U形无缝不锈钢管的加工工艺及不锈钢管的制作方法

本发明属于钢管加工技术领域，特别是涉及一种主要用于火电、石油、化工、核电行业的换热设备的u形无缝不锈钢管的加工工艺及不锈钢管。

背景技术：

随着现代工业发展，u形无缝不锈钢管已广泛应用于火电、石油、化工、核电等行业的换热设备中，目前已有的工艺技术是一般是通过冷拔、冷轧等加工方式从原料管坯加工至成品直管规格，采用氨分解后氮气与氢气的混合气体进行气氛保护热处理，然后利用弯管模具进行u形管弯制，再进行无保护气氛下的弯管部分消应力热处理，最后对弯头部位进行酸洗钝化处理或不处理。该加工工艺过程单一，道次变形量小，生产效率低；现有轧机上料长度受限(通常为12米以内)，常规冷轧变形量40％～60％，在该变形量下，对应最多2.5倍的延伸率，只能实现最长30米左右的成品，无缝不锈钢管内表面粗糙度一般只能达到0.8～1.6μm水平，难以进一步减小粗糙度值；氢气和氮气混合气氛保护下热处理后的不锈钢表面有渗氮风险，降低了抗腐蚀性能；现有工艺弯管模具为不锈钢或胶木材质，不锈钢模具强度高，但是易在钢管表面留下划痕，不利用表面质量控制，且内侧轮廓度较差，易起皱，胶木模具韧性差，但受力易开裂，不利用长期弯管使用；u形无缝不锈钢管成形后，u形部分椭圆度较大，垂直于u形管平面方向的外径增大，平行于u形管平面方向的外径减小，通常椭圆度控制水平在5％～7％，不能满足高精度弯管尺寸要求；现有工艺下，弯管时，u形部分在椭圆度增大的同时，壁厚减薄量增加，在弯管后，u形管形成薄弱区域，易出现破损和堵管；无保护气氛下的弯管消应力热处理后弯管表面氧化严重，如不处理将影响u形管的抗腐蚀能力，酸洗钝化处理后表面粗糙度较差且有过酸风险。

因此，如何提供一种具有生产效率高、变形量大、可制成表面粗糙度≤0.5μm、成品直管展开长度超过30m、耐腐蚀性能优异、u形管尺寸精度高的u形无缝不锈钢管产品及其加工工艺是本发明中创作者的研创动机所在。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种生产效率高、表面质量优异、耐腐蚀性能优异、高精度的u形无缝不锈钢管的加工工艺及不锈钢管。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

u形无缝不锈钢管的加工工艺，其特征在于包括以下步骤：

1)将直径60-80mm的圆钢管坯经斜轧热穿孔成外径60-85mm，壁厚5-9mm的荒管；

2)通过冷轧设备将步骤1)中荒管开坯冷轧成管外径46-60mm，壁厚4.1-5.5mm的中间品管；轧制变形量为40％-80％；

3)通过冷轧设备将步骤2)中的中间品管冷轧成管外径20-40mm，壁厚1-3mm的半成品管；轧制变形量为40％-80％；

4)通过高速冷轧设备将步骤3)中的半成品管经75％-80％大变形量冷轧成形至管外径10.1-25.4mm，壁厚0.5-2.5mm，长度30-50m的成品直管；冷轧过程中q值保持0.8-1.5；q值为在该q值范围内，经大变形冷轧后，不仅表面质量优异，且内表面粗糙度可达到0.5μm以下。内壁粗糙度和q值的关系可以用图3表示。

5)利对步骤4)中的成品直管进行酸洗脱脂，水洗，再将内表面擦拭清洁；

6)利用还原性气氛保护热处理炉对步骤5)中清洁干净的成品直管进行成品管固溶热处理；

7)利用无极变径推弯或高精度模弯，将经过步骤6)后的成品直管无芯冷弯制成u形无缝不锈钢管；

8)对经步骤7)成形的u形无缝不锈钢管，对弯头部分以及邻近弯头部位的直管部分进行消应力热处理。

其进一步特征在于：所述步骤4)中，控制q值的同时，同步对冷轧工装模具进行优化匹配设计，按照以下设计思路进行：选择双曲线作为孔型曲线，利用长行程轧机条件基础，调整主变形段、壁厚均整段、定径段曲线设计，控制减径、减壁节奏。主变形段适当增加曲线度增大分段的q值为1.0～1.2，壁厚均整段在保证足够的壁厚均整余量前提下选择较小的出口锥度为1:800～1:1000，变形段侧壁形式采用a型开口，且侧壁开口值设定较大的回弹余量为0.2～0.3mm。

进一步的：所述步骤7)对成品直管进行无芯冷弯，针对弯曲半径r≤230mm的u形管采用半自动模弯设备弯制；针对弯曲半径r＞230mm且弯曲半径r公差要求±0.5mm以内的u形管采用全自动无极变径推弯设备弯制。

优选的：在所述步骤2)与步骤3)后均对所述中间品管和半成品管进行脱脂、热处理及酸洗去氧化皮处理。

所述步骤5)中的成品直管脱脂是采用酸性脱脂剂在自动或半自动酸洗联线进行，然后使用多频次高压水冲洗，再借助洁净的压缩空气推进干净的羊毛毡或白布穿过成品管内部，进行内表面擦拭工艺。

所述步骤6)中保护气氛采用纯氢气，其纯度≥99.9％。

所述步骤7)中的高精度模弯，选择尼龙材质作为弯管模具材料，硬度比不锈钢低的同时具有适宜的韧性，既减少了对钢管表面划痕产生的风险，又具有很好的耐用性。设计弯管模具时，采用反变形设计，模具的空腔形状不再是规整的圆形，而是一个垂直于u形管平面方向的外径较小，平行于u形管平面方向的外径较大的椭圆空腔，该空腔的反向变形量用δφ表示。以此通过预先反向变形的方式，利用不锈钢管弯管后的回弹，改善弯曲部分的椭圆度。

所述步骤8)中热处理过程中用氩气对u形管内外表面进行局部气氛保护，利用接触式电极设备进行加热，实现对u形管气氛保护状态下的消应力热处理。

采用上述u形无缝不锈钢管的加工工艺加工的u形无缝不锈钢管，其特征在于：所述u形无缝不锈钢管各处的横截面积呈封闭的圆环或近似圆环状，整支钢管外形呈u形或近似u形，且壁厚为0.5-2.5mm，管外径为10.1-25.4mm，展开后的长度为30-50m。

进一步的：其壁厚为1.0±0.1mm，管外径为16.0±0.08mm，展开后的长度为45-50m之间，表面粗糙度≤0.5μm，弯曲半径r公差在±0.5mm以内。

本发明中的u形无缝不锈钢管主要用于火电、石油、化工、核电行业的换热设备中，具有小口径、超长薄壁、表面粗糙度≤0.5μm、耐腐蚀性能优异、u形管尺寸精度高等特征，不仅优化改进了现有u形无缝不锈钢管的性能，而且符合更高水平的产品要求，具备了更广阔的应用前景。

不锈钢管冷轧时q值反映的是管子减径和减壁值比例。在冷轧过程中，减径的同时配合合适的减壁量才能保证壁厚方向变形均匀，金属流变合理，最后内壁粗糙度较小。

本发明由于采用了40％至80％的中高变形量开坯冷轧并结合80％左右成品冷轧变形量设计，缩短了圆钢原料至成品规格的变形道次，提高了生产效率，在≤12米上料长度情况下，实现了最长达50米的成品直管成形；同时重点控制成品减径量和减壁量关系，引入q值概念，确保q值在0.8～1.5之间，优化匹配工模具曲线设计方案，确保了表面质量优异，且内表面粗糙度可达到0.5μm以下；利用纯氢气保护实现成品管还原性气氛保护固溶热处理，避免表面渗氮，提高产品抗腐蚀能力；针对不同规格弯曲半径选择适当弯管设备，利用全自动无极变径推弯技术实现大弯曲半径r公差要求±0.5mm以内的高精度尺寸要求；使用高精度模弯技术，选择尼龙材质作为弯管模具材料结合反变形设计弯管模具，既减少了对钢管表面划痕产生的风险，兼顾耐用性，同时利用不锈钢管弯管后的回弹，改善弯曲部分的椭圆度实现了高质量高精度模弯；利用氩气保护局部热处理专用设备，对弯头部分以及邻近弯头的直管部分进行消应力热处理，进一步提高u形无缝不锈钢管抗腐蚀性能和表面质量，达到表面粗糙度≤0.5μm的要求。

附图说明

图1是本发明中u形无缝不锈钢管的工艺流程图。

图2是本发明中u形无缝不锈钢管的结构示意图。

图3是本发明中内壁粗糙度和冷轧q值的关系示意图。

图4是本发明中以φ16×1mm规格的u形管为例，反向变形量δφ与弯管后的椭圆度值关系示意图。

具体实施方式

u形无缝不锈钢管的加工工艺，用于生产制造超长、表面质量优异、耐腐蚀性能优异、高尺寸精度的u形无缝不锈钢管，采用下列实施例来完成。

实施例一

如图1所示，制得壁厚为1.0±0.1mm，管外径为16.0±0.08mm，展开后的长度在45m至50m之间，内外表面粗糙度≤0.5μm，表面无氧化色和渗氮层，具备良好的抗腐蚀性能，弯曲半径r＝550mm,弯曲半径r公差±0.5mm的u形无缝不锈钢管包括下列步骤：

1)对φ80的圆钢管坯进行斜轧热穿孔，制成φ80×8mm的荒管；

2)使用高速冷轧设备并结合40％至80％的中高变形量设计进行开坯冷轧加工，将荒管加工至φ57×5.5mm的中间品管，本道次变形量＝1-((轧后外径-轧后壁厚)×轧后壁厚)/((轧前外径-轧前壁厚)×轧前壁厚)＝50.8％，缩短了圆钢原料至成品规格的变形道次，提高了生产效率，同时确保了中间品来料的组织性能和均匀性；

3)步骤2)对开坯冷轧后的中间品管的脱脂、中间品热处理、矫直、酸洗去氧化皮等工序按照原有工艺方式进行；

4)对步骤2)冷轧并经过步骤3)处理后通过冷轧设备将中间品管加工至半成品管，半成品规格为：外径32±0.5mm，壁厚2.5±0.5mm，对应工序设计变形量为74.0％；

5)对步骤4)半成品管冷轧工序后的脱脂、中间品热处理、矫直、酸洗去氧化皮等工序按照原有工艺方式进行；

6)对步骤4)冷轧并经过步骤5)处理后的半成品管，经高速冷轧设备大变形量冷轧至成品外径为16.0±0.08mm，壁厚为1.0±0.1mm，长度在45m至50m，内外表面粗糙度≤0.5μm的成品直管，对应工序设计变形量为79.7％；主变形段适当增加曲线度增大分段的q值为1.0～1.2，壁厚均整段在保证足够的壁厚均整余量前提下选择较小的出口锥度为1:800，变形段侧壁形式采用a型开口，且侧壁开口值设定较大的回弹余量为0.2mm；

7)对步骤6)冷轧后的成品直管采用酸性脱脂剂在自动(或半自动)酸洗联线进行脱脂，然后使用多频次高压水冲洗，再借助洁净的压缩空气推进干净的羊毛毡或白布穿过成品管内部，进行内表面擦拭工艺；

8)对步骤7)脱脂清洁干净后的成品直管，利用还原性气氛保护热处理炉进行固溶热处理，该保护气氛采用纯氢气，其纯度≥99.9％，保证了钢管内外表面光亮，无氧化色和渗氮层，提高钢管的耐腐蚀性能；

9)对步骤8)中热处理后的成品直管利用无极变径推弯设备进行无芯冷弯，弯制成的u形弯曲半径r＝550mm，弯曲半径r公差为±0.5mm，实现了大弯曲半径u形无缝钢管高尺寸精度控制；

10)步骤9)中u形无缝钢管弯曲半径r＞160mm,按照常规要求，可不进行弯头消应力热处理，如确有产品要求进行的，用氩气对u形管内外表面进行局部气氛保护，利用接触式电极设备进行加热，实现对u形管气氛保护状态下的消应力热处理，避免表面氧化，确保产品耐腐蚀性能，提高了表面质量。

实施例二

如图1所示，制得壁厚为1.0±0.1mm，管外径为16.0±0.08mm，展开后的长度在45m至50m之间，内外表面粗糙度≤0.5μm，表面无氧化色和渗氮层，具备良好的抗腐蚀性能，弯曲半径r＝150mm,弯曲半径r公差±0.5mm的u形无缝不锈钢管包括下列步骤：

步骤1)至步骤8)与实施例一相同；

步骤9)对步骤8)中热处理后的成品直管采用高精度模弯技术，选择尼龙材质作为弯管模具材料。设计弯管模具时，采用反变形设计，模具的空腔形状不再是规整的圆形，而是一个垂直于u形管平面方向的外径较小，平行于u形管平面方向的外径较大的椭圆空腔，该空腔的反向变形量用δφ表示。以此通过预先反向变形的方式，利用不锈钢管弯管后的回弹，改善弯曲部分的椭圆度，本示例中设计δφ值在0.1附近时具有较优的结果。

10)步骤9)中u形无缝钢管弯管后，进行弯头消应力热处理，用氩气对u形管内外表面进行局部气氛保护，利用接触式电极设备进行加热，实现对u形管气氛保护状态下的消应力热处理，避免表面氧化，确保产品耐腐蚀性能，提高了表面质量。

如图2所示，采用上述加工工艺正常的u形无缝不锈钢管，主要用于火电、石油、化工、核电等行业的换热设备中，其成形后的壁厚在0.5mm至2.5mm之间，管外径在10.1mm至25.4mm之间，u形管展开后的长度在30m至50m之间，外表面粗糙度≤0.5μm,表面无氧化色和渗氮层，具备良好的抗腐蚀性能。

采用更精确的工艺可以使成形后u形无缝不锈钢管的壁厚在0.9mm至1.5mm之间，管外径在12mm至20mm之间，u形管展开后的长度在45m至50m之间，外表面粗糙度≤0.5μm,表面无氧化色和渗氮层从而具备良好的抗腐蚀性能。

优选的，可以加工壁厚为1.0±0.1mm，管外径为16.0±0.08mm，展开后的长度在45m至50m之间，内外表面粗糙度≤0.5μm，表面无氧化色和渗氮层从而具备良好的抗腐蚀性能，弯曲半径r公差在±0.5mm以内的超长、表面质量优异、耐腐蚀性能优异、高尺寸精度的u形无缝不锈钢管。

综上所述，经采用上述工艺制得的u形无缝不锈钢管符合火电、石油、化工、核电行业的换热设备需求，并且比现有工艺具有更好的性能和质量。

另外，上述虽然对本发明中的多个较佳实施例作了说明，但并不能作为本发明的保护范围，即对本领域的普通技术人员来说应该明白，在不脱离本发明的设计精神下可以对其作出等效的变化和修饰，因此，凡是在不脱离本发明的设计精神下所作出的等效变化与修饰，均应认为落入本发明的保护范围。