鍋爐用冷拔內螺紋無縫鋼管的試制
1 前言
鍋爐用內螺紋無縫鋼管（簡稱內螺紋管）的內壁上有凹凸的內螺紋，能有效改善管壁的傳熱效果，使管壁溫度更加均勻，因而在300、600MW及以上的大容量亞臨界和超臨界火電鍋爐中得到廣泛應用。國內生產的主要品種為ASME系列中的SA210-A1、SA-210C等牌號。凱時娛樂城因目前國內只有極少數廠家能批量生產，產量在1.5萬t/a以上，故尚有一定的市場需求量。
2 內螺紋管的技術要求
目前內螺紋管的國家標準尚未實施，因而生產廠家僅按各鍋爐制造廠的具體采購規(guī)范組織生產。除要求化學成分和力學性能符合國標或ASME標準外，不同的鍋爐制造廠家對鋼管廠家鋼管規(guī)格、螺紋頭數、幾何尺寸偏差等有不同的要求。為了獲得良好的傳熱效果，對螺紋高度、螺距、螺紋升角有特殊的規(guī)定。圖1為國內某鍋爐制造廠采購規(guī)范中冷拔內螺紋管的截面示意圖。
其采購規(guī)范規(guī)定Φ60.3mm X 7.5mm內螺紋管的主要參數為：
外徑Φ（60.3±0.25）mm；較大內徑Φ（43.40±0.25）mm；最小內徑Φ40.32mm；最小壁厚7.5mm（﹢22%/-0）；螺紋頭數8個；螺紋高度（1.12±0.30）mm。
3 拔制原理
冷拔內螺紋管技術是在固定內模拔管技術的基礎上發(fā)展起來的。冷拔內螺紋管的成型機構如圖2所示。拔制過程中，由于內模上存在螺紋溝槽，溝槽的前沿側邊將承受與之接觸的管料內壁凸肋前沿側邊的擠壓，在溝槽受力側的法向上產生擠壓力，此力的切向分量將驅動內模和連桿旋轉。只有當內模螺旋溝槽曲線的升角大于一定數值時，溝槽受力側邊所受的切向分力才足以克服內模和連桿所受的旋轉阻力而發(fā)生旋轉。管料在小車拖動下，減徑減壁前進，內表面受內模的旋轉作用，形成了內螺紋。
4 生產工藝
4.1工藝流程
冷拔內螺紋管的生產工藝流程：熱軋毛管→組批→打頭→酸洗→檢驗、修磨→酸洗、潤滑→拔制→退火→矯直→切管→雙探→打頭→退火→酸洗→、潤滑→成品拔制→成品熱處理→矯直→切管→檢驗→包裝→入庫。
4.2冷拔生產工藝
4.21拔制工藝及毛管規(guī)格的確定
在冷拔成型過程中，管料沿拔制方向的延伸變形為主要變形，而鋼管整個橫截面卻為不均勻變形，即使內模溝槽不直接沿徑向擠壓內螺紋，管料在內螺紋處的壁厚也將參與延伸變形，薄壁部分產生附加壓應力，厚壁部分產生附加拉應力，管壁被延伸拉薄即出現拉縮現象。這就使得凸筋充填困難，實際螺紋高度小于內模溝槽深度。凸筋的拉縮量與壁厚壓下率、壁徑比、壁厚不均勻有關。為了保證螺紋高度達到標準要求，必須有足夠的減壁量。但是，減壁量受拔制應力的限制不可能很大，否則管料和內模可能被拉斷。考慮到成品壁厚為單向正偏差，實際最小壁厚按﹢10%計算，為8.25mm。根據資料提供的公式，可計算出成品前道次的鋼管壁厚約為10.2mm。為了減少拔制道次，毛管規(guī)格應盡可能接近成品規(guī)格。同時，為了消除熱軋毛管的壁厚不均勻及其他缺陷，在拔制成品前應先用圓柱形內模粗拔1道。經多次試驗，最后選用Φ76mm X 11mm的毛管，具體冷拔工藝見表1。
4.2.2內模的設計
內螺紋管的主要尺寸參數是鋼管外徑、內徑、壁厚、螺紋高度、螺旋升角。外徑、內徑、壁厚隨規(guī)格不同而不同。在設計內模時主要考慮螺紋高度和螺旋升角。雖然內螺紋管的螺紋高度為給定值，但由于拔制過程中會產生拉縮，因此拔后螺紋高度比內模溝槽深度小，可根據壁厚的拉縮量來確定內模溝槽深度。確定螺旋升角必須考慮兩方面因素：一是傳熱效率，螺旋升角越大，越有利于鋼管內蒸汽的紊流作用，傳熱效率越高；二是力學條件，隨螺旋升角增大，拔制力相應增大，可能使芯桿拉斷，也可能因內模自鎖而難以成型甚至不能成型。根據資料，螺旋升角選用30°較為合適。同時為防止內螺紋凸肋側邊刮傷鋼管內壁和外形塌陷畸變，必須保證溝槽開度，一般為30°~55°。
4.2.3酸洗潤滑
合理的酸洗、潤滑工藝制度，是保證鋼管順利拔制且不產生內外表面缺陷的關鍵。實際工藝參數為：
酸洗時采用新酸配槽，[H2SO4]=16%~18%，并加熱1%~3%食鹽，正常生產[Fe2+]低于150g/L,溫度60~65℃，酸洗時間不宜過長，以洗凈表面氧化鐵皮為準。酸洗時應多啟動（每5~10min啟動1次），防止過酸洗。
磷槽總酸度大于20，游離酸大于0.9，溫度65~75℃，時間大于15min。
采用二次皂化工藝，皂化完干燥8h后拔制，螺紋成形道次拔制時內外模表面涂專用潤滑脂。
4.2.4成品熱處理
采用ASME SA-210C高壓鍋爐管成品熱處理工藝，正火溫度（900±10）℃，保溫30min。
5 試制結果
經檢測，SA-210C鋼管的化學成分見表2，幾何尺寸見表3，力學性能和金相組織見表4。
另外，由于目前國內尚無內螺紋管專用探傷設備，為保證成品管實物質量，毛管拔至Φ70mm X 10.7mm后進行預精整，經退火、矯直、切頭后要求渦流+超聲波雙探合格。
6 結果討論
本次試生產共投料1.50t，收得成品內螺紋管1.15t，試制成材率為77%，說明工藝較可行，可轉入批量生產。但生產過程中存在下列問題：
（1） 從表3可見，所生產的內螺紋管雖幾何尺寸達到標準要求，但鋼管外徑和螺紋高度均為負偏差，螺紋高度不夠是由于毛管壁厚偏薄；之后增加毛管壁厚，使拔前拔后的壁厚差保證在1.5mm以上，螺紋高度基本達到要求；鋼管外徑偏小是由于內模位置調整不當，其靠前或靠后均有影響。從表2、表4可見，其化學成分和性能完全滿足ASME要求，且性能余量較大。
（2） 內模形狀很重要。在開始設計內模時，由于對開度和倒角未加注意，因而生產出的管子出現臺階和輕微毛刺。改進后，增加了槽溝的開度和倒角，缺陷完全消除。
（3） 毛管壁厚不均對螺紋高度影響很大。如果毛管壁厚不均嚴重或有很深的內螺紋缺陷，則不能保證成品的螺紋高度或使高度不均。
7 結論
（1） 此次試生產的冷拔內螺紋無縫鋼管，經檢測，各項指標均達到有關標準要求。
（2） 在確定毛管規(guī)格時，要充分考慮拉縮現象，保證成品前道次的壁厚大于成品最大壁厚1.0~1.5mm。
（3） 內模時拔制成功與否的關鍵。設計內模時要充分考慮溝槽的深度及開度，以使拔制時得到合理的螺紋高度，并防止出現劃傷。
