关于无缝钢管中频热扩工艺的认识

桑 伟，陈俊德，王洪海，陈 冬

（德新钢管（中国）有限公司，江苏 无锡 214177）

自1995年以来，无缝钢管的中频热扩工艺先后在天津钢管集团股份有限公司、宝钢集团有限公司、鞍钢股份有限公司、本钢集团有限公司等大型国有企业及众多民营企业中投入生产［1］。经过几十年的发展，中频热扩工艺已经成为生产大直径薄壁无缝钢管的不可或缺的一种方式。由于石油化工装置向大型化方向发展，电站锅炉向高参数方向发展，对大直径薄壁无缝钢管的需求量越来越大，中频热扩无缝钢管获得了越来越广泛应用［2］。据不完全统计，仅德新钢管（中国）有限公司在过去16年中生产的中频热扩无缝钢管已有近百万吨，广泛应用于国内外的石油化工、能源电力、高压锅炉及压力容器制造等领域，大量的中频热扩无缝钢管已安全在役运行超过10万h。2017年12月29日，中国钢铁工业协会颁布了T/CISA 002—2017《高压锅炉用中频热扩无缝钢管》团体标准，标志着中频热扩工艺的发展进入一个新阶段。

几十年来，国内炼钢水平的提高和轧管技术的发展提升了原管的质量，智能制造及自动控制技术的应用、材料热处理能力的提高、检验检测技术的进步促进了无缝钢管中频热扩工艺的发展。中频热扩生产单位为了满足日益增长的市场需求，不断改进和完善工艺、提升装备和制造水平、加大检验和检测力度，使中频热扩钢管的质量和可靠性不断提升［3］。结合现今中频热扩工艺的特点和质量控制等来讨论该工艺的本质特点。

1 中频热扩工艺及其特点

中频热扩工艺是将合格的原管在控温、控速、控变径率的状态下，从头至尾经中频连续均匀加热，靠液压缸活塞推动原管通过内置的锥形芯棒，使原管扩制成更大直径钢管的一种无缝钢管制造工艺。中频热扩过程如图 1所示［2］。

图1 中频热扩过程示意

中频热扩工艺的一般流程为：复检合格的原管—检查修磨—选择芯棒—原管内壁涂润滑剂—加热扩径—热处理—理化检验—校直—内外表面处理—探伤、测厚—水压试验—尺寸及外观检验—后续加工［4］。

2 中频热扩钢管的质量控制

2.1 对原管质量的控制

统计表明，钢管的典型缺陷主要源自于坯料［5］，管坯的质量是无缝钢管质量的前提和基础［6］。如导致P91钢管的翘皮、孔洞、分层等缺陷形成的主要因素是坯料中的非金属夹杂物［7-8］。因此，从原管及其坯料源头上消除缺陷是保证热扩钢管质量的关键。随着国内炼钢水平的提高，以及铁水预处理和纯净钢冶炼技术的发展，钢坯的纯净度、均匀度有了很大程度的提高［9］，钢内非金属夹杂物的含量逐步降低。同时，通过非金属夹杂物的球化技术可以改变夹杂物的形态和分布，消除夹杂物对钢性能的影响［10］。目前，连铸坯通常采用“转炉冶炼+精炼+真空脱气”工艺进行冶炼，使A类、B类、D类夹杂物的细系级别和粗系级别分别不大于1.0级，C类夹杂物的细系级别和粗系级别分别不大于0.5级，DS类夹杂物不大于1.5级。同时，选用表面质量好、几何尺寸精度高的合格钢管作为热扩用原管，并对原管质量进行严格的复验，利用内外表面机械修磨的方式消除表面可能存在的裂纹、结疤、重皮等缺陷也是保证中频热扩钢管质量的基础［11］。

2.2 对热扩工艺参数的控制

中频感应加热的温度是影响热扩钢管质量的重要参数。加热温度过低，则金属的变形抗力较大，扩径变形困难，所需的液压油缸推制力增大，芯棒及与之连接的连杆容易变形或受损；加热温度过高，则能耗增加，并且芯棒前端的金属容易起皱。合适的加热温度通常根据原管的材质、材料的相变温度、材料产生热裂纹的敏感温度区间、壁厚和扩径率等因素来设定。确定了具体的加热温度之后，中频热扩生产中采用DCR智能温度闭环感应加热系统达到工艺所要求的恒定温度区间，中频加热控制系统如图2所示，在设定的温度条件下，当电压、电流或其他外界因素造成实际温度与设定温度存在偏差，将温度变化的信号转换成电信号，经过DCR控制中心计算分析后发出指令，对输出功率进行调节，可使原管变形区的温度稳定在±10℃范围［11］。

图2 中频加热控制系统

推进速度也是影响扩管质量的重要因素。推进速度过快，容易造成原管温度降低，产生扩管裂纹；推进速度过慢，容易致使原管温度上升，产生鼓包、堆钢等缺陷，同时会降低芯棒的使用寿命。中频热扩机组采用推进速度自动控制系统对推进速度进行调节，即采用1 024×2 048高分辨率的传感器直接测量原管的线速度，采用IP65高防护0.2级精度的传感器测量液压系统的推制压力，并通过高精度的PLC模块将油缸压力和推进速度直接显示在人机界面和仪表上［11］。在设定的推进速度条件下，当油缸压力或其他外界因素造成实际推进速度与设定速度存在偏差时，将速度传感器测量的信号转换成电信号，经过控制中心计算分析后发出指令，对油缸压力进行调节，保持稳定的推进速度。同时，中频热扩机组的液压站选用较大功率的液压油泵和大容量的液压油箱，使液压系统保持低速低压运行，从而降低系统的振动和热扩散。

2.3 扩后整体热处理

钢管经过中频热扩后相当于进行了低温形变热处理［12］。大量的生产实践和科学研究表明，在适当的温度下经过一道次热扩后晶粒度可提高0.5～1.0级，力学性能和冲击功较热轧状态的原管略有降低，但仍然能够满足标准的要求。根据T/CISA 002—2017的要求，对中频热扩无缝钢管必须进行整体热处理。经过几十年的发展，钢管热扩生产单位已经形成了针对不同化学成分和不同规格钢管的完善热处理工艺，热处理设备也装备了温度自动控制系统和温度自动记录装置。热扩钢管经整体热处理后可使晶粒度进一步提高0.5～1.0级，钢管的力学性能和冲击功等综合性能有显著提高［13-14］。

2.4 精整、检验与检测

中频热扩过程中变形区的金属处于双向受压、单向受拉的受力状态，通过智能温度系统和速度控制系统保持加热温度和推进速度相对稳定，并对扩径率进行精确控制的状态下，完全可以保证热扩过程不产生新的缺陷。但是，如果原管中存在缺陷，则热扩过程会使原管中的缺陷充分暴露。因此，对热处理后的热扩钢管必须进行内外抛丸和严格的外观检验，钢管内外表面不允许有裂纹、折叠、轧折、离层、结疤、氧化皮和划道等缺陷，如果存在这些缺陷，可在保证最小壁厚的前提下通过修磨的方式将表面缺陷彻底清除。另外，对精整后的钢管还必须进行严格的无损检测，包括自动超声波检测、涡流检测或漏磁检测。近年来，具有高精确度、高可靠性的高效超声涡流一体化自动检测系统已广泛应用于无缝钢管的无损检测。结合涡流检测、超声波检测各自的优点实现联合探伤，既可避免涡流或超声波单一检测方式对内部或表面缺陷产生漏检，实现对无缝钢管内外部缺陷的全面检测，又可以在生产过程中节约检测时间，提高检测效率［15-16］。最后，还需要在热处理后的钢管上取样进行严格的理化检验和力学性能试验。

3 对中频热扩工艺的认识

3.1 中频热扩加热方式

国内钢管标准GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》规定，热扩钢管应是坯料钢管经整体加热后扩制变形而成更大直径的钢管［17］。与该标准所说的整体加热相比，以往人们误认为中频热扩工艺所采用的加热方式是局部加热［3，4，18］。这种认识忽视了对热扩过程的整体考虑。局部加热是指仅仅对工件或产品的一部分进行加热，例如利用无缝钢管旋压制造无缝钢瓶时，中频感应线圈仅对无缝钢管的端部加热，而钢管中间部位没有被加热。类似的局部加热还存在于工件的弯制过程及焊接过程中，仅仅是弯制部位或焊接部位受热，而工件的其余部位在整个加工过程中不经过受热。

中频热扩工艺采用中频感应线圈对原管进行电磁感应加热，当原管在液压缸活塞的推动下从一端到另一端依次经过中频感应线圈时，原管变形区及其前后部分区域被连续均匀地加热到设定的工艺温度。保证中频感应线圈的长度完全覆盖原管的变形区，并在变形区前后留有足够的加热长度余量，使原管受热升温达到热扩温度的钢管长度大于金属变形区间的长度。由于原管的扩径减壁变形完全发生在与内置芯棒变形区接触的锥形区间内，中频热扩过程中所完成的金属变形与原管整体加热后再进行扩制所发生的金属变形完全相同。当原管变形区的金属温度达到设定的加热温度后，其塑性提高，变形抗力降低，在液压缸活塞的推动下通过内置芯棒的锥形变形区时，直径增大、壁厚减薄，从而实现扩制变形。因此，中频热扩工艺是将原管从一端到另一端连续均匀地加热到设定的工艺温度，同时使原管从一端到另一端通过内置芯棒实现扩制变形，中频热扩所采用的连续加热方式与拉拔式热扩所采用的整体加热方式目的相同，具有等效的作用。

3.2 加热温度

根据金属热加工塑性变形的原理可知，原管加热的目的是提高金属的塑性和降低其变形抗力。通常，钢的温度较高时塑性较高、变形抗力较低。例如，采用整体加热的拉拔式热扩工艺，通常将原管加热到较高的温度区间（900～1 200 ℃）［2，19］；以往的中频热扩工艺确定加热温度的一般原则是高于Ar3或Ac3温度50～100℃，以便达到更高的推制速度，提高生产效率［20］，并达到代替正火的目的［21］。但是，应该看到的是，拉拔式热扩工艺采用较高的加热温度是为了实现一次加热后进行2~4次扩径，每次扩径后，毛管温度都有一定程度的降低，到第4次扩径时，由于温度很低，仅能以2%左右的扩径率进行扩制。因此，即便拉拔式热扩工艺采用较高的加热温度，但是由于扩制过程中温度逐渐降低，无法对热扩温度进行精确控制，所以该工艺生产的热扩钢管表面质量较差、尺寸精度较低［2，22］。

对于中频热扩工艺，提高加热温度虽然可以采用较高的推制速度，但温度较高时亦对扩制过程产生以下不利影响：

（1）钢管内外表面氧化严重，内表面氧化皮黏在芯棒上，容易使钢管内表面划伤，形成内直道；

（2）晶粒之间的结合力降低，抑制钢管内的裂纹等缺陷扩展的约束力减弱；

（3）中频热扩工艺以加工大直径薄壁钢管为主，扩制大直径钢管所需的芯棒体积大，质量大，芯棒的质量完全由钢管底部金属承担，温度较高时，钢管底部金属因芯棒引起的塑性变形量增大，造成热扩钢管壁厚不均匀度增大；

（4）对于高压锅炉管用的高合金钢，加热至超过下临界温度Ac1后，由于金属组织开始发生相变，热扩后在空气中冷却就会产生硬化，硬化条件下的显微结构易于产生晶间应力腐蚀裂纹。大量生产实践和研究表明，对于中薄壁厚的钢管进行热扩时，控制加热温度上限，使其尽可能不超过下临界温度Ac1有助于抑制热扩时缺陷扩展、提高钢管的壁厚均匀度和表面质量。如高合金钢因壁厚和扩径率的原因必须提高加热温度时，应在热扩后立即进行热处理，以防因产生硬化而使组织性能劣化。

3.3 变形区金属受力状态

以往人们认为，对于中频加热推制式扩管，变形区金属在径向和周向受拉应力，轴向为压应力［23］。以下结合中频热扩过程中变形区金属实际的受力状态分析对该观点进行讨论。

变形区的受力分析如图3所示，原管管端受到液压缸活塞的推力Ft，原管变形区与固定的内置芯棒接触后受到来自芯棒的平行摩擦阻力Ff和垂直挤压力Fj。对Ff和Fj沿原管轴向、径向和周向进行分解与合并后得到变形区金属单元的受力状态，具体如图4所示。变形区金属单元轴向受到Ff和Ff1+Fj1的作用，当原管匀速前进时，这两个力方向相反，大小相等。变形区金属单元径向受到Ff2+Fj2的作用，该力克服金属的径向变形抗力，使原管的直径增大。变形区金属在内表面受到的径向压力最大，随着逐步克服径向变形抗力，变形区金属所受径向压力至外表面时趋近于0。变形区金属单元周向受到Fj3的作用，该力克服金属的周向变形抗力，使原管的壁厚减薄。由此可见，变形区金属不是处于单向受力状态，其轴向和径向受到压应力，周向受到拉应力，受力状态明显优于拉拔式热扩过程金属仅径向受压、轴向和周向双向受拉的受力状态。

图3 变形区的受力分析

图4 变形区金属单元的受力分析

对于中频热扩钢管，完成变形后的金属不再受轴向力，定径区的金属依然受到中频感应线圈的加热，平整区的金属亦保留较高的余温，在室温条件下经缓慢冷却后相当于对热扩后的钢管进行退火处理，有助于消除加工过程中产生的畸变组织和内应力，并使晶粒细化。

3.4 中频热扩质量

以往行业内对中频热扩工艺及其产品质量存在着一些认识上的误区和争议，归结起来有以下两点：①钢管外壁为自由变形状态，扩管时会将原有管体缺陷扩大、组织疏松、晶粒粗化［3］；②中频热扩产品档次低，热扩过程会使尺寸偏差增大［24］。

从变形区金属受力状态可知，中频热扩时变形区的金属处于两向受压、一向受拉的状态，受力状态较好，并且采用相对较低的热扩温度和较低的推进速度，可使晶粒之间保持相应的结合力和约束力，抑制钢管内的裂纹等缺陷扩展。并且中频热扩仅仅使钢管的直径增大，而使其长度减小、壁厚减薄，符合金属两向受压、一向受拉的应力分析；因此，中频热扩不会导致组织疏松和晶粒粗化。中频热扩对晶粒的细化作用已经在不同生产厂家针对不同材质的试验中得到了验证［1，14，21］。

芯棒的尺寸精度直接影响到中频热扩钢管的制造精度。以往芯棒设计考虑的因素和环节较少，处于热扩状态下的芯棒尺寸偏差较大，影响了热扩钢管的成型精度。随着芯棒设计开发的深入以及大量生产和试验数据的积累，芯棒的尺寸精度越来越高，使得热扩钢管的制造精度随之提高。过去采用较高的加热温度导致中频热扩钢管的壁厚不均匀度增大，如今在相对较低的适宜温度下进行热扩完全可以避免使热扩钢管的尺寸偏差增大［25-26］。所以，中频热扩钢管的产品等级越来越高，应用范围也越来越广。

4 结 语

中频热扩工艺的特点决定了其是生产Φ508 mm以上且径壁比大于30的大直径薄壁无缝钢管的经济性选择之一。随着中频热扩工艺的不断完善和发展，通过选用无缺陷的坯料、复验合格的原管、严格的工艺要求和完善的检测手段，完全可以保证中频热扩钢管的制造精度、整体质量和可靠性。中频热扩过程中的双向受压、单向受拉的受力状态，以及热扩过程中通过智能温度控制系统保持相对较低的加热温度和相对较低的推进速度，可以有效地降低热扩过程中产生缺陷或使缺陷扩展的风险。建议用发展的眼光重新认识中频热扩工艺的加热方式、加热温度、受力状态和产品质量，使中频热扩工艺在国民经济建设中发挥出更大的作用。