热轧无缝钢管质量检测技术的现状问题分析及改进对策研究

GXF360 2017-05-29

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热轧无缝钢管质量检测技术的现状问题分析及改进对策研究

叶子义

（衡阳华菱钢管有限公司技术质量部，湖南衡阳 4 2 1 0 0 1）

摘要：热轧无缝钢管广泛应用于航空、石化、建筑、军工等部门，有工业血管之称。工业的进一步发展离不开基础材料质量的提高，无缝钢管的质量就成为重中之重。当前对于无缝钢管的质量检测还停留在成品管的检查上面，这不仅浪费了生产工序及能源，部分缺陷还会最终影响生产的整体质量。针对于此，本文分析了热压无缝钢管质量检测技术当前存在的问题，并针对性的提出了改进方法。

关键词：热压无缝钢管；质量检测技术；问题；改进对策

无缝钢管和焊接钢管是当前主要的两种钢管生产方式，无缝钢管是一种经济断面钢材，广泛应用于工业、航天等领域。不同应用领域对无缝钢管具有不同的要求，很多情况下无缝钢管的使用环境十分恶劣，如天然气深井钻探、具有腐蚀性介质的石油、电站锅炉、石油裂化装备等。所以对于钢管的质量具有很高要求。

1 热压无缝钢管制造工序及质量要求

1.1 热轧无缝钢管制造工序

热轧无缝钢管的制造主要分为六个部分，首先是备料，包括购入管坯、气割断、剥皮修磨、探伤检查、高合金管坯表面处理与冷定心等程序；第二步为管坯加热，通过环形加热炉、斜底式管坯加热炉等专用设备进行加热，出炉后，先用热定心程穿孔；穿孔是指将实心厚壁毛管经过一定工序做成空心厚壁毛管，通常由斜轧穿孔机穿孔进行。如管坯为钢锭或方坯，通常采用水压机或两辊纵轧压力穿孔机穿孔；轧管是一种对空心毛进行管减径减壁的程序，用轧管机将毛管制备为荒管。自动轧管机组，在轧管后还应用均整机进行均整；再加热和定减径是指在成品前对荒管进行再加热，并通过减径机、张力减径机或扩径机进行加工，得到不同规格、尺寸的钢管；最后为精整、检查和进库等程序。

1.2 热压无缝钢管质量要求

热压无缝钢管质量主要有几何尺寸精度和外形标准、表面质量标准及物理化学性能和成分标准三个方面。几何尺寸精度和外形标准方面，主要包括管壁厚精度偏差、光管外径精度、钢管椭圆度、钢管弯度、钢管端面斜切度五个方面，其质量主要与管坯积热质量、调整参数、工艺设计参数、设备运行情况、工具精度与硬度、变形供需、润滑质量、加工精度、变形量分配调整有关；表面质量标准方面，主要包括十九种表面缺陷：裂纹、内折、直道内折、轧制折叠、毛刺、外折叠、青线、轧折、发纹、擦伤、矫凹、直道、凸面、麻面、离层、结疤、凹面、内螺旋、凹坑。除此之外，一些轻微的缺陷可保留在钢管上，但严重缺陷必须进行切除、修磨等清除干净。产生表面缺陷的主要原因是管坯表面缺陷或内部缺陷，也可能是生产过程中压制参数不准确、工具表面不光滑等；物理化学性能和成分标准主要包括常温下钢管的力学性能、非常温下的力学性能及抗腐蚀性。物理化学性能主要受钢的组织结构、纯精度及热处理方式、化学成分等方面的影响。

2 热压无缝钢管质量检测现状

当前在热压无缝钢管质量检测方面，主要为无损常规检测法，包括超声波检测法、涡流探伤检测法和漏磁检测法。无损常规检测法是从物理方面采取方法对钢管内部和表面性能进行检测，根据合格标准对钢管质量进行判断。超声波检测法是在电磁感应原理上发展而来的，先在管材内部发射一束超声波，如果管材内部有缺陷，则超声波一定会反射，再用探伤仪对所得信息进行进一步处理便可得知缺陷信息。超声检测对钢管内表面缺损检出率很高，但检验速度严重受限，在水浸法探伤中，超声波在管壁内的传播也会迅速衰减。这是因为水的声阻小于钢管，水与钢管往复透射率较小。同时，声波在管壁中的反射会造成波形转换，横向水投射会被水吸收，造成超声衰减。这种方法检测速度过慢，并不适用于工业生产；涡流探伤法主要用点式探头和穿过式探头践行检测，点式探头是在检测过程中以螺旋向前运动的方式进行检测。穿过式探头则直接进行检测。但涡流探伤方式具有2 5 0 mm的检测盲区。而且点式探头检验时间过长，穿过式探头对深层内部缺陷不敏感，无法判断具体位置；漏磁检测法是先对管材进行磁化，如有缺陷则会在表面形成漏磁场。此外还有非液浸式超声无损检测技术、激光超声检测技术、电磁超声技术等新兴技术。虽然以上技术都具有一定的效果，但并不能完全解决质量问题，或适用于工业化的生产，为此我们需要建立一种具有高效率、在各生产环节就能发现问题的技术。

3 改进措施

为了提高管材质量，我们应在各生产环节就对管材进行检测和预估，避免资源的浪费，降低生产成本。根据上文中提到的生产环节，我们可以在各环节进行检测。首先在管坯加热环节，加热温度、加热速度、加热时间是影响质量的主要方面，需考虑到管坯加热的滞后性，各输入温度对管坯问题影响也具有滞后性。在组态软件和数据库发展下，工业生产的数据越来越丰富。烧嘴煤气和空气流量、加热炉加热段固定位置的温度、出口处管坯温度等是在实际工作中最容易收集的数据。基于这一点，当前P C R建立的钢温模型广泛应用于生产之中。但管坯加热调整具有典型的大滞后特点，输入的变量信息不能马上改变管坯温度，具有延时性。可根据T L P C R方法通过计算各输入通道的滞后时间进行调整。T L P C R是基于传统P C R基础上对数据进行控制的技术，通过计算输入通道的滞后时间提高精度。首先获正常运行下的采样变量矩阵，获取正常运行状态下尽可能多的数据信息，然后对变量数据进行标准化处理，建立新的矩阵，根据新矩阵建立正常运行状态下的P C A模型。通常管坯的出口温度在1 2 0 0~1 3 0 0℃之间浮动，而最佳穿孔温度是1 2 8 0℃。根据管孔要求，每1 8 s加工一根管坯，结合系统预报温度，改变实际温度与偏差温度煤气用量差异，达到调节管坯温度的作用，将加工温度控制在1 2 6 0~1 2 9 5℃之间。

在穿孔方面，可建立穿孔与其他相关因素的关系模型进行控制，检测毛管质量。首先要确定毛管质量相关的模型作为输入量，包括上下轧辊量、压辊转速、推钢机位置等。通过对生产工艺数据的收集与分析，不同生产阶段各自变量对毛管质量的影响也各不相同，一部分变量在某一阶段对生产质量具有影响，另一部分变量对毛管质量的影响贯穿于整个生产工序。在实际生产中，管坯穿孔可分为三个主要的时段：一次不稳定穿孔时段、稳定穿孔时段和二次不稳定穿孔时段。一次不稳定穿孔时段是在轧件和轧辊接触到金属充满变形区；稳定穿孔时段是金属充满变形区到管坯尾部遇到顶头；二次不稳定穿孔是管坯尾部接触顶头到离开压辊为止。对毛管质量进行评估，需要计算毛管质量量化指标。毛管质量主要受管型和内部组织影响。通过上述分析可知，在穿孔的三个子时段中，毛管质量主要受到上下轧辊压上量、上下轧辊转速、管坯温度、顶杆实际位置等变量的影响。所以应在这些步骤中采集各变量的数据，将采集数据输入数据库，建立毛管质量模型，在生产前将历史积累的各个标准控制变量轨迹带入模型，计算对应的毛管质量；在再加热、精整方面，可采用间歇过程建模法进行检验与控制。根据连轧生产过程，将生产步骤分解为咬钢、稳定压制及抛钢几个部分，划分为1 5个小时段，并根据子时段的变量均值建立模型，进行质量控制。

生产过程中减径管产品规格多种多样，统一规格的产品调整会引起模型变化，要达到更精确的建立减径管质量预测模型的目的，先要对影响减径管质量的因素进行分析。影响减径管质量的因素主要有荒管加热温度的影响、荒管质量的影响、轧制速度的影响及张力的影响。同样，这些因素受每一环节变量的影响发生变化，可细分时段对各时段的因素进行调整。根据上一环节的间歇过程建模法进一步将轧辊程序划分为2 3个时段。利用这一模型将迭代学习控制技术应用在减径生产当中，提高生产质量。

在最后检测环节依然不能放松，当前的γ射线测厚技术、同位素测厚技术、超声波脉冲连续测厚技术等已应用于自动检测当中，我们要引进、研制新的检测技术，在提高产量的同时提高质量。