高压气瓶用无缝钢管的生产与进展(WORD档).doc

/sundae_meng高压气瓶用无缝钢管的生产与进展摘要焊接钢质气瓶渐趋淘汰。60 年代以来, 国内已普遍采用无缝钢管生产高压气瓶。在概述国外高压气瓶用无缝钢管生产的基础上, 阐述了国内该专用管材的的技术要求及生产工艺。介绍了国内高压气瓶用管的生产现状及其进展情况。关键词无缝钢管高压气瓶技术要求生产工艺进展前言高压气瓶、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40M Pa) , 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12.2529. 40M Pa, 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。本文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C0.40%,S01030%,P01035%,S+P01060%;铬钼钢及其他合金钢C0140%,S01035%,P01030%,S+ P0. 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:S01010%,P01015%,S+P01020%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310级,B类310级,之和515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GB 5099- 94 标准规定, 两类钢经热处理后需分别做- 20, - 50V 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GB 13440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310 级, 魏氏组织210 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DO T ,德国D IN 4664, 日本J ISB 8230, 8241 等的最小壁厚计算均以屈服强度Rs为依据。我国GB 5099 标准中的最小壁厚计算, 也是从以前的按抗拉强度Rb 或屈服强度Rs 计算, 改为参照ISO 4705 标准, 单按Rs 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。最小壁厚的计算公式为: S = (P hD 0) (2FRc+ P h ) , 并同时满足公式S D 0250+ 1,而且不得小于115mm。式中, P h 为水压试验压力, M Pa; D 0 为瓶体外径, mm; Rc 为瓶体屈服应力保证值, M Pa; F 为设计应力系数(正火或正火+ 回火的锰钢, 取F = 0182; 调质类铬钼钢或其他合金钢, 取F = 0. 77)。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GB 5099 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S + 15/- 10%。按GB 5099 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 1125%。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GB 5099 标准, 按GB 8163 标准执行。2高压气瓶用无缝钢管的生产工艺2.1一般生产工艺国内外生产高压气瓶用无缝钢管的方法主要有: 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。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。2.2我公司的生产工艺及现状2.2.1生产工艺及产品规格我公司具有用轧管法生产大、中、小型高压气瓶用无缝钢管的主要设备和工艺技术, 并为国内外市场提供了大量的、系列的该类合格专用管材。(1) 小容积高压气瓶用无缝钢管生产规格5 60 180mm 3 6mm , 所制气瓶水容积0141210 l。生产工艺主要为热轧+ 冷轧(拔) , 其中, 5 120 180mm 6mm 及以上规格可直接提供热轧管坯。用冷轧(拔) 供坯工艺可生产优质锰钢、铬钼钢及其他合金钢等各类电炉、电渣重熔钢种。所制管坯外径、壁厚精度高, 内在质量和表面质量好。近两年多来, 已为国内用户提供数百吨各种规格和钢种的合格高压气瓶用无缝钢管管材。(2) 中容积高压气瓶用无缝钢管生产规格为5 203 273mm 6. 520mm , 所制气瓶水容积为20 80 l。中容积高压气瓶用热轧无缝钢管(含小容积5 120180mm 6mm 及以上规格) , 是用量最大的气瓶专用管材。生产工艺一般为热轧, 可生产各类电炉、电渣重熔钢种, 且质优、成本低、规格多。我公司生产历史悠久, 已为国内外市场提供了数万吨优质锰钢、铬钼钢及其他合金钢气瓶、蓄能器用无缝管材, 其中锰钢管材多次被评为省、部优产品,所制铬钼钢气瓶、蓄能器打入了国际市场。(3) 大容积高压气瓶用无缝钢管为满足海洋开发等大型工程需求而研制。主要有5 299 467mm 15 30mm 及其以上规格, 所制气瓶水容积为90 450 l, 生产工艺主要是热轧+ 热扩, 其中, 5 299426mm 部分管材可直接热轧出厂。此工艺主要生产铬钼钢及其他合金钢等大口径高压气瓶、蓄能器用无缝钢管。2.2.2生产现状我公司从70 年代开始生产碳钢、DZ40、锰钢气瓶用无缝管, 现已用上述三种工艺路线生产出5 102 165mm 3 6mm 小容积气瓶用冷轧(拔) 高压气瓶管; 5 180377mm 7 15mm 大、中容积气瓶用热轧高压气瓶管和蓄能器用管; 5 377 467mm 1530mm 大容积气瓶用热扩高压气瓶管, 钢种达10 个。用户涉及国民经济各部门的10多个厂矿企业, 这些单位用我公司管材所制气瓶、蓄能器也早已打入了国际市场。3高压气瓶用无缝钢管生产的进展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DO T规范、A SM E 规范第八卷(压力容器) , 德国的D IN 4664 标准, 日本的J ISB 8230, J ISB8241 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ISO 4705, 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A SM E 第 卷(材料) 中的SA - 372 标准, 日本的J ISB 3429 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GB 5099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46M n5, 40M n4 等钢号; 英国切斯菲尔特厂采用0135%C, 1150% 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0137% 0. 44%C, 1135%1. 65%M n的锰钢; 美国是用C0140% ,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1417M 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%。如原苏联, 早期用号钢, 后用38CrA 钢生产气瓶, 80 年代初, 已发展到用37CrN i3MoVA 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0135% , Cr110% ,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5 203mm5. 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19161M 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DZ 40钢; 到80 年代初, 已大量生产锰钢气瓶用管,代表钢号有40M n2, 42M n2, 40M n2V 等, 少量用30CrMoA , 35CrMoA , 30CrM nSiA 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0144% 降至0140% , 提高了M nC 比, 使用较多的代表钢号为34M n2V ,37M n (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- N i- 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。如我公司80 年代中期以来, 按美国A SM E 规范第 卷SA - 372生产的30CrMoA 钢5228mm 13mm 气瓶管和按A SM E 第八卷第一册设计生产的35CrMoA 钢5 467mm 25 28mm 气瓶管,以及近期试制的使用压力可达30M Pa 的中碳Cr - M n - N i - Mo - V 钢5 114mm 4mm 气瓶管, 都得了较好的社会经济效益, 用户用其制成的气瓶有的取得了美国DO T 认可销往国外, 有的已达国际水平, 填补了国内空白。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5 60mm 3mm 的小容积气瓶用管, 配以热扩则可生产5 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5 63117mm , 生产的中型钢瓶规格为5 176267mm; 德国曼内斯曼公司的RE ISHO IZ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