焊管生产线的无缝化改造及关键技术

焊管要求得进一步的发展,实现无缝化是一条重要的途径。焊管无缝化以后,一方面可以提高焊管生产厂家的效益、扩大市场,另一方面也可以大幅度地降低这种焊管用户的成本,因而既具经济效益又具社会效益。从与国际管材界的对比来看,发达国家均已普遍对焊管实现无缝化,而我们国家只有少数几条引进生产线配备了焊管无缝化技术,这是我国焊管技术与国际先进水平的一个主要差距。令人可喜的是,在市场的推动下,许多企业开始关注或实行无缝化改造,例如青岛祥兴钢管有限公司在1996年成功地引进了德国萨尔公司的焊管内毛刺清除系统,开创了在国产机组上成功应用进口内毛刺清除系统之先例,并因而使企业在市场竞争中赢得了主动权。为了推动我国焊管无缝化工作,作者全面介绍了无缝化改造的不同层次、方案及相应的关键技术。

2焊管无缝化的两个层次

焊管和无缝管相比,最大的区别是焊管有一道焊缝。本文将焊管无缝化分为两个层次:几何无缝化、物理无缝化。

2.1焊管的几何无缝化

就是要光滑地清除掉焊管挤压焊接后所形成的外毛刺和内毛刺,使焊管在几何外形上看不到焊缝。我国和美国标准中对内毛刺的残留高度大致上规定了两档精度:第一档∆≤0.127mm;第二档∆≤0.254mm。

2.2焊管的物理无缝化

几何无缝化处理后的焊管虽然外表上已看不到焊缝,但焊缝内部的金相组织与母材仍有较大区别,焊缝区的机械性能较低。为此,需要经过热处理细化焊缝区的晶粒、去除焊接应力,实现与母体金相组织、机械性能的一致化,该过程我们称之为焊管的物理无缝化。碳钢管通常采用常化处理,而不锈钢则采用固溶处理。

3焊管生产线

无缝化改造方案的确定首先,应根据市场情况及企业发展目标,根据国内外标准的要求,确定是只进行几何无缝化改造还是进行“几何无缝化+物理无缝化”改造。由表1可以看出,中美两国标准中要求几何无缝化的有19项以上。目前,我国标准中对焊管几何无缝化的要求太低,相信随着市场需求的发展和技术水平的提高,要求焊管几何无缝化的标准项数会提高。焊管产品要打入美国等国际市场,则必须进行几何无缝化改造。对于国内大多数生产线来讲,几何无缝化改造的主要内容是增加焊管内毛刺清除系统,同时应考虑增加板料剪切对焊机和改进成型孔型系统。关于物理无缝化,由表1可以看出,美国标准中有11项对此提出了要求,相信不久的将来我国国标中也会出现这项要求。表1告诉我们,当一种焊管要求物理无缝化时,它首先会要求几何无缝化,因而几何无缝化是物理无缝化的基础。物理无缝化改造的主要内容是在几何无缝化改造的基础上增加焊缝热处理设备。

4关键技术之一——内毛刺清除技术

不仅要求几何无缝化的焊管要去除内毛刺,要求物理无缝化的焊管大多也要去除内毛刺,因而内毛刺清除技术也就成了焊管无缝化的一项基本技术,也是无缝化改造的一项关键技术。清除内毛刺有两种方法:刀除法和碾压法。碾压法由于毛刺残留高且不均匀,特别是由于将内毛刺中的组织缺陷挤入焊缝影响焊缝性能,还有就是由于多余的质量并未清除而影响到管子的动平衡性,在实践中已极少采用。因而刀除法是清除内毛刺的主要方法。当前国际上先进的内毛刺清除技术采用图1所示的环形刮刀,环形刀的工作半径比较接近管子的曲率半径,因而可以得到平滑的清除效果,而且在刀口磨钝后,只要略微转过与毛刺宽度相应的一个小角度,就又等于是一把新刀,因而一把环形刀可顶十几把乃至二十几把普通刀使用。

环形刮刀安装于机械支托型或液压支托型的工具本体上,图2。由于采用了弹性支承,不论机械支托型还是液压支托型都能在一定范围内适应因带厚波动或其它原因造成的内径波动。

通常一个完整的内毛刺清除系统由安装单元、带有阻抗器的拉杆、工具本体组成。其中安装单元可以完成上下、左右、旋转三个自由度的调整;特别的阻抗器可以保证焊接的高效率。内毛刺清除系统在线工作。它一般安装在封闭孔机架上,并顺流而下延伸到挤压辊之后。这样,在挤压焊接后,趁内毛刺尚处于一定温度时即将其清除。内毛刺清除的残留高度可以控制在0.20mm以下,调整状态良好,可在0.10mm以下。

5关键技术之二——板材剪切对焊技术

板料剪切对焊技术在我国一直未受到重视,直至今日仍普遍采用落后的手工电弧焊气焊方法进行带钢头尾的剪切、对接。其结果是,焊垄比带钢的厚度高出1.5～3mm以上,给成型机组的各道次机架,尤其是第1～4粗成型机架造成严重的冲击负荷,久而久之严重破坏了机组的精度,影响了寿命。如果说在无缝化改造之前采用手工电气焊尚可的话,无缝化改造之后就必须采用先进的板料剪切对焊技术。对接焊垄会给内毛刺清除系统造成剧烈的冲击,乃至使系统破坏。采用机械支托型内毛刺清除系统时,对焊垄必须平整;采用液压支托型内毛刺清除系统时,虽说可以降刀让焊垄通过,但这会降低成品率和生产率,这一点在高速机组上(v≥50～60mmin)显得尤为突出,严重影响企业效益。板料剪切对焊机按机架的移动与否分为座式和移动式;按焊接方式,可以分为TIG(钨极氩弧焊)和MIG(二氧化碳气体保护焊)。MIG仍会造成对焊缝的隆起,为此还应考虑配备快速铣削机构,但这加长了板料剪切对焊的周期。对于76及其以下机组,采用TIG焊接的移动式板料剪切对焊机是合适的。首先,TIG能够焊接0.5～3.5mm的碳钢、不锈钢、铜、铝、钛等各种板料;第二,能够得到平整的焊缝,对于0.8mm板,对焊垄的突出只有0.05mm;对2.5mm板,对焊垄的突出可以控制在0.20mm以下;第三,价格便宜,大多数厂家都能接受。

6关键技术之三——焊缝常化处理技术

在高频焊接过程中,由于趋肤效应、临近效应和热传导的共同作用,造成了管坯边缘附近的温度分布梯度,形成了熔化区、部分熔化区、过热组织区、正火区、不完全正火区、回火区等特征区域。其中过热区组织由于焊接的温度在1100℃以上,奥氏体晶粒急剧长大,冷却后晶粒粗大,在一定的化学成分和冷速条件下还会形成硬而脆的相。此外,由于温度梯度的存在也会产生焊接应力。做为综合结果,焊缝区的综合机械性能比母材低。焊管物理无缝化就是通过焊缝热处理,达到消除应力、均化和细化组织、提高焊接热影响区综合机械性能的目的。焊缝物理无缝化处理主要有两种方法:焊缝局部处理法和整体加热处理法。

6.1焊缝局部常化处理

由于主要是焊缝热影响区有硬化现象、机械性能低下,所以我们首先应考虑对焊缝热影响区进行局部处理。焊缝局部常化处理的方法是采用中频感应加热装置(如图3所示)将焊缝热影响区加热至约927℃,然后空冷至538℃以下,如需要随后可水冷。焊缝局部常化处理的方法比较适于直径较大的钢管,比如外径200mm以上的焊管,原因有两个:一是加热焊缝局部可以显著节能;二是焊管口径大时,焊缝跟踪方便一些。宝鸡石油钢管厂的16in机组,锦西钢管厂的508mm机组采用的都是焊缝局部常化处理。

6.2整体常化处理

对于直径较小的钢管,可以采用中频感应或火焰加热的方法将管坯加热到900℃以上,然后空冷或在带有可控气氛的泠却室中冷却下来。

7结论

(1)焊管无缝化是焊管求发展的一条重要途径,可以开拓国内和国外两个市场;(2)焊管无缝化可以分为几何无缝化和物理无缝化两个层次,应根据所开发的焊管标准和市场需要而定;(3)焊管几何无缝化改造的主要内容是增加焊管内毛刺清除系统,同时应增加板料剪切对焊机和改进成型孔型系统;(4)焊管物理无缝化改造的主要内容是在几何无缝化改造的基础上增加焊缝常化处理设备。