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高压气瓶用无缝钢管简介
2018-11-01

【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1030M Pa(国际上已达40MPa) , 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12.2529.40MPa, 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 ) ; 二是用方钢坯通过冲压拉伸并收口成型(称为E )。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。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%,S0.030%,P0.035%,S+P0.060%;铬钼钢及其他合金钢C0.40%,S0.035%,P0.030%,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:S0.010%,P0.015%,S+P0.020%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≤3.0,B类≤3.0,之和≤5.5;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-4060; 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GB5099-94 标准规定, 两类钢经热处理后需分别做-20, -50 V 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GB13440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 ) 6, 带状组织≤3.0 , 魏氏组织≤2.0 ; 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*小壁厚设计的。如国际标准ISO 4705, 美国DOT ,德国DIN4664, 日本JISB 8230, 8241 等的*小壁厚计算均以屈服强度为依据。我国GB5099 标准中的*小壁厚计算(参见计算公式), 也是从以前的按抗拉强度或屈服强度计算, 改为参照ISO4705 标准, 单按屈服强度计算。

*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*小壁厚, 以满足气瓶瓶体安全性的壁厚要求。在保证*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GB5099 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 + 15/- 10%

GB5099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 ±1.25%。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*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GB5099 标准, GB 8163 标准执行。


2 高压气瓶用无缝钢管的生产工艺

国内外生产高压气瓶用无缝钢管的方法主要有: ①大顶管——用钢锭()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。②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*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() 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。


3 高压气瓶用无缝钢管生产

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**的气瓶标准有美国的DOT规范、ASME规范第八卷(压力容器) , 德国的D IN4664 标准, 日本的JISB 8230, JISB8241 标准, 国际标准ISO 4705 和一些国家的**企业标准。目前一般普遍等效采用国际标准ISO4705, 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ASME 2(材料) 中的SA - 372 标准, 日本的JISB3429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,GB5099《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46Mn5, 40Mn4 等钢号; 英国切斯菲尔特厂采用0.35%C, 1.50% 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0.37% 0. 44%C, 1.35%1. 65%M n的锰钢; 美国是用C0.40% ,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14.7M 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; 80 年代,铬钼钢及其他合金钢气瓶已占整个气瓶业的80%80 年代初, 已发展到用37CrNi3MoVA 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 0.35% , Cr1.0% ,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 ; 美国常用4130 (相当于我国的30CrMo ) 生产气瓶;意大利达尔明公司1966 年所制203mm×5. 5mm 铬钼钢气瓶, 钢号相当于我国的30CrMo , 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19.61M 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 )、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 ; 70 年代普遍采用DZ40; 80 年代初, 已大量生产锰钢气瓶用管,代表钢号有40Mn2, 42Mn2, 40Mn2V , 少量用30CrMoA , 35CrMoA , 30CrMnSiA 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,*后已从≤0.44% 降至≤0.40% , 提高了Mn/C , 使用较多的代表钢号为34M n2V ,37Mn (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- Ni- Mo- V钢等气瓶也很快发展起来。采用较多的是30CrMoA , 35CrMoA, 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。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() 工艺可生产 60mm ×3mm 的小容积气瓶用管, 配以热扩则可生产720mm 的大容积气瓶用管。如英国**的切斯菲尔特无缝钢瓶厂生产的小型钢瓶规格为 63117mm , 生产的中型钢瓶规格为176267mm; 德国曼内斯曼公司的REISHOIZ钢管厂用大顶管工艺可生产*大内径为990mm、*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、小容积气瓶供坯; 更小口径薄壁气瓶管要在热轧管坯基础上, 继续通过冷轧() 工艺以减小外径、壁厚并提高其精度和改善表面质量; 大口径高压气瓶用管也是在热轧管的基础上, 继续通过热扩拉拔工艺以扩大外径、减薄壁厚。为改善壁厚精度和表面质量, 目前正在筹划以斜轧扩管代替拉拔式扩管工艺;要得到壁更薄, 表面更光洁, 外径、壁厚精度更高的气瓶管, 还需通过旋压工艺, 该工艺一般放置在气瓶制造厂或有关机器制造厂。80 年代后期以来,随着国内轧管工艺的发展, 生产中、小容积气瓶用管已逐步采用引进的现代化热连轧工艺和AccuRoll 热轧管工艺, 其特点是生产批量大, 管子壁薄, 尺寸精度和表面质量较自动轧管、周期轧管好,热轧管工艺技术和产品质量能够达到国际水平。在大顶管方面, 武汉重型铸锻厂引进日本住友公司的设备和工艺技术建设的机组,已于1996年投产, 可生产 1067mm ×165mm 的合金钢管, 为开创国内大容积高压气瓶和容器的生产奠定了更雄厚的基础。另外, 各钢管厂的冶炼、机加工、无损探伤、精整设备及工艺技术已更趋完善和现代化, 也为高压气瓶和容器用管的深加工和检测提供了更好的手段。


【结语】

(1) 高压气瓶等专用无缝钢管的开发, 从标准演变、技术要求, 到产品质量、生产工艺, 均是紧随高压气瓶等高压容器的需求, 并与国际逐步接轨而进行的。

(2) 随着冶炼、轧管、大顶管设备的更新和完善, 工艺技术的不断现代化, 管理水平的提高, 国内已形成生产各类高压气瓶等高压容器用无缝钢管的能力,可基本满足高压容器制造部门的生产需要。


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