知识点：高压无缝钢管 【前言】高压气瓶、蓄能器属瓶式高压容器, 多为钢质, 公称工作压力一般为10～30M Pa(国际上已达40MPa) , 广泛用于工矿企业和建筑、交通、海洋、航空、医疗、军事等国民经济各部门。钢质气瓶有焊接和无缝两种结构, 焊接瓶已逐渐被淘汰。自60年代起, 国内已普遍采用钢质无缝气瓶, 其工作压力一般为12.25～29.40MPa, 是一种可重复充气的移动式钢瓶, 用于盛装永久性气体或高压液化气体等。
知识点：高压无缝钢管
【前言】高压气瓶、蓄能器属瓶式高压容器, 多为钢质, 公称工作压力一般为10～30M Pa(国际上已达40MPa) , 广泛用于工矿企业和建筑、交通、海洋、航空、医疗、军事等国民经济各部门。钢质气瓶有焊接和无缝两种结构, 焊接瓶已逐渐被淘汰。自60年代起, 国内已普遍采用钢质无缝气瓶, 其工作压力一般为12.25～29.40MPa, 是一种可重复充气的移动式钢瓶, 用于盛装永久性气体或高压液化气体等。
制造高压气瓶一般有两种方法: 一是用无缝钢管作坯料, 通过热旋压收口收底成型(称为M 法) ; 二是用方钢坯通过冲压拉伸并收口成型(称为E法)。至今两种方法并存,各有所长。用无缝钢管制造高压气瓶, 由于具有钢质纯净, 组织致密, 外径、壁厚精度高, 表面质量好,尺寸范围广, 所制气瓶容量大, 使用压力高, 瓶体轻, 生产率高, 成本低等特点, 已成为生产高压气瓶的主要方法之一。将主要讨论高压气瓶用无缝钢管生产的一些工艺技术问题。
1 高压气瓶用无缝钢管的技术要求
1.1 钢质
高压气瓶用钢采用无时效镇静钢,一般由碱性平炉、电炉、吹氧碱性转炉冶炼,有些钢种还需经电渣重熔或真空冶炼。主要钢种为优质锰钢、铬钼钢或其他合金钢,优质碳钢已很少采用。对化学成分的要求是:碳锰钢C≤0.40%,S≤0.030%,P≤0.035%,S+P≤0.060%;铬钼钢及其他合金钢C≤0.40%,S≤0.035%,P≤0.030%,S+ P≤0. 055%;其他主要成分也作了相应规定。特殊超高强度级轻型气瓶用合金钢的化学成分要求:S≤0.010%,P≤0.015%,S+P≤0.020%对钢的非金属夹杂物和低倍组织均有较严格的要求,非金属夹杂物为:(A+C)类≤3.0级,B类≤3.0级,之和≤5.5级;低倍组织中不允许有白点、残余缩孔、离层、夹渣等缺陷。
1.2 力学性能
气瓶是高压容器, 为保证安全使用, 除要求有相应高的抗拉强度、屈服强度外, 还要求有高的伸长率和冲击韧性。一般地区钢瓶的使用环境温度为- 20～ 60℃, 寒冷地区的使用环境温度为-40～60℃; 前者普遍采用经正火或正火+ 回火处理的碳锰钢钢瓶,后者一般采用经调质处理的铬钼钢或其他合金钢钢瓶。按GB5099-94 标准规定, 两类钢经热处理后需分别做-20℃, -50℃V 型低温冲击试验。其冲击韧性、屈强比、伸长率应达到相应的规定值。用作坯料的无缝钢管, 其试样经热处理后的检验结果亦应达到此规定值要求。
1.3 工艺性能和金相检验
按气瓶制造厂要求, 需对无缝钢管试样做压扁或冷弯试验, 压扁试验按GB13440标准执行。
对正火或正火+ 回火处理后的钢管试样, 要求晶粒度(100 倍) ≥6级,带状组织≤3.0 级, 魏氏组织≤2.0 级; 调质处理后的钢管试样, 其组织应为回火索氏体。另外, 对管体脱碳层深度也有相应要求。
1.4 尺寸精度
气瓶瓶体壁厚, 在国际上是按最小壁厚设计的。如国际标准ISO 4705,美国DOT ,德国DIN4664, 日本JISB 8230, 8241 等的最小壁厚计算均以屈服强度为依据。我国GB5099 标准中的最小壁厚计算（参见计算公式）, 也是从以前的按抗拉强度或屈服强度计算, 改为参照ISO4705 标准, 单按屈服强度计算。
最小壁厚给定后, 高压气瓶用无缝钢管主要就是要保证其壁厚偏差不能小于其最小壁厚, 以满足气瓶瓶体安全性的壁厚要求。在保证最小壁厚的前提下,壁愈薄, 壁厚精度愈高, 则气瓶重量轻、容积大, 即重容比小,气瓶质量好。按GB5099 标准要求, 钢管厂所供制造中、小气瓶瓶体的无缝钢管壁厚偏差一般为 + 15/- 10%。
按GB5099标准要求, 中、小气瓶瓶体外径偏差, 即所供无缝钢管外径偏差一般为D ±1.25%。大容积气瓶管的壁厚、外径偏差, 需根据具体规格, 由供需双方协议商定。
1.5 管体表面质量和探伤
因气瓶表面质量直接影响到气瓶使用的安全性和美观, 故钢管内外表面应无裂纹、折叠、结疤、离层、轧折、麻坑等缺陷存在; 若有这些缺陷, 则必须清除干净, 且清除后的壁厚必须大于壁厚的负偏差, 或设计所需最小壁厚值。
为进一步保证管体整个断面的质量, 出厂前的无缝钢管, 需按GB 5777 标准进行超声波探伤检查, 其要求根据GB5099 标准, 按GB 8163 标准执行。
2 高压气瓶用无缝钢管的生产工艺
国内外生产高压气瓶用无缝钢管的方法主要有:
①大顶管——用钢锭(坯) 冲孔-顶管方法制造气瓶用管坯。钢管厂、重型机械厂等常采用此种方法, 此法适于制造大口径、厚壁大容量用高压气瓶和容器。
②轧管——把钢锭(或圆轧坯、连铸坯) 加热穿孔后, 经过周期轧管机或自动轧管机、连轧管机等热轧成管坯, 然后热定径、矫直、精整成成品无缝钢管。这是生产大批量气瓶用管所采用的最主要方法之一。
为了扩大品种规格范围, 轧管厂还可把通过热轧后的管坯, 进步经冷轧(拔) 机减径减壁加工成制造中、小容积气瓶用管坯; 也可把通过热轧后的管坯, 经热扩机扩径减壁加工成制造大容积气
瓶用管坯。
3 高压气瓶用无缝钢管生产
3.1 产品标准
国外制造钢质无缝气瓶已有半个世纪以上历史, 比较著名的气瓶标准有美国的DOT规范、ASME规范第八卷(压力容器) , 德国的D IN4664 标准, 日本的JISB 8230, JISB8241 标准, 国际标准ISO 4705 和一些国家的著名企业标准。目前一般普遍等效采用国际标准ISO4705, 各国的标准均有向此标准靠近的趋势。国外生产高压气瓶用无缝钢管工艺主要是轧管和大顶管, 也制订了相应的生产无缝钢管的国家标准或企业标准, 如美国ASME 第2卷(材料) 中的SA - 372 标准, 日本的JISB3429标准等, 都是反映目前国际水平的气瓶用材和管子标准。
国内高压气瓶生产始于60 年代, 按国家劳动总局65 规程组织生产, 一直到1979 年修改为79 规程, 1985 年开始建立我国第一部气瓶标准,即GB5099《钢质无缝气瓶》, 后于1994 年修改, 沿用至今。该标准以ISO4705 国际标准为基础, 参照了有关国家标准制定而成, 对钢种、成分、性能要求、尺寸设计进行了较严格的规定, 并尽量向国际标准靠近, 是一个接近国际水平的国家标准。它基本上反映了我国目前的气瓶及气瓶用无缝钢管的生产水平。有关无缝钢管厂也制订了相应的生产气瓶管的企业标准, 以适应气瓶的设计、生产需要。目前, 国家冶金局正在组织制订国家气瓶用无缝钢管标准, 这标志着我国气瓶用无缝钢管进入了一个新的、统一的发展阶段。
3.2 材质与性能
国外早期气瓶多采用碳钢和锰钢, 自本世纪中期末, 已基本采用锰钢和铬钼钢。如德国蒂森公司曾用46Mn5, 40Mn4 等钢号; 英国切斯菲尔特厂采用0.35%C, 1.50% 左右M n 的锰钢生产的小型气瓶占85%; 日本住友公司也采用0.37%～ 0. 44%C, 1.35%～1. 65%M n的锰钢; 美国是用C≤0.40% ,1. 35%～ 1. 65%M n 的锰钢。锰钢气瓶一般经正火, 或正火+ 回火, 或油淬+ 回火处理,由无缝钢管厂提供试样经相应热处理的力学性能数据。锰钢成本低、强韧性好, 具有良好无时效敏感性, 油淬+ 回火后韧性好, 是制造工作压力为14.7M Pa, 使用温度为- 20～ 60℃气瓶的经济实用的材料, 特别适合于充装永久性气体。
进入60 年代, 铬钼钢及其他合金钢气瓶大量发展; 到80 年代,铬钼钢及其他合金钢气瓶已占整个气瓶业的80%。80 年代初, 已发展到用37CrNi3MoVA钢制造工作压力达40M Pa 的高压气瓶, 该钢具有良好的低温冲击韧性和抗疲劳性能; 英国切斯菲尔特中型钢瓶厂所制气瓶的85% 为含C 约0.35% , Cr1.0% ,Mo0.20%左右的铬钼钢气瓶, 锰钢气瓶仅占15% , 年产量75 万支;德国蒂森公司常用34CrMo4 钢; 美国常用4130 钢(相当于我国的30CrMo 钢)生产气瓶; 意大利达尔明公司1966 年所制203mm×5. 5mm 铬钼钢气瓶, 钢号相当于我国的30CrMo 钢, 其瓶体比相应的锰钢气瓶轻20% , 但使用压力却比锰钢气瓶高, 可到19.61M Pa 以上。铬钼钢及其他合金钢气瓶一般在经调质后使用, 钢管生产厂需提供试样经调质后的力学检验性能数据。该类气瓶强韧性比锰钢气瓶高, 特别是低温冲击韧性(- 50℃, V 型)、抗循环疲劳性能好, 使用压力高, 重量轻, 重容比小, 适于在寒冷地区、海洋、航天、深井及其他特殊环境下使用; 而更轻型、重容比更小的高压气瓶已成为近年来气瓶制造业的发展趋势。
国内气瓶用无缝钢管生产起步于60 年代, 开始用35, 45 钢; 70 年代普遍采用DZ40钢; 到80 年代初, 已大量生产锰钢气瓶用管,代表钢号有40Mn2, 42Mn2, 40Mn2V 等, 少量用30CrMoA , 35CrMoA , 30CrMnSiA 等钢管制造气瓶。80 年代中期至90 年代中期,随着国家气瓶标准的建立、修改和气瓶使用范围的扩大, 为改善低温冲击韧性, 并尽快与国际标准接轨, 锰钢气瓶C 含量两次下调,最后已从≤0.44% 降至≤0.40% , 提高了Mn/C 比, 使用较多的代表钢号为34M n2V ,37Mn (常调质态使用) ; 并且, 市场普遍开始需要重容比小, 工作压力高、安全耐用, 无应力腐蚀或氢脆的轻型气瓶, 故以Cr- Mo钢为代表的Cr- M n- Si, Cr- Ni- Mo- V钢等气瓶也很快发展起来。采用较多的是30CrMoA , 35CrMoA钢, 它比锰钢气瓶的屈服强度提高了60%, 节约了充填空间30% ,重量减少了25% 以上。总之, 由于国内气瓶材质性能的发展趋势与国际基本一致, 故它预示着我国气瓶用无缝钢管有着广阔的国内国际市场。
3.3 生产工艺
目前, 国外生产高压气瓶用无缝钢管的工艺主要还是轧管和大顶管。前者配以冷轧(拔) 工艺可生产 60mm ×3mm 的小容积气瓶用管, 配以热扩则可生产 720mm 的大容积气瓶用管。如英国著名的切斯菲尔特无缝钢瓶厂生产的小型钢瓶规格为 63～117mm , 生产的中型钢瓶规格为176～267mm; 德国曼内斯曼公司的REISHOIZ钢管厂用大顶管工艺可生产最大内径为990mm、最大壁厚为250mm的大容积高压气瓶和高压容器。美、英、德、俄、日、法、意等国是世界上生产各类高压气瓶和容器的主要国家。
国内70～ 80 年代生产高压气瓶用无缝钢管主要靠自动轧管、周期轧管工艺, 为中、小容积气瓶供坯; 更小口径薄壁气瓶管要在热轧管坯基础上,继续通过冷轧(拔) 工艺以减小外径、壁厚并提高其精度和改善表面质量; 大口径高压气瓶用管也是在热轧管的基础上, 继续通过热扩拉拔工艺以扩大外径、减薄壁厚。为改善壁厚精度和表面质量, 目前正在筹划以斜轧扩管代替拉拔式扩管工艺;要得到壁更薄, 表面更光洁, 外径、壁厚精度更高的气瓶管, 还需通过旋压工艺, 该工艺一般放置在气瓶制造厂或有关机器制造厂。
80 年代后期以来, 随着国内轧管工艺的发展, 生产中、小容积气瓶用管已逐步采用引进的现代化热连轧工艺和AccuRoll 热轧管工艺, 其特点是生产批量大, 管子壁薄, 尺寸精度和表面质量较自动轧管、周期轧管好,热轧管工艺技术和产品质量能够达到国际水平。在大顶管方面, 武汉重型铸锻厂引进日本住友公司的设备和工艺技术建设的机组,已于1996年投产, 可生产1067mm ×165mm 的合金钢管, 为开创国内大容积高压气瓶和容器的生产奠定了更雄厚的基础。另外, 各钢管厂的冶炼、机加工、无损探伤、精整设备及工艺技术已更趋完善和现代化, 也为高压气瓶和容器用管的深加工和检测提供了更好的手段。
【结语】
(1) 高压气瓶等专用无缝钢管的开发, 从标准演变、技术要求, 到产品质量、生产工艺, 均是紧随高压气瓶等高压容器的需求, 并与国际逐步接轨而进行的。
(2) 随着冶炼、轧管、大顶管设备的更新和完善, 工艺技术的不断现代化,管理水平的提高, 国内已形成生产各类高压气瓶等高压容器用无缝钢管的能力, 可基本满足高压容器制造部门的生产需要。
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