无缝钢管中频热扩工艺分析

于恒洋

(天津腾飞钢管有限公司，天津 300301)

现代电站所用的锅炉呈现高参数发展趋势，石化生产装置呈现出大型化发展趋势，各使用单位对于大口径型无缝钢管的使用需求量大幅增加。在加工时，可通过先进的中频热扩工艺来满足这种无缝钢管的大口径、小批量、多规格与多品种等加工需求。现对无缝钢管中的中频热扩工艺技术应用情况展开研究。

1 中频热扩钢管加工流程

中频热扩技术的优势包括缺陷出现概率较低，其钢管表面质量较高，表面呈现氧化状态的铁皮不多，经过扩制处理后，钢管表面仍旧可以维持原本的状态；将润滑剂涂抹到钢管的内部表面上后，顶头不会轻易产生黏钢的问题，因此内表面能够达到质量标准。该工艺的成材率较高，设备成本不高，能够满足生产需求，工艺操作相对简单，整体制造成本不高。经过扩制后，管道的壁厚减薄，直径增大，最大可达到1 500 mm；管坯加热温度不高，整体变形量不大。

中频热扩工艺是加工无缝钢管时使用的重要工艺技术，对母管进行检验，确保其符合加工标准，在加工过程中对变径率、速度与温度进行控制，始终采用中频对母管实施均匀加热，通过液压缸活塞给原管施加推动作用，再借助锥形芯棒扩大原管直径[1]。中频热扩加工工艺应用过程如图1所示。

首先需要对加工所用的原管进行复检，查看原管情况，进行适当修磨，选择规格合适的芯棒，将润滑剂涂抹到原管内壁，实施加热扩径处理，开展热处理，对加工完成的钢管进行理化检查，校直钢管并处理钢管外部与内壁，而后进行测厚与探伤，确保钢管无缺陷，结束水压试验后，检查钢管的外观与尺寸，无其他质量问题后即可进行后续的加工工作。

2 中频热扩钢管加工工艺应用要点

2.1 加热温度

对比拉拔式热扩工艺与中频热扩工艺两种技术手段，前者之所以要大幅提高加热温度，是因为完成一次加热处理后，需要开展3次左右的扩径[2]。进行扩径处理之后，毛管温度将随之出现降低的情况，当扩径次数增加到4次时，温度下降幅度过大，扩制时的扩径率约为2%，即使对加热温度提出较高的要求，但是仍旧难以精准地掌控热扩温度，因此采用这种加工工艺加工的钢管存在尺寸精度不高、表面质量极低的问题。

运用中频热扩工艺时，可将推制速度提升，完成对温度的有效提升，但应关注高温造成的不良影响：高温会使钢管外表面与内壁产生氧化，内壁氧化皮会粘结芯棒，在钢管内表面形成明显刮痕，造成内直道的问题[3]。高温还会削弱材料晶粒间的实际结合力，导致钢管裂纹严重化，裂纹等钢管缺陷受到的实际约束力将随之被削弱；采用中频热扩工艺之后，钢管直径增大，相对地，对于芯棒质量与体积的要求也随之出现变化，芯棒对于钢管底部区域的金属材料的质量存在一定的影响，若温度过高，金属出现塑性变形现象后，钢管壁的厚度将会增大，且增大程度并不均匀[4]。如果钢管的壁厚为中薄程度，实施中频热扩工艺时，应对加热温度上限实施精准控制，避免超出预设的下临界温度数值，以此来预防缺陷，同时使钢管形成均匀的管壁厚度，保持良好的表面质量。

2.2 加热方式

应用中频热扩工艺时，需要借助中频感应线圈与电磁感应原理来加热原管，液压缸活塞在加热过程中起到推动作用，使原管按照预设次序从线圈中经过，原管的所有部位都能够得到均匀加热，直到温度提升至要求的温度。应确保线圈长度能够完整地覆盖原管的所有变形区，同时还应保留一定的加热长度余量，以此保障原管受热之后，温度升高，钢管温度满足热扩温度的长度长于管道金属材料变形区间对应的长度。原管接触芯棒变形区域后形成锥形区间，原管在此区间完成减壁扩径变形[5]。

2.3 金属受力状态

钢管中频热扩工艺应用过程中，钢管变形区金属受力状态如图2所示。液压缸活塞将推力(Ft)施加给原管的管端，内置芯棒与变形区进行接触后，原管会受到芯棒造成的垂直挤压力(Fj)与平行摩擦阻力(FF)的影响，Fj与Ff顺延周向、径向与轴向完成合并与分解。变形区金属并非保持单向受力状态，径向与轴向都会受到压应力的影响，变形抗力被克服后，钢管直径在原有的基础上扩大，变形区域之内的金属于管内需要承受径向压力，且压力值达到最大，在克服径向变形抗力的过程中，金属需承受的径向压力逐步接近0；金属于轴向受到拉应力，通过克服变形抗力实现对管道厚度的减薄，相比拉拔式热扩工艺使用期间的双向受拉式的受力状态，其整体受力状态较为稳定，金属完成全部变形之后，将不会继续受到轴向力带来的影响。

3 中频热扩钢管质量控制措施

3.1 控制原管质量

针对中频热扩工艺加工的钢管进行质量控制时，首先应对原管胚料进行严格把控，以此来预防钢管产品的分层、孔洞以及翘皮等缺陷。我国制钢、炼钢技术已经达到较高水平，同时纯净钢冶炼与铁水预处理等技术相较过去都有了较大进步，因此钢材料的均匀度与纯净度均有了较大提升，钢材料中非金属类杂质的实际含量已经大幅降低[6]。依靠球化技术来调整钢种杂质的分布与形态，优化原钢的性能。冶炼钢材时，可采用真空脱气、精炼与转炉冶炼工艺。

3.2 控制工艺参数

重点控制温度这一工艺参数，当温度过低时，金属将形成过大的变形抗力，提升扩径变形的实现难度，应增大液压缸提供的推制力，极易使连杆与芯棒受到损伤；若加热温度超过预设温度范围，出现过高的情况时，耗能随之增加，芯棒前端部位的金属材料会出现起皱的现象。因此应保持合适的温度，具体应综合考虑扩径率、钢管壁厚、材料相变温度、原钢管的材质以及材料形成裂纹对应的敏感温度部位等相关因素[7]。中频加热控制系统如图3所示，可通过智能化温控系统来实现对加工温度的精准控制。

当推进速度较快时，原管的温度将因此而降低，并形成裂纹；当推进速度较慢时，原管将出现温度升高的情况，引发堆钢与鼓包等质量缺陷，芯管的可用时间将会因此而缩短。同样，可通过自动化控制系统实现对推进速度的精准控制，选择分辨率较高的优质传感器辅助速度调节工作，对原管的具体线速度进行测量，再利用高精度型传感器来检测推制压力数值，控制系统可将推进速度与液压缸压力等重要参数直接显示在仪表界面上。根据扩径率的大小和壁厚的薄厚，可适当调节热扩道次和速度，一般初道热扩设定的推制速度参数可选择100～200 mm/min，第2道热扩设定的推制速度参数可提高到200～250 mm/min。

3.3 合理选择检测技术

利用中频热扩工艺加工钢管时，变形区的金属材料呈现出单向受拉与双向受压的受力特点，通过控制参数有利于提高加工质量。若原管本身就存在质量缺陷，技术人员并未在检查阶段及时发现缺陷，进行热扩处理时，缺陷将暴露出来，降低钢管产品的合格率。因此完成热处理后，应对钢管的外观展开仔细检查，并进行抛丸处理[8]。

无论是处于热处理状态的母管，还是经过热处理之后的热扩钢管，在温度分别为500、450、400、350、300、250和200 ℃时形成的高温屈服强度超过了标准要求。经过2次热扩之后进行热处理的钢管具有的高温屈服强度低于相应温度条件下处于热处理状态的母管，高温屈服强度差值在3%～7%之间，经过2次热扩之后，高温屈服强度相对比较稳定，波动范围在4%左右，热扩加工不会给经过热处理的高温拉伸性能造成明显的影响[9-10]。

4 结语

中频热扩工艺能够满足无缝钢管的加工需求，加工效果良好、经济性强、优势突出。在加工期间，应当重点控制加工温度、推制速度，合理选择加热方式。在正确运用工艺技术的基础上，还应全面落实加工质量控制，加工前期严格筛选原管胚料，加工过程中准确把控工艺参数，进行标准化操作，加工完成后还应做好后续处理与检测，以此有效消除无缝钢管的质量缺陷。