量不能超过40 t，并且由于气瓶设计制造标准保守导致气瓶设计壁厚偏高，气瓶制造厂家只能寄希望于无缝钢管制造厂提高钢管的尺寸精度，在保证最小设计壁厚的前提下尽可能地降低无缝钢管的质量，从而提高运输效率。如今，连轧管+推制式热扩+冷拔工艺和热轧管+冷拔工艺因为具有产品尺寸精度高、内外表面质量好的优势，逐步取代了连轧管+斜轧式热扩工艺和周期轧管+拉拔式热扩工艺。冷拔后的大容积气瓶用无缝钢管的壁厚公差可以控制在0～15%，外径偏差在±0.75%，直线度不超过总长的0.1%。通过先进的制造工艺和制造方法进一步提高尺寸精度和制造质量，是今后大容积气瓶用无缝钢管的发展方向之一。

2 大容积气瓶用无缝钢管的制造工艺

2.1 连轧管+斜轧式热扩工艺

连轧管+斜轧式热扩工艺的主要流程如下。

（1）炼钢：电炉EAF冶炼→炉外精炼LF→VD真空脱气→CCM连铸→冷却→管坯检验。

（2）荒管制备：管坯加热→定心→穿孔→连轧→定径→冷却→锯切→矫直→探伤→检验。

（3）Φ720 mm斜轧式热扩：坯管上料→步进炉加热→高压水除鳞→斜轧扩管机扩管轧制→均整机均整→旁通或再加热炉加热→四辊定径机定径→冷床冷却→压力矫直机矫直或矫直后铣切锯切割→探伤→水压试验→倒棱机倒棱→测长、称重、喷标→入库。

斜轧热扩的母管来自Φ460 mm连轧管机组，母管送入加热炉中加热至1 130～1 200℃，由辊道送出，经高压水除鳞后，以螺旋状回转的运动方式送入斜轧扩管机进行扩管轧制。斜轧扩管机主要是由两个转向相同的锥形辊、一个锥形顶头和一个沿轧制中心线方向支撑顶头的顶杆组成，在轧制过程中，管径扩大，壁厚减薄，总延伸系数接近1。

斜轧式热扩工艺历史悠久、工艺成熟，早在1925—1933年美国和德国就相继研制出斜轧扩管机组并投入生产。该工艺生产效率较高、坯料变形速度快、一次扩径量大，配置均整机的机组可保证较高的产品质量。但是，由于该工艺技术复杂，导致机组设备庞大，初始投资和生产成本高，壁厚均匀性较差，内外表面残留有较深的螺旋痕迹，影响了斜轧热扩钢管的市场竞争力。目前该工艺已不再用于大容积气瓶用无缝钢管的最终生产阶段。

2.2 周期轧管+拉拔式热扩工艺

周期轧管+拉拔式热扩工艺的热轧母管来自于周期轧管机组，由于周期轧管机组不设均整机，对母管的壁厚均匀性和表面质量有较大影响。拉拔式扩管机组由扩管机架、拔管机架、托管升降台、扩管卡头、拔管小车、扩径顶头（带拉杆）和直流电机带动的齿轮减速机构七大部分组成。进行拉拔热扩之前，先在坯料管的管端扩出一个喇叭口，便于热扩时用内外卡环卡住管端并进行水冷，然后由链条牵引芯棒杆并带动顶头穿过坯料管，从而实现扩径减壁。该工艺的特点是机组设备简单，便于组织生产，产品规格灵活多样，可加工较长的成品；但是，拉拔式扩管机组生产效率低、成材率低、工件费用高，并且产品的外径精度低、外表面呈波浪形、表面不光滑、坡口质量差［16］。现在国外许多国家已不再新建拉拔式扩管机组，国内也不再使用该工艺制造大容积气瓶用无缝钢管。

2.3 连轧管+推制式热扩+冷拔工艺

推制式热扩径工艺也称中频热扩无缝钢管工艺、顶推式热扩径工艺、推进式热扩径工艺、推拉式热扩径工艺。该工艺起源于20世纪50年代的德国，并在我国得到快速发展、改进及完善。其工艺原理是：将毛坯管置于中频加热炉中进行局部快速加热，依靠液压缸活塞的运动推动毛坯管，使其逐步通过锥形的内模芯棒实现扩径。推制式热扩径工艺的一般流程为：复检合格的毛坯管→检查修磨→选择芯棒→毛坯管内壁涂润滑剂→加热扩径→热处理→理化检验→矫直→内、外表面处理→探伤、测厚→水压试验→尺寸及外观检验→后续加工［17］。

国内于2010年开始将推制式热扩径工艺与冷拔工艺结合起来，用于制造大容积气瓶用无缝钢管［18］，其基本流程如图 1 所示［19］。

图1 推制式热扩+冷拔工艺的基本流程

推制式热扩管的质量与扩径率、推进速度、加热温度等参数密切相关。考虑到钢管热扩时为两向受拉、一向受压的应力状态，为了防止热扩时钢管内部微观缺欠扩展，扩径率一般控制在1.5以内，扩径次数不超过一次。后续拔制通常采用减径减壁厚的冷拔工艺，使延伸系数大于1.2，这样可使钢管的内部组织更加致密均匀，并获得良好的表面质量和尺寸精度。

2.4 Φ720 mm热轧管+冷拔工艺

连轧管+推制式热扩+冷拔工艺路线较长，并且由于推制式热扩的推进速度较低，影响了生产效率。随着国内Φ720 mm热轧管机组的发展，以及大直径热轧管尺寸精度的提高，Φ720 mm热轧管+冷拔工艺逐渐被用于制造大容积气瓶用无缝钢管。这种工艺的基本流程是：管坯加热→定心→穿孔→斜轧或周期轧管→冷却→锯切→矫直→探伤→尺寸检验→内、外表面抛丸→内、外表面检查修磨→磷化、皂化→第一道冷拔→全长测厚→磷化、皂化→第二道冷拔→矫直→内、外表面抛丸→探伤、测厚→理化试验→切头、定尺→尺寸及外观检验→喷标、入库。

这种工艺的生产效率高，热轧和冷拔过程中钢管的受力状态好，有助于改善钢管的微观组织。不足之处是大直径热轧钢管的壁厚较大，制造大容积气瓶内胆用薄壁无缝钢管时需要使用更多道次的冷拔，致使生产成本提高。进一步提高大直径热轧管的径厚比和制造精度是今后大容积气瓶用无缝钢管的发展方向之一。

3 大容积气瓶用无缝钢管的发展趋势

轻量化设计和制造是今后长管拖车的发展趋势，是响应国家节能减排战略和贯彻可持续发展观的重要举措。“十三五”国家重点研发计划“移动式承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究”已经将“长管拖车用大容积气瓶的设计方法、上装与行走机构的轻量化设计方法等研究”列为一项重要的研究内容［20］。依靠技术进步和科技创新开发新材料、新方法和新工艺，促进大容积气瓶的轻量化，保障气瓶的安全性和可靠性，是今后大容积气瓶用无缝钢管的发展趋势。

3.1 开发新材料

开发具有优良综合机械性能、抗SSC和氢脆性能的材料是实施大容积气瓶轻量化的关键和基础。（30CrMoE）4130X是制造大容积气瓶常用的铬钼钢。在4130X的基础上，通过化学成分优化，添加微量合金元素V、Nb和Ti进行微合金化，是提高大容积气瓶综合性能的一条途径。

利用微量合金元素V、Nb和Ti对低合金钢进行微合金化处理可达到细化晶粒的目的［21］。晶粒细化可提高钢的强度，改善钢的塑性、韧性，并得到更低的韧脆转变温度（FATT）。热加工过程中应变诱导析出的V、Nb和Ti的碳化物和氮化物粒子优先沉淀在奥氏体晶界、亚晶界、变形带和位错线上，从而能有效阻止晶界、亚晶界和位错的运动，既可阻止晶粒长大，又可促进相变形核［22］。V在钢中可与C形成稳定的微细碳化物V4C3。在高压气瓶常用铬钼钢34CrMo4中添加0.05%～0.08%的V，可以提高材料的抗拉强度和冲击韧性，并使材料的塑性得到改善［23］。但是，由于V的价格昂贵，高强钢中 w（V）不宜超过 0.2%［24］。Nb 在调质钢中既可以引起固溶强化，又能应变析出，起到沉淀强化和细晶强化的作用。利用Nb微合金化在压力容器高强钢的开发中已经获得广泛应用［25］。在800 MPa级超细晶粒钢中，TiN粒子是阻止奥氏体晶粒粗化最有效的析出粒子［26］。典型螺栓钢42CrMo通过V、Ti、Nb的复合加入，可在较宽的温度区间阻碍奥氏体晶粒长大［22，27］。另外，均匀弥散分布在晶格内的V、Nb和Ti的微细碳化物可以显著降低钢的氢脆敏感性［28-29］。

3.2 采用先进的炼钢和轧钢工艺

通过先进的炼钢和轧钢工艺，控制坯料中夹杂物的数量、形态和分布，以及凝固过程中的偏析、钢的显微组织和晶粒度，均可以改善材料的综合性能。

钢中尺寸大于20μm的带状硫化物是影响气瓶钢质量的主要因素。在冶炼过程中，喷吹适量的Si-Ca，可以抑制条状和带状MnS的生长，改善其形状和分布。喷吹Si-Ca后仍会残留少量长条状的MnS，可再加入适量稀土元素RE，用RE取代Mn与S，生成Ce2S、CeS、CeOS2、RE2S3等稳定的RE硫化物，进一步提高材料的抗氢脆性能。

对连铸坯液相穴进行电磁搅拌，可以使钢液的流动状态有利于非金属夹杂物及气泡上浮，降低铸坯内夹杂物及气泡的含量。同时，电磁搅拌还可以打碎枝状晶，形成等轴晶，提高铸坯的等轴晶率，减少中心偏析、中心疏松和缩孔，改善铸坯的凝固组织。连铸坯的动态轻压下技术可以消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，使铸坯的凝固组织更加均匀致密，从而改善中心偏析和中心疏松［30］。在转炉连铸生产高压气瓶常用钢34CrMo4的过程中，采用结晶器电磁搅拌配合凝固末端电磁搅拌及动态压下技术可使钢坯达到较高的致密度，中心疏松小于1 级［31］。

控轧控冷技术（TMCP）是配合钢的微合金化发展起来的一项先进轧钢技术。利用合金元素沉淀强化的作用，可以使钢的强度明显升高，但不采用控制轧制会使钢的韧性变坏。只有通过控轧，在热变形过程中析出特定大小的质点，阻止再结晶后的晶粒长大，使晶粒细化，达到提高钢的强度和韧性的目的［32］。TMCP 的核心是晶粒细化和细晶强化［33］。以超快速冷却为核心的新一代TMCP技术已经在石油套管的生产中得到应用［34-35］。今后可考虑将该技术应用于大容积气瓶用无缝钢管的生产。

目前，德新钢管联合国内钢厂开发大容积气瓶用无缝钢管新材料。通过优化4130X中Si、Mn、Cr、Mo等元素的含量，添加微量合金元素V、Nb和Ti，结合新的炼钢和轧钢工艺，使新材料在调质热处理后达到以下性能指标：①抗拉强度850～950 MPa，屈强比≤86%，断后伸长率A50mm≥20%，-40℃冲击功∧60 J；②在900～950 MPa的抗拉强度下通过SSC试验和ISO 11114-4∶2005要求的氢脆试验。

3.3 采用先进的无缝钢管制造方法

目前，制造大容积气瓶用无缝钢管普遍使用的连轧管+推制式热扩+冷拔工艺和热轧管+冷拔工艺，可使钢管壁厚精度达到0～15%，钢管实际质量比理论质量高8%左右。强力旋压工艺是航空、航天、军工、核电等领域中广泛用于制造精密回转件的一种工艺［36］。该工艺在中小容积无缝气瓶生产中已有应用研究，并取得了较好的减重效果［37-38］，已经成为制造航空气瓶的首选工艺［39］。但是，随着大容积气瓶用无缝钢管直径和长度的增加，强力旋压工艺的应用将变得异常困难，主要体现在：工件较长、自重较大，容易产生弯曲变形，导致旋压过程中产生振动，并使旋压轮的受力不均，影响成形件的壁厚偏差；毛坯管的直径偏差、椭圆度和直线度偏差较大，导致穿模和脱模困难。

为了解决由于芯模和工件过长而产生的弯曲和振动问题，德国LIEFELD公司研制的强力旋压设备增加了芯模与工件的支撑装置，并于2010年推出了ST650H9100-4RS型四旋轮卧式强力旋压机，其最大轴向行程可达9 100 mm，可承载质量达4 t的工件，工件成形长度可达9 m（正旋）或15 m（反旋），工件的最大直径可达650 mm，壁厚减薄率可达30%［40］。国内也有研究单位开发了用于大直径无缝钢管的四旋轮强力旋压机［41］，已经用于Ф570 mm×20 mm×10 958 mm无缝钢管的旋压试验研究。

另外，采用对轮旋压工艺也是解决上述超长芯模所存在问题的有效方法，即用旋轮代替传统的芯模，采用一对或者几对旋轮同时对工件的内、外表面进行加工［42］。采用浮动芯模代替传统的芯模也可以有效地避免超长芯模制造成本高，穿模及脱模困难，旋压过程中低头、振动等问题［43］。

强力旋压工艺的显著优点是：产品可获得较高的制造精度（壁厚公差±0.03 mm）和表面光洁度，旋压后材料晶粒细化，并具有明显的纤维组织，可提高材料的抗疲劳强度［36］。通过技术改造和创新，如果能够利用强力旋压工艺制造大容积气瓶用无缝钢管，且钢管的壁厚公差控制在0～3%，将使大容积气瓶用无缝钢管在现有基础上减重6%左右。

国内大容积气瓶的年产量为1.5万支左右［20］，气瓶的单支质量约为4 900 kg。如果通过开发新材料、采用新的炼钢和轧钢工艺提高材料的综合性能，使大容积气瓶的设计壁厚降低15%，并通过先进的无缝钢管制造方法提高尺寸精度，在保证钢管相同设计壁厚的情况下使其质量减少6%，从而使大容积气瓶的质量减少21%，每年可以节约合金钢1.5万t，经济价值约1.6亿元，并通过提高运输效率每年节约4 000多万元的运输成本。

4 结 语

在大容积气瓶用无缝钢管十年国产化的发展过程中，先后开发了不同的制造工艺，技术上不断进步，产品的尺寸范围不断扩展，综合性能和制造精度得到大幅度提升，制造成本降低，产量跃居世界首位，不仅取代了进口产品，满足了国内大容积无缝气瓶的生产需求，还实现了向欧洲、美国等发达国家和地区的出口。依靠技术进步和科技创新开发新材料，并将新的炼钢和轧钢工艺以及先进的无缝钢管制造方法应用于大容积气瓶用无缝钢管的制造，在保障气瓶的安全性和可靠性的前提下，促进大容积气瓶的轻量化发展，是今后大容积气瓶用无缝钢管的发展趋势。