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高頻焊管的優點

發布時間:2013.05.12 新聞來源:直縫鋼管_大口徑直縫鋼管_厚壁鋼管_高頻焊接鋼管-河北美德鋼管制造有限公司 瀏覽次數:

高頻焊管的優點

一、國內外ERW鋼管的技術發展進程
高頻焊管ERW)是將熱軋卷板經過成型機成型后,利用高頻電流的集膚效應和鄰近效應,使管坯邊緣加熱熔化,在擠壓輥的作用下進行壓力焊接來實現生產的。高頻電阻焊方法50年代開始應用于焊管生產。近十年來,其生產技術日趨完善,產品質量不斷提高。首先是ERW生產所用原料的質量有了明顯的改觀,鋼材成份設計中的低C,低P、S,微合金化;冶煉過程中的轉爐冶煉、鋼包精煉、真空脫氣、連鑄等新技術的采用;軋制過程中控制軋制、控制冷卻技術的使用使得大中口徑ERW鋼管用熱軋鋼帶的外觀尺寸、外觀質量、理化性能大幅度提高。其次是大中口徑ERW鋼管成型焊接熱處理等工序生產過程中實現了計算機自動控制,高頻焊接過程中熱輸入能量隨著計算機的自動補償系統得到了有效的控制,防止了焊接熱輸入能量偏低造成的冷焊、虛焊和熱輸入能量偏高而引起的過燒。中頻熱處理溫度的控制使得熱處理過程能夠按工藝要求達到最佳效果,有效的保證了焊縫和熱影響區的質量。此外,檢測技術的進步,實現了在線或離線全焊縫超聲波或渦流探險傷,水壓試驗也可以在計算機的監控下,按要求進行試壓和穩壓。ISO9000系列標準和APIQ1規范的推廣和實施,使得大中口徑ERW鋼管生產、檢驗、銷售和服務處于一個全過程的質量保證之中。近年來,各國都在積極研究用高頻焊管(ERW)鋼管代替無縫管和螺旋焊管,在工業發達國家,直徑高頻焊管在Ф610mm以下,ERW所占比例已達到70%左右。 
二、ERW與SAW、SML各項性能技術指標的對比
 1、ERW與SAW的對比
 (1)由于SAW焊縫長度大約是ERW焊縫長度的4-5倍,其內焊瘤無工藝能力去除,因此在輸送介質時不可避免地增加了管道內壁的摩阻。而ERW焊縫長度短,內焊瘤能去除,介質在管道內流動時,管道內壁產生的摩阻相對螺旋縫埋弧焊鋼管來說比較小,這對減少成品油輸送時產生的混油量和降低摩阻產生的溫升非常有利。
2)根據殘余應力測定結果表明,ERW焊管周向成型內應力較小,對于管材是有利的。對于SAW焊管,由于其焊縫區大,焊縫內應力有拉也有壓,應力狀態比ERW管復雜,這與螺旋焊管的成型工藝有關。內表面為彈復拉應力,軸向應力為+450Mpa,周向應力為+344 Mpa,這種在焊縫及熱影響區內壁的大范圍的拉應力將對內壁缺陷的啟裂和應力腐蝕產生不利的影響。
3)由于SAW焊縫長度大約是高頻直縫管焊縫長度的4-5倍,成品管焊縫處理的防腐處理比較困難;ERW鋼管具有焊縫短(與螺旋縫鋼管相比),鋼管壁厚均勻、長度穩定、幾何尺寸精度高、防腐及組裝焊接的質量易保證。
2、ERW與SML的對比
1)優越的管坯質量
高頻焊管鋼管的管坯與SML鋼管的管坯相比化學成份的設計更為科學合理。
ERW專用鋼種具有高純凈度的特點。通過脫S,脫P,脫氣,Ca處理等方法使得S、P含量可控制在0.005%以下,N含量可控制在0.008%以下,夾雜物的形態可控制為球狀,且其數量大為降低。C含量控制在0.1%以下,使得焊接包括施工過程的環焊具有好的焊接性能,而強度的增加則通過加入Nb、V、Ti等微量合金元素,來阻止奧氏體晶粒的長大,同時增加間隙強化來提高鋼材的韌性與強度。而SML鋼管的管坯一般為A3、20號鋼、16Mh等材質,材料的純凈度較差,C含量較高,一般在0.2%左右,不利于施工中的環焊對接,強度尚可,但韌性較差。
ERW鋼管管坯與SML鋼管管坯的另一大區別是:前者是用熱軋鋼帶冷軋成型制造的,而后者則是園鋼在熱軋狀態下由穿孔成型的。顯然,熱軋狀態下形成的SML管坯的晶粒度及組織的織密程度與ERW管坯相比有較大的差距,由此可引起的性能必然也有很大的不同。
2)幾何尺寸的優勢
無論從資料對比,還是資料中實測數據對比,ERW鋼管都比SML的尺寸精度高。這是由于無縫管是園鋼在熱軋機組中連續穿孔成型的,而ERW鋼管則是由鋼帶在冷軋狀態下成型的。相比之下,ERW在外觀尺寸方面的控制比SML更容易實施。正因為如此,ERW鋼管的外觀質量缺陷較少,外觀質量也優于SML鋼管。
此外,由于電腦飛鋸的使用,高頻焊管的定尺率及定尺長度的精度較高。由于高頻焊管是用軋制精度較高的熱軋鋼帶制造,其厚度容易控制,可按設計要求生產壁厚較薄而鋼級較高的鋼管。如西氣東輸工程用管,經過幾次反復論證,現基本確定用X70鋼級,壁厚在14.7mm、Ф1016mm鋼管,鋼級提高,壁厚下降,相對降低工程投資,大約50億元左右。而無縫管的壁厚往往受到穿孔技術和生產成本的限制,薄壁鋼管難度很高。
3)ERW與SML標準的比較
流體輸送用一般無縫熱軋鋼管,標準為GB8163-87,其規格為:外徑Ф32-630mm,壁厚為2.5-75mm,鋼號為10,20,09MnV,16M n。美國石油協會API 5L(41)標準適用于石油天然氣輸送用鋼管,包括焊管和無縫管,其規格為外徑Ф10.3―2032.0mm,壁厚為1.7- 31.8mm,鋼號為A25,A ,B ,X42,X46,X52,X56,X60,X65,X70,X80與之標準相類似的有ISO3183-96系列標準和97年11月發布,98年4月開始實施的GB/T9711-97系列標準。鑒于ISO、GB/T標準均源于API 5L(41)標準。因此將GB8163-87與API 5L(41)作以對比。
兩個標準的要求有以下特點:
1)GB8163-87中規定的檢驗項目,API 5L(41)亦有相應要求,其指標完成能夠滿足這些項目的要求。GB8163-87中的10、20、09MnV和16Mn分別相當于API 5L(41)中的A、B級,X42級,X46級,X52級。
2)GB8163-87中的鋼管的幾何尺寸精度要求低于API 5L(41)。
3)GB8163-87和API 5L(41)對水壓的要求程度有很大不同,前者明文規定可以用超聲波或渦流代替水壓,而后者則不然。這一點極為關鍵,因為水壓檢驗是鋼管極為重要的檢驗項目之一。并且,前者水壓試驗值的規定低于后者的要求,對于X42以下級別,ERW管標準水壓試驗值在不大于Φ114.3mm時與GB8163-87一致;大于Φ114.3mm外徑時,分別比無縫管要求高于15%和25%。 對于打壓時的要苛刻,它要求水壓機必須配備某種自動或連鎖的強制性裝置,記錄保壓曲線,保證穩壓時間。
4)GB8163-87與API 5L(41)在無損檢測方面的要求有很大的不同,前者檢驗項目中并沒有明確規定須經無損檢測,只是在水壓檢驗項目下提到過用無損檢驗代替水壓的說法;而后者則要求水壓與無損檢驗項目同時進行。筆者認為,后者的規定更為科學和可靠,實踐證明,無論ERW還是SML鋼管,水壓通過未必就說明管子沒有內在的嚴重缺陷,而這種缺陷往往對鋼管使用的壽命有很大的影響,成為客戶關心的重點。另外,水壓時的管端肓區也是缺陷的高發地帶。因此,API 5L(41)不僅同時要求水壓和無損檢驗,而且要求在水壓后對焊縫和管端肓區進行無損檢測,以防止由于水壓受力而引起的裂紋或缺陷擴展及管端缺陷漏檢。
5)壓扁試驗從標準規定看,GB8163-87比API 5L(41)苛刻,而實際上ERW鋼管的焊縫和母材的強韌匹配使得其在壓合時往往不發生開裂,因此,ERW鋼管的抗壓扁性能并不比無縫管差。
4)ERW與SML鋼管實物質量對比。
經西安管材研究所和上海市技術監督局黑色金屬檢驗站的質量檢測,這里取兩個規定B級Φ219×8.18和X52級Φ323.9×6.4,及所收集到的國產TS/52KΦ219×6ERW管、國產20鋼(相當于API B級或X42級)Φ159×6、墨西哥產ST45(相當于API X52級)Φ219×6無縫管的測試數據對其化學成份、拉伸性能、壓扁性能、沖擊韌性、外觀質量進行分類比較。
五種鋼管的成份全部滿足API 5L(41)和GB8163-87之要求。ERW的成份設計是低C高Mn,而SML則是高C低Mn,顯然前者的可焊性比后者更好,這對現場施工中環焊縫的焊接更為有利,同時ERW的鋼質比SML有更高的純凈度。
2、機械性能
1)拉伸性能均滿足API 5L(41)和GB8163-87標準要求,且ERW和SML的抗拉伸性能相當。
2)從沖擊性能可以明顯發現,ERW鋼管的韌性優于SML,特別是在低溫條件下更甚。
3)壓扁性能表明,三個ERW鋼管壓合時均未出現裂紋,而20鋼無縫鋼管出現微裂紋,另一未裂,說明ERW鋼管抗壓扁性能較優。
3、外觀尺寸工藝質量                           
1)外觀尺寸和工藝質量均符合兩個標準要求。
2)從產品實物測量結果看,ERW的外觀幾何尺寸和外表工藝質量大大優于SML鋼管。
三、ERW與SML鋼管在價格上的比較
由于生產工藝先進和生產效率較高,ERW鋼管生產成本要比無縫鋼管低得多。在一般情況下ERW鋼管每噸價格要比相同材質無縫管低600-800元左右。以普鋼ERW鋼管為例,如Q235A、B或SS400,12”,323.9×8,每噸含稅價在3500-3600元左右;又如管線鋼系列,X42,12”,323.9×8,每噸含稅價在4000-4100元左右,都比同類SML鋼管價格上低得多。
四、ERW鋼管適應溫度范圍問題的討論
ERW直縫高頻焊管API-5L標準或按GB/T 9711.1-1997標準,這些標準沒有特別說明ERW焊管適應溫度范圍,茲討論如下:
1、關于ERW焊管適應高溫區范圍:國外在高溫高壓下也用有縫管。直縫鋼管無縫管都是金屬制品,如日本標準ISO只認定標準,不分有縫與無縫。
   溫度對金屬變形的影響:在高溫下,金屬抵抗塑性變形的能力,一般都比低溫時小,因此,溫度愈高,金屬的強度和硬度愈低,塑性和韌性愈高。
    從金相學來看,金屬熱加工還是冷加工的溫度界限,是以再結晶溫度來區分的。凡是高于再結晶溫度進行的壓力加工叫熱加工,低于再結晶溫度進行的壓力加工叫冷加工。鋼鐵要在600-700℃時加工,才算熱加工,400℃時加工,還是冷加工。
 溫度對金屬強度的影響:
① 國內有的文獻指出:“400℃以下管材的許用應力值是以材料屈服極限、比例極限為基礎。長時間處于400℃以上高溫時(如:35kg/cm2蒸汽)的管道,由于產生蠕變現象顯著,許用應力是以蠕變強度為基礎。各種規范的許用應力值都是以此為基礎制定的?!盵2]
從金屬熱處理一般知識可知:
② 當溫度為200℃時,碳鋼的屈服限非但沒有降低,相反略有增加,所以,碳鋼本體在250℃以下高溫工作時,可以不必考慮溫度對靜強度的影響。
③ 溫度對于疲勞強度的影響
碳鋼在350℃―400℃的高溫度下,疲勞強度非但沒有降低,反而上升。
從以上分析說明,國外高溫高壓條件下仍用有縫管是有科學依據的。
國家有關標準的規定:
① 中華人民共和國國家標準GB150―1998《鋼制壓力容器》4.2.3條“關于碳素鋼鎮靜鋼板的適用范圍規定” 如下:
Q235―A鋼板:容器設計壓力P≤1.0Mpa,鋼板使用溫度為0―350℃,用于殼體時,鋼板厚度不大于16mm。
② 中華人民共和國電力行業標準DL/T 5054―1996《火力發電廠汽水管道設計技術規定》
20G鋼管,若要求使用壽命不超過20年,使用溫度可提高至450℃,但使用期間應加強金屬監督。
關于管線鋼材料的ERW鋼管可以參考有關合金鋼管的溫度范圍。
2、關于ERW焊管適應低溫范圍:
   從各國ERW管的生產情況來看,除具有生產率高、成本低、尺寸精度高之外,其焊縫的抗拉強度、延伸率、斷面收縮率、彎曲試驗、常溫沖擊韌性值等均能滿足有關規范的要求。但也有不少廠家生產的ERW鋼管的焊縫低溫韌性較差,從而限制了在低溫狀態下使用。
我國曾對由國外引進某廠材質X46的Φ355.6 ERW鋼管進行了測試。
   解決ERW鋼管焊縫低溫韌性偏低的途徑:
日本NKK制管廠生產X65級鋼管焊縫FATT值,SA=50%時,FATT達-65℃;SA=80%時,FATT達-45℃??梢詽M足輸送丙烯(-48℃)及丙烷(-42℃)的要求。
   優選母材FATT值:它們的做法是:對用于生產ERW鋼管的原料,進行特殊脫S及Ca處理精練,從而得到純凈的具有低溫韌性良好的材質。
母材的FATT值很低,雖然ERW管的焊縫超前于母材進入脆性區,但因母材的FATT值很低,故焊縫的FATT值雖比母材的高,但仍能滿足設計要求。當然這一切取決于用戶或設計的要求,如最低設計溫度較高,則焊縫的FATT值可與之相對應,從而對母材不必有過低的FATT值要求。
降低母材FATT值的措施如前所述,系采取特殊的脫S處理和Ca處理。從NKK的ERW管試樣分析看,其S含量僅為0.001%,API 5L要求不大于0.050%,比規范要求低50倍;其P含量為0.005%,API 5L要求為不大于0.040%,比規范低8倍,但加入Nb等元素,Ca處理后,Ca含量為0.003%~0.0032%。
 優化電阻焊工藝:
熱輸入量、焊接速度、焊縫開口角等各因素均與焊縫處的低溫韌性有關,在這方面曾有人做過大量有益的工作。焊口兩側焊接面在成型過程中,相互靠近的速度應與由于金屬融化而使焊口兩個側面分開的速度相近,如前者速度大則會出現冷焊,如后者速度大則會有較多異物侵入而造成FATT值上升,有文獻推薦焊縫開口角以5~6°為佳,焊接速度以20m/min為好,具體情況應具體分析,相信經過多次試驗后可找出最佳焊接工藝,從而提高焊縫的低溫韌性。
 改善退(正)火處理工藝:
除退(正)火工藝外,熱處理位置應與焊縫對中。如前所述,我們由國外某廠引進的幾種規格的ERW鋼管中,金相分析發現,某些試樣有焊后熱處理偏離焊縫熔合區的現象,這一現象肯定會對焊縫韌性有一定影響。有些試樣偏離量達5mm左右。
五、油氣儲運工程應推廣使用ERW鋼管
石化企業中油品儲運系統的生產操作條件與生產裝置相比,相對“溫和”得多。其工作壓力一般在2.5Mpa以下,個別情況可達4.0 Mpa;工作溫度一般在100OC以下,最高不超過180 OC,只有在用1.0
Mpa蒸汽吹掃時,溫度最高可達250 OC左右。各種油品一般無腐蝕或只有輕微腐蝕。油品儲運生產操作如油品裝卸、調和、輸轉等一般均為間斷腐蝕。油品儲運生產操作如油品裝卸、調和、輸轉等一般均為間斷操作,只有少數給生產裝置供原料的機泵為連續操作。
石化企業油品儲運系統的管材選用目前均按照行業標準《石油化工企業管道設計器材選取用通則》(SH3059-94)。該規范中對電阻焊碳鋼直縫鋼管(ERW鋼管)的選用規定:經冷擴擴脹率不超過1.5%外徑的產品,宜用于設計溫度不超過200 OC的管道,未經冷擴的鋼管可用于設計溫度不超過425 OC的管道。由此可以看出,在油品儲運系統中可選用ERW鋼管。但在實際設計工作中,各設計單位都有更具體的管材選用規定和一些習慣的做法。
由于歷史條件的限制,在七八十年代國內尚無ERW鋼管,只有能用于低壓流體(如水、壓縮空氣等)的高頻電阻焊鋼管,即按國標《低壓流體輸送用鍍鋅焊接鋼管》(GB3091)和《低壓流體輸送用焊接鋼管》(GB3092)生產的焊接鋼管。還有按行業標準《承壓流體輸送用螺旋縫埋弧焊鋼管》(SY5036)和《承壓流體輸送用螺旋縫高頻焊管》(SY5038)生產的螺旋焊縫鋼管。這種鋼管一般只能用在設計壓力不超過1.0Mpa的無毒介質管道。因此一般在油品儲運系統設計中,不管實際生產操作條件如何,只能選用無縫鋼管。長期以來各單位的具體管材選用規定中,均規定在一般情況下選用無縫鋼管,只有在DN≥350時,可選用螺旋縫埋弧焊鋼管(其主要原因是大口徑無縫鋼管當時需進口,價格昂貴)。有時為了與生產裝置選材一致,在油品儲運系統中也要求選取用無縫鋼管。
90年代起我國陸續從國外引進了ERW鋼管的生產技術裝備,已可生產DN80-300的ERW鋼管,年產量可達上百萬噸??砂?a href='http://www.avabellaspasalon.com/N-110.html' title='API' target='_blank'>API、ASTM、GB/T等標準生產。雖然這些直縫鋼管的價格比無縫鋼管要低得多,也能適應石化企業中很多生產場合,但由于種種原因這些產品尚未在中石油和中石化系統中得到廣泛應用。
對于長輸管道的建設而言,管材及制管方式的選擇是極其重要的,它不僅影響管道工程的施工工藝和施工質量,還會影響到今后管線的安全運營與管理,更會對整個工程的投資產生巨大影響(在長輸管線的整個工程投資中,管材的投資一般占到50%-65%左右)。
高頻焊管在世界歷史上,八十年代已趨向于成熟和完善,國內九十年代大量引進國外先進技術,而得到推廣,不僅在理論上而且在實踐上都能說明高頻焊管在油氣儲運領域中輸送質量的可靠性、安全性及降低管道建設投資。在今后的油氣儲運工程和管道建設中要打破設計中沿襲的陳舊習慣,大力推廣使用高頻焊管,是中國焊管現貨相對樂觀。
 
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