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继周期轧管工艺之后,世界上又先后出现了多种轧管工艺。其中包括艾哈德轧管、自动轧管、狄塞尔轧管、三辊轧管、热挤压管、连续轧管、冷拔(轧)管、热扩管等8种轧管工艺。现分别予以介绍。
1 艾哈德(Ehrhardt)轧管工艺
艾哈德于1891年发明水压冲孔工艺以生产冲孔杯状坯,并于1899年完成用芯棒将冲孔坯顶推通过一系列直径逐渐缩小的圆环以生产无缝钢管的方法。通常又称为顶管工艺。
现今特大口径无缝钢管仍采用顶管法生产,直径可达1 066 mm,20世纪80年代,曼内斯曼公司将此工艺发展为CPE工艺,主要生产中小直径无缝钢管。2 自动轧管工艺
斯蒂弗尔(Stiefel)1895年获得盘式穿孔机的专利后,台自动轧管机于1903年在美国投产,1905年采用均整机的自动轧管机组诞生。自动轧管机又称为斯蒂弗尔轧管机。之后,自动轧管机一度成为生产无缝钢管的主要机组。
3 狄塞尔轧管工艺和Accu Roll轧管工艺
Sam Diescher首先构思将旋转导盘引入二辊斜轧机代替原先的导板,以进行延伸轧管,并于1932年诞生台狄塞尔(Diescher)轧管机。半个世纪之后,美国AS公司首先将锥形辊引入斜轧管机并获得专利,1989年世界上台Accu Roll轧管机在我国烟台投入生产。
4 三辊轧管工艺
这是一种三辊斜轧管工艺,毛管在芯棒与3个辊之间被辗轧延伸,三辊轧管机又称阿塞尔(Assel)轧管机。
5 热挤压管工艺
早在曼内斯曼兄弟发明斜轧穿孔前,就已经有了采用热挤压铝材的工艺来生产无缝钢管的专利。但只是在20世纪50年代成功采用玻璃润滑剂之后,钢管的热挤压工艺才获得真正的应用和快速发展。现代热挤压钢管工艺主要用于高合金难变形管材及异型管材的生产。
6 连续轧管工艺
早在1891年美国凯洛格(Kellogg)钢管厂就已获得连续轧管机的专利。但由于众多的技术原因,这一工艺并未获得真正成功。直到20世纪50年代这种工艺才获得巨大发展,并以其高产能、率、高质量逐渐成为生产无缝钢管的主导轧机。
纵观上述多种轧管工艺,它们诞生在不同时期,经不断改进并发展自身的特点,以满足市场对产品的规格、品种、质量和不同批量的要求。并在不同时期,陆续形成各种无缝钢管生产方式。目前三辊行星轧管机(PSW)及穿孔机轧管工艺(CPS)的研制与开发,表明世界上仍在继续探索新的轧管工艺。
7 冷拔(轧)管工艺
为了扩大、补充及提高热轧无缝钢管的品种和质量,所采用的管材二次加工技术——冷拔(轧)及热扩管工艺亦得到相应发展。
早在热轧无缝钢管生产方法采用之前,冷拔工艺就已经用于焊管的二次加工。冷轧工艺是由美国Tabl Reduing公司于1931年获得专利,采用类同周期轧管机的变形工艺(机架往复运动,多道次变形),因此又称为冷皮尔格轧管机。
采用冷拔(轧)方法不仅可以生产热轧方法难以生产(或不经济)或无法生产的规格品种及高质量要求的产品,而且也可采用穿轧毛坯代替热轧生产小规格钢管及高质量的特殊品种(如轴承管、不锈钢管等)。目前我国冷拔(轧)产品占无缝钢管总产量的20%左右,远高于美国、日本、俄罗斯等国的产量。
8 热扩管工艺
热扩管工艺是生产大口径无缝钢管的主要方法,分辊式(斜轧)、拉扩式和推制式3种形式。辊式扩管扩径可达1 500mm,适合于规模生产;而推制式扩管设备简单,投资少,产量低,仅适合于小批量生产。
我国现有无缝钢管热轧成品机组36套,另有多套冷轧(拔)管机组。其中热轧管机组包括连轧管机组、自动轧管机组、周期轧管机组、精密轧管机组(Accu Roll)、圆盘轧管机组(Diescher)、三辊轧管机组、扩管机组、顶管机组及挤压管机组等九大类。也进行过三辊行星轧管机的工业性试验。还有100多台(套)生产无缝毛管的设备(主要是穿孔机),较之世界上任何一个的生产机组都多,可谓世界上无缝钢管生产机组的博物馆。
现今热轧无缝钢管生产的基本工艺是:坯料准备→加热→穿(冲)孔→ 再加热轧管→定径→精整、检查、测试(冷却、矫正、切(锯)头、取样、探伤、水压、测重称重、防腐等)→包装入库。
其中主要热变形工序是穿(冲)孔、轧管及定(减)径。穿(冲)孔主要是将实心管坯变成中空的荒管;轧管主要是减壁及控制壁厚,亦是纵向延伸变形的主要工序;定(减)径主要是减径及控制外径,同时也可调整壁厚(张力减径)。
由于轧管工序不仅是轧管纵向变形的主要工序,而且对壁厚控制,表面质量,以至整个机组的生产效率都起着至关重要的作用。因而人们已习惯于将轧管工序的名称称为该机组的型式,如连轧管机组、自动轧管机组、精密轧管机组等。
由于对无缝钢管质量的高要求及热轧钢管机组、快速发展,促使钢管精整工艺和设备进一步发展及现代化。步进式冷床、多辊式钢管矫直机、切管机及排管锯、快速铣头倒棱机、自动测长、称重、喷印及机械化捆扎装置等相继出现并广泛应用。而相关技术的发展,特别是连铸圆坯工艺的日趋成熟以及在线检测、自动控制技术的运用更加推动了无缝钢管生产技术的发展。对产品的更高质量要求及专用管材还需进一步进行热处理(正火、退火、调质等)和机加工(车丝扣、扒皮、磨光、端部加厚等)。
步进式加热炉与一般连续式加热炉的区别在于其炉底由活动梁和固定梁组成。管坯在炉内的移动是依靠活动梁作周期性的上升(将管坯托起),前进(将管坯向前送一段距离),下降(将管坯放置在固定梁上)和后退(活动梁复位,准备下一个工作循环)动作来实现的。活动梁每动作1次可从出钢口送出1根管坯。
步进式炉的优点与环形加热炉大致相同,其加热的均匀性比环形炉还好。但由于步进式炉的机械设备复杂,部分活动梁及固定梁的部件长期处于高温下工作,必须采用贵重的高温耐热材料制造,因此多用于钢管的再加热,以及年产量不大的轧管机组改造时用以取代斜底式连续加热炉。
无芯棒单模拔管由于变形分布不均,拔制后管子会产生爆裂现象。无芯棒双模拔管,采用反张力拔制原理,即拔制时个模子的拔制力对第二个模内的金属形成反向拉力,因此在第二个模内的轴向拉应力增大,径向压应力减小,从而改善了变形分布不均,使有害的残余应力得以消减,使壁厚得到进一步控制。双模拔管早已应用于长芯棒、短芯棒、浮动芯棒和无芯棒等各种拔管方式之中。它强化了冷拔工艺,改善了产品质量,降低了成本。但长期以来对双模拔制的工艺理论分析缺乏,使双模拔制的优点没有充分发挥出来,影响了它的应用。为此,1984年 对双模拔制进行了生产实验和技术性探讨,通过实验研究了双模拔管对管子壁厚的影响;双模对管子变形不均匀性的影响;双模对拔制力和电耗的影响;双模拔制时的新型组合外模。通过实验说明无芯棒双模拔制与单模比较,有以下优点:加大了道次变形量,生产率提高约70%;降低了钢管变形的不均匀性,提高了金属的塑性,降低了残余应力,减小了钢管的弯曲度;所需变形功小,可节约电耗10%~15%;拔后管壁不增厚,减少了管头损耗。1992年利用无芯棒双模拔制不锈钢管,分析了变形区的应力状态,测定了单模、双模拔制的不锈钢管壁厚,进一步证明了上述结论,双模拔制壁厚变化小,比单模拔制减壁作用大。
钻探用地质无缝管
地质用无缝钢管:地质钻探用钢管(YB235-70)是供地质部门进行岩心钻探使用的钢管,是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条钢材。钢管具有中空截面,大量用作输送流体的管道,如输送石油、天然气、煤气、水及某些固体物料的管道等。按用途可分为钻杆、钻铤、岩心管、套管和沉淀管等。
地质管用途钻杆:
钻孔工具中连接钻头、用以传递动力的杆件。 钻柱通常的组成部分有:钻头、钻铤、钻杆、稳定器、专用接头及方钻杆。钻柱的基本作用是:(1)起下钻头;(2)施加钻压;(3)传递动力;(4)输送钻井液;(5)进行特殊作业:挤水泥、处理井下事故等。
地质管用途
钻杆(Drill pipe):钻孔工具中连接钻头、用以传递动力的杆件。
钻柱通常的组成部分有:钻头、钻铤、钻杆、稳定器、专用接头及方钻杆。钻柱的基本作用是:(1)起下钻头;(2)施加钻压;(3)传递动力;(4)输送钻井液;(5)进行特殊作业:挤水泥、处理井下事故等。钻铤(drill collar):处在钻柱的下部,是下部钻具组合的主要组成部分。其主要特点是壁厚大(一般为38~53mm,相当于钻杆壁厚的4~6倍),具有较大的重力和刚度,它在钻井过程中主要起以下几方面的作用:(1)给钻头施加钻压;(2)保证压缩条件下的必要强度;(3)减轻钻头的振动、摆动、和跳动等,使钻头工作平稳;(4)控制井斜。
在地质管、地质钻探管实际应用中:
为探明地下岩层结构、地下水、石油、天然气及矿产资源情况,利用钻机打井。石油、天然气开采更离不开打井,地质钻探用石油钻探用无缝钢管是钻井的主要器材,主要包括岩芯外管、岩芯内管、套管、钻杆等。由于钻探用管要深入到几千米地层深度工作,工作条件极为复杂,钻杆承受拉、压、弯曲、扭转和不均衡冲击载荷等应力作用,还要受到泥浆、岩石磨损,因此,要求管材必须具有足够的强度、硬度、耐磨性和冲击韧性,钢管用钢用“DZ”(地质的汉语拼音字头)加数字一代表钢屈服点表示,常用的钢号有DZ45的45MnB、50Mn;DZ50的40Mn2、40Mn2Si;DZ55的40Mn2Mo、40MnVB;DZ60的40MnMoB、DZ65的27MnMoVB。钢管都以热处理状态交货。
超声波技术应用于冷拔钢管或其他金属塑性加工是20世纪70年代大功率超声波应用的新发展。1978年8月,上海市科委正式下达科研任务,由上海钢管厂负责,中国科学院声学研究所和上海超声波仪器厂协作,进行超声波冷拔钢管试验。
超声波振动拔管的原理是将高频电谐振通过换能器转换成机械振动,并将振动能量传播到变形区中,从而改变金属变形的性质和应力状态。
在超声波振动拔管中,换能器的设计是一个核心问题。只有正确设计换能器,才能能地将高频电谐振变为有效的机械振动。
我国20世纪80年代在自己试制的超声冷拔钢管装置上,对多种材料进行了拉拔试验。试验表明,超声冷拔钢管可以降低拉拔力15%~20%;可以提高延伸系数,减少拔制道次;可减少中间热处理,进行多道次连拔;提高了钢管内外表面的光洁度和加工精度;能够拉制常规方法不能拉制的特种金属
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