大直徑奧氏體不銹鋼無縫鋼管的研究與實踐

陳 香

（浙江格洛斯無縫鋼管有限公司，浙江 上虞 312367）

為滿足市場對高質量大直徑不銹鋼鋼管的需求，從2009年開始，浙江格洛斯無縫鋼管有限公司（簡稱格洛斯公司）先后組織生產奧氏體不銹鋼無縫鋼管3 000 t以上，產品覆蓋TP304、TP316、TP321、TP347等300系列奧氏體不銹鋼。本文主要介紹生產大直徑不銹鋼鋼管的過程控制以及產品質量情況。

1 生產工藝流程

不銹鋼在常溫下的導熱系數僅為碳鋼的27%，并隨加熱溫度的提高而逐漸增大，因此管坯在低溫加熱時升溫過程應緩慢進行。格洛斯公司現有坯料加熱設備為臺車爐和環形爐，根據不銹鋼的導熱特性，選用臺車爐作為加熱設備，以精確控制坯料加熱時低溫段慢速升溫。在實際生產過程中，坯料的端部棱角部位先冷卻，軋制時容易形成裂紋，在軋制完成后空冷時，鋼管外徑明顯收縮，會導致管端裂紋擴展；而采用軋制完成后進行水冷能夠抑制裂紋擴展，因此在軋制完成后增加在線水冷工序。

大直徑奧氏體不銹鋼無縫鋼管的工藝流程：坯料準備→臺車爐加熱→軋制→在線水冷→固溶處理（固溶處理+穩定化處理）→矯直→無損探傷→酸洗、鈍化→檢驗→包裝。

2 生產過程的關鍵技術控制

2.1 管坯晶粒度及加熱制度

管坯采用“電爐（或轉爐）+爐外精煉+真空脫氣+鍛制”的方法制造，鍛壓比3.0~3.5。當客戶要求奧氏體不銹鋼鋼管晶粒度為5~7級（高于ASME SA 312/SA 312M—2010《無縫和焊接奧氏體不銹鋼公稱管》標準的7級或更粗要求）時，應限定奧氏體不銹鋼鍛制圓管坯的晶粒度，以2.5~4.0級為宜。

不銹鋼低溫熱膨脹系數大，如果加熱速度過快，則內外溫差大，管坯容易產生裂紋，因此在600℃以下加熱時應嚴格控制升溫速度，實際生產中以150～300℃/h為準。同時，不銹鋼在高溫時的變形抗力大，加熱溫度過低，不能保證后續的穿孔溫度，易在軋制的過程中造成無法咬入和軋卡現象；加熱溫度過高或在高溫中停留時間過久，會出現大量δ鐵素體，從而影響熱加工性能［1-2］，因此加熱溫度控制在1 200～1 250℃。不銹鋼圓管坯在加熱時，采用階梯升溫的方式，嚴格控制管坯入爐溫度（不大于300℃），同時在管坯中心打80 mm的孔以保證心部透熱，降低穿孔時的變形抗力。

2.2 軋制過程控制

不銹鋼圓管坯從臺車爐到穿孔機，以及穿孔毛管從穿孔機到淬火槽，都采用行車吊運，由于不銹鋼最佳變形溫度區間窄、變形抗力大，因此根據生產實際情況，對管坯從臺車爐出爐到開始穿孔的吊運時間規定必須小于300 s，若超時必須回爐重新加熱。奧氏體不銹鋼在1 000～1 250℃的溫度范圍軋制時，與低溫軋制相比具有較好的塑性，并隨軋制溫度的下降，變形抗力急劇增大，一般終軋溫度不低于950℃，最大相對壓下量不超過20%［3］。

在金屬變形方面，錐形輥穿孔機比桶形輥穿孔機更有利于穿軋連鑄坯和高合金難變形金屬，因為從軋輥軋制帶至出口端，錐形輥穿孔機的軋輥直徑逐漸增加，減輕了扭轉變形和周向剪切應力。格洛斯公司錐形輥穿孔機的輾軋角是12°，保證了大的擴徑量和延伸系數，從而可以保證穿制Ф390～700 mm的坯料；均整機采用臥式、錐形軋輥、出口側傳動，擴徑率可達5%，延伸系數可達1.5，由于帶有輾軋角，因此能在完成一定變形延伸的同時，改善鋼管的內外表面質量并確保幾何尺寸精度。

在生產此類大直徑奧氏體不銹鋼鋼管時，一般都采用鉬基合金或純鉬、H13頂頭，這類材料在高溫下具有很高的強度，頂頭壽命較高；但缺點也很明顯，比如價格昂貴、易裂，使用前必須進行預熱等。格洛斯公司并不具備預熱頂頭的生產條件，因此確定采用“普通頂頭+潤滑劑”的方式，并在生產中加強頂頭內水冷和增加頂頭檢查次數的方案。此方案在生產中被證實是可行的。

2.3 熱處理

為了得到單相奧氏體組織，保證鋼管的最大抗腐蝕能力和恢復最大的韌性，必須對奧氏體不銹鋼進行固溶處理。固溶處理的溫度不宜過高或過低，且熱處理次數不應超過兩次。固溶溫度過低，碳化物不能充分溶于固溶體中；而溫度過高和重復熱處理會使晶粒長大，致使鋼管的韌性降低，增加鋼的晶間腐蝕傾向［4］。ASME SA 312/SA 312M規定的熱軋TP304、TP316的固溶處理溫度不低于1 040℃，TP321、TP347的不低于1 050℃，根據公司熱處理設備能力，固溶處理溫度定為1 050~1 080℃。

TP304、TP316的C含量一般低于0.03%，足以減少晶間碳化物的析出，使之達到安全限度，一般不進行穩定化處理。可是TP321、TP347在固溶處理后一般需進行穩定化處理，這是因為TP321不銹鋼穩定化處理能使大部分碳化鉻溶解，而溶解的C與Ti生成比碳化鉻更穩定的TiC，使碳化鉻不再在晶界析出，從而其抗腐蝕能力達到最大值。TP347是Nb穩定化奧氏體鋼，添加Nb后形成了NbC，消耗了鋼中的C，致使（CrFe）23C6減少。在固溶處理時碳化物應全部溶于奧氏體中，但由于TP347鋼中的Nb含量比Cr含量少，且Nb的原子半徑比Cr的大，擴散比較困難，所以仍有少量（CrFe）23C6在晶界析出，這樣容易導致晶間腐蝕。TP347固溶處理后進行穩定化處理，可提高鋼管抗晶間腐蝕的能力［1，5-7］。在實際生產過程中，TP321不銹鋼在固溶處理后進行穩定化熱處理，穩定化溫度選取870~900℃，每30 mm壁厚保溫2 h；TP347不銹鋼在固溶處理后進行穩定化熱處理，穩定化溫度選取890~920℃，每30 mm壁厚保溫2 h。

3 產品性能檢驗

先后進行了TP304、TP316、TP321和TP347不銹鋼鋼管型式試驗評定，鋼管規格為Ф762 mm×38 mm（TP304L）、Ф508 mm×48 mm（TP316L）、Ф813 mm×24 mm（TP321H）、Ф457 mm×48 mm（TP347）。取樣進行化學成分和力學性能分析，結果見表1~2；并分別按照相對應標準檢驗其表面質量、尺寸公差、無損探傷、晶間腐蝕、晶粒度等，均滿足標準要求，其中TP321H的晶粒度為5.0級，TP347的晶粒度為6.0級，金相組織如圖1所示。

表1 生產的不銹鋼無縫鋼管的化學成分（質量分數） %

表2 生產的不銹鋼無縫鋼管的力學性能①

圖1 生產的不銹鋼無縫鋼管的金相組織

4 結 論

錐形輥穿孔機和帶輾軋角的均整機軋制大直徑奧氏體不銹鋼鋼管，可采用“坯料準備→臺車爐加熱→軋制→在線水冷→固溶處理（固溶處理+穩定化處理）→矯直→無損探傷→酸洗、鈍化→檢驗→包裝”的工藝流程，產品可覆蓋TP304、TP304L、TP316、TP316L、TP321、TP321H、TP347、TP347H等鋼種，規格Ф426~813 mm×16~24 mm。5年多的生產實踐證明，產品性能完全滿足客戶要求。

［1］尹人潔，王婀娜，邊華川，等.大直徑厚壁TP347H不銹鋼鋼管的研制與開發［J］.鋼管，2009，38（6）：

［2］莊惟琦，盧斌.奧氏體不銹鋼加熱工藝研究與實踐［J］.寶鋼技術，2005（4）：40-43.

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