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“6年时间建造一个核电站，3年时间在等待锻件。”10年前说起我国对核电建设中的关键锻件大口径厚壁无缝钢管无法自主生产的窘境，曾有许多业内人士无奈地发出这句感慨。
“自主制造万吨级重型设备已不是难事，我们的目标是中国“极端制造”领跑世界。”如今再谈及这一话题，清华大学机械工程系重型装备研究团队成员的眼里已满是自信的光芒。
从2009年内蒙古3.6万吨垂直挤压机挤出 根厚壁无缝钢管打破国外垄断，到2015年青海6.8万吨挤压和模锻双功能重型压机挤出世界 长度的无缝钢管实现国际领先，短短几年技术创新突破，我国自主生产电力用高端耐热无缝钢管替代进口并跻身国际市场的夙愿正在成为现实。
“联手清华大学5年攻坚克难，世界首台6.8万吨重型压机能够完成95%以上的航空模锻件的生产，首根碳钢无缝钢管长达12.8米，直径630毫米，壁厚110毫米。”近日发布这一消息的青海康泰锻铸机械有限责任公司备受瞩目，公司技术研发部部长安杰告诉记者，6.8万吨多功能压机是目前世界上惟一具备模锻和挤压两个功能的 吨位的压机，可挤压生产核电和高参数超超临界火电机组高合金、难变形、大口径厚壁新型管材，也可锻造出航空、航天工业等领域大型和特大型钛合金、高温合金、超高强度金属等难变形锻件。
为什么要自主研发大吨位重型压机生产厚壁无缝钢管？世界 长度意味着什么？项目主要负责人清华大学机械工程系重型装备研究所教授吴任东给出了答案。
大口径厚壁无缝钢管是60万千瓦以上超临界、超超临界火力发电项目必不可少的装备，其制造依赖于重型压机，然而重型压机的制造技术却长期被国外垄断，我国一度只能高价进口。作为装备大国、电力大国，只有打破这样的尴尬处境才能真正在国际领域占有一席之地。
不仅如此，制造万吨级重型设备标志着一个 的制造能力，涉及设计、制造、运输、安装等诸多技术难题，属于“极端制造”领域，成功虽极其不易，但没人不想抢占先机。对已经积累了深厚技术经验的中国来说，打破国外垄断只是阶段性成果，领先国际水平形成 优势并掌握市场定价权才能在竞争中立于不败之地。
“更重要的，在应用领域，更长、更厚的无缝钢管是今后产品发展的方向。”吴任东说，随着电站功率增大以及海上钻油深度不断增加，对厚壁钢管的口径要求越来越大，而高合金钢管普遍存在难以焊接的问题也对厚壁钢管的长度提出更高要求。“值得一提的是，经过论证，6.8万吨重型压机已具备挤压生产长度18米、外径1.5米的难变形合金大口径厚壁钢管，这远远超过了世界同类其他设备的水平。”
据了解，截至目前，6.8万吨重型压机项目已累计完成投资11亿元，完成了压机工艺主辅设备安装及调试。在2015年的四次试制过程中，6.8万吨压机均成功挤出长度超过14米的厚壁钢管，尤其是高合金、大口径钢管的调试成功验证了压机当初设计的挤压功能和各项技术数据已达到设计指标，也证明挤压功能已经满足生产要求。
作为完全自主研发的建设项目，企业的更多突破也丰富了“世界先进水平”的内涵。安杰介绍，在挤压工艺完成过程中，一线技术人员解决了压机镦粗、穿孔前的外表面除鳞问题以及压机挤管前的外圆及内孔的玻璃润滑问题，为成功挤出世界 长度钢管奠定了坚实的基础。
关于结构用厚壁钢管合理选材选型的建议
(1)在大型管结构工程设计中,需选用厚壁钢管时,设计人员应了解厚壁钢管的成型方法类别与其技术经济性能特点,并合理选材。
(2)综合比较力学性能、焊接性能、加工性能、截面尺寸精度及材料价格等因素,钢结构工程用厚壁钢管宜选用冷压或冷卷成型钢管。在此类钢管比选中,若考虑钢管力学性能、加工效率、焊缝数量与打磨要求等因素,则宜 冷压成型(U(E)厚壁钢管,但在加工费用上冷压工艺要高于冷卷工艺约20%以上。
(3)当选用冷压或冷卷厚壁钢管时应注意以下技术性能或参数的要求
1)径厚比一一冷卷与冷压制管时,钢板内、外纤维分别受压受拉,产生塑性变形和冷加工硬化与残余应力等不利影响,而径厚比(管内径与厚壁之比)愈小,此影响愈严重,并会直接降低钢管的使用性能。我国电力行业标准《压力钢管制造与安装验收规范》L5017-93要求冷卷钢管的径厚比不应小于33(Q235与Q345钢)或40(Q390与Q420钢)。根据建筑钢结构工程的国内外经验,此限值可适当以放宽,在目前钢材性能水平和工艺条件下,暂以不小于20为宜。
2)钢材的强度级别一《钢结构设计规范》对钢管架结构规定所用钢材强度不应超过345MPa,届强比不应大于0.8,主要原因是现有研究、设计计算方法公式等都是以此类级钢材为主要对象进行的。厚壁钢管可能用于桁架或支柱结构,当钢板厚度、径厚比均相同而强度更高时,会产生更不利的冷加工硬化影响与残余应力,降低钢管的承载性能与焊接性能,故冷成型厚壁钢管的钢材强度以不大于345MPa为宜
3)钢材的性能要求目前冷成型型材的相关标准中对其力学性能试件的取样部位无明确规定,故厂家所提供的质量检验单数据均为其原材料的力学性能数据,并非已成型管产品的实物力学性能,这对厚壁钢管易造成延性指标要求(如伸长率)数据偏高的现象。故对主要承重构件用钢管,应在设计文件中注明其实物力学性能指标需经成品钢管上.的取样复测确认。同时对抗震设防等重要构件所用冷卷厚壁钢管,宜要求按钢板横轧制方向取样进行冲击功性能检测确认。在性能要求的项目内容上,除常规的化学成分与力学性能外,当厚壁钢管用于主要承重结构时,还应按荷载条件,使用温度、板厚、节点焊接约束度等条件,要求附加保证碳当量、屈强比、冲击功或Z向性能等作为钢管供货的保证性能指标。
4)热处理冷成型厚壁管影响性能的主要缺陷是冷加工硬化和残余应力影响,故对很重要的管构件或径厚比很小的钢管,可经过技术经济比较要求进行成品管热处理以细化晶粒,残余应力,优化钢管使用性能。
(4)热成型厚壁钢管虽无冷加工效应,但价格均较高。而热扩无缝钢管的壁厚公差可达士25%,会造成结构构件截面不对称,增加附加偏心弯矩和削弱截面承载力;而且在管构件对接接头处,可能造成对焊接头较大的错边偏差,故不宜用作钢结构承重构件。热卷成管性能较好,但加工成本高,主要适用于锅炉、压力容器、管道,般不宜用于钢结构构件中。
如何制造高强度、高韧性的厚壁无缝钢管一直是治金工作者感兴趣的重要课题。近年来,随着治炼和无缝管穿轧技术的进步,对生产≤160mm,0,≥120kgf/mm20,≥140kgf/mm2,-40℃V形缺口试样a≥2kgf·m/cm2的厚壁无缝管,已有较成功经验,并用于兵工生产,但是制造18C~500的大口径厚壁管一直是工艺上的难题。
多年来,制造厚壁管的主要工艺路线是采用电炉(或电渣)钢锭锻造后再机械锆孔的工艺。这种工艺的主要缺点是材料消耗高,钢材利用率低,钢坯的30~40%变为切屑,特别是高强度、大截面部件,往往由于锻压比小,不能充分破坏钢锭心部的柱状晶,使锻坯的断面收缩率和冲击韧性都较低。增大钢锭直径,虽然可以增加锻压比,但是直径増加往往会导致钢锭的元素偏析增加,此举往往不能提高断面收缩率和κ值电渣熔工艺生产的空心管,虽然可以生产高冲击值的管,但是由于铸管上的横列结晶断口难以,妨碍了它的广泛应用。
为了制取高强度、高韧性的厚壁无缝管,我们结合30Cr2Ni2MoVA钢管的研制,进行了一些工艺试验。这些工艺是:1.电渣钢锭十锻造制坯十机加钻孔;2.电渣钢锭十锻造制坯十水压机热挤压成管;3,电渣钢锭十“皮尔格”轧机锻轧无缝管。现将这三种工艺生产管材的性能总结如下。适量的磨削加工,使表面耐久性能得到显著提高的主要原因,是由于充分发挥了残留奥氏体的有利作用;渗层接触疲劳性能随表层残留奥氏体量的增多而增高,其含量达60%左右时,具有 的接触疲劳性能。
3.共渗层中的残留奥氏体在循环应力作用下,均发生马氏体相变。在同一种热处理状态下,残留奥氏体的转变速率越低,其疲劳寿命越高。
4.冷处理虽然能提高共渗层的表面硬度,但是,由于残留奥氏体的有利影响被削弱而使其表面耐久性能降低。
大口径厚壁无缝钢管具有承受高温高压等特性,是制造电站锅炉及建设电站管系的主要材料,也可用于制造化工行业中的压力容器筒体、塔体、瓮本,以及其他机械行业中的液压机、启闭机油缸、打机汽缸、离心浇铸球墨铸铁管管模等。
根据市场需求,大口径厚壁无缝钢管势必发展成企业支柱产品。本文简单介绍大口径厚壁无缝钢管的改造工程并对市场作简要分析。
大口径厚壁无缝钢管在国内是 生产,其竟争主要来源于国际市场。近几年,国际厚壁钢管生产厂商通过资产重组,形成新的竟争格局,市场形势变化很大。1997年五金矿产进出口总公司组织武汉锅炉厂、北京巴威公司、上海锅炉厂、哈尔滨锅炉厂、东方锅炉厂、四川锅炉厂等电站锅炉行业六家企业赴意大利、西班牙、法国、德国等 厚壁钢管生产厂进行考察,了解到这些生产厂正在进行行业调整重组。意大利、阿根廷、墨西哥等有关厂商联合组成DALMINE集团,西班牙的TR和PT联合,法国的VALLOUREC和德国的 MANNESMANN联合。
据国内进口商反映,现这些国外厂商通过资产重组来抬高产品价格,从而形成对厚壁钢管行业的垄断,已构成对国内电站锅炉厂的威胁。另外,这次考察还了解到,国际上仅有德国的 MANNESMANN一家公司能够批量生产直径大于508mm、壁厚大于80mm的大口径厚壁无缝钢管,但价格高而且供货周期长,美国有家公司可以试生产,且现还未形成批量供货能力,而这档规格的产品正是武汉重型铸锻
厂的长项。
数十年来，内蒙古阿拉善星腾伟业金属材料有限公司始终引导 无缝钢管制造品质，并持续沉淀，创立数字化，自动化，模具化的工艺标准，各主要 无缝钢管部件已实现专业化、 规模化生产，绝大多数 无缝钢管产品可以满足客户短时间交货的需要。
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