摘要：通过对钢管加厚过程中二次成型与一次成型各自所需顶锻力的计算，证实了在现有工艺条件下实现一次加厚成型的可能性。在调整冷却喷嘴、开发加厚专用的水基润滑剂、改进顶锻工模具设计和工艺参数后，顺利实现了钢管的一次加热一次加厚成型，使生产成本降低了50％，产量提高了约2倍。

关键词：钢管生产；管端加厚；成型工艺；顶锻力

1  前言   

    钢管加厚是将钢管端部局部加热后，通过挤压使其长度缩短、壁厚增加的工艺，其目的是提高钢管连接处的强度，一般用作石油油管口。钻杆管Ⅲ和地质管等。根据钢管加厚端内外径的变化情况，加厚钢管可分为：外加厚、内加厚、内外加厚3种，其中最为常见的是外加厚和内外加厚2种。外加厚钢管的加厚端外径大于管体外径，内径基本不变；内外加厚钢管的加厚端内径小于管体内径，外径大于管体外径。

    加厚机一般有机械式和液压式2种，目前国内钢管厂家大多采用液压式加厚机，如宝钢钢管公司、湖南衡阳钢管(集团)有限公司、无锡西姆莱斯钢管公司等。其加厚生产工艺流程为：光管检验→定位→步进梁平移送管→感应加热炉管端加热→管端加厚→加厚端检查→中间库→加厚端修磨→检验→入库。按变形量不同，钢管加厚一般采用二次加热二次加厚或三次加热三次加厚方式。为降低生产成本，提高产量，湖南衡阳钢管(集团)有限公司进行了一次加热一次加厚成型工艺的开发。

2  加厚变形分析

2．1顶锻力的工程计算

    通过对加厚工艺的应力一应变近似求解，可以得出：

    (1)单位顶锻力P与摩擦系数户和材料的高温变形抗力τ_T，成正比：

      P  =  K·μτ_T       (1)

  (2)实际加厚过程中，摩擦系数基本不变，故顶锻力(镦粗力)F可表示为：

      F  =  K · τ_T · S      (2)

  式中，K为系数，与液压顶锻油缸面积和冲头的顶锻面积之比有关，同时与摩擦状态和工模具设计及生产时的中心线重合情况等有关，K值的理论计算很复杂，故根据经验确定为1．1～2．0；S为顶锻面积。

2．2变形抗力分析

    金属高温变形抗力是影响金属热加工过程的重要因素，在计算各种压力加工的力和功、建立轧制力数学模型、制定工艺参数、设计和校核压力加工设备和工具等方面都是必不可少的参数之一。钢的高温变形抗力r，随温度变化的关系可用阿伦尼乌斯(Arrhenius)关系表示：

    τ_T   =  τ₀exp (A／T_k)                      (3)

式中，A为常数，随钢种不同而不同，含铌、钒、钛的微合金钢的A值稍高于含锰钢；T。为变形温度。

    钢的变形抗力与其化学成分有关，而且若钢的原始y晶粒尺寸越小，屈服强度越大，其抵抗变形能力亦越大；变形温度越高，变形抗力越小；应变速率越大，变形抗力也越大。从有关资料可查出，一般碳钢和低合金钢在700～1300℃之间，以2～100 s^-1的变形速率进行变形时，其变形抗力为80～350MPa。

2．3  加厚过程的顶锻力估算

    以Φ73mm×5．51mm加厚油管和中Φ73mm×9．19mm加厚钻杆管为例，根据式(2)估算加厚工艺中的顶锻力。

2．3．1Φ73mm×5．51mm加厚油管

    钢管二次加厚成型的每道次变形量(变形前后的截面积之比)分别为1．32左右，一次加厚成型的变形量为1．70。加厚过程的时间很短，约为O．5s。所以，一次成型和二次成型的应变速率相差不大，应变速率对变形抗力的影响较小。

    二次加厚生产时，锻造开始温度从最高的1150℃逐渐降低，终锻时温度为800℃，此时其变形抗力τ_T最大，故估算时取τ_T=270MPa。同时，根据润滑情况取K=l.5。第1道次的顶锻面积S₁=1493．5×10^-6m²。第2道次的顶锻面积S₂=2007×10^-6m²。由式(2)可得：第1道次所需顶锻力F₁ =605 kN，第2道次所需顶锻力F₂=812kN。

    一次加厚生产时，由于变形量增加，终轧温度为850℃，其变形抗力τ_T，较大，故取τ_T =300MPa。由于改善了润滑条件，摩擦系数减小，故取K=1．45。顶锻面积S=2007×10^－6m²。由式(2)可得，一次加热一次成型所需顶锻力F=870kN。

2．3．2Φ73mm×9．19mm加厚钻杆管

    二次成型时，每道次变形量约为1．5，而采用一次成型时的变形量为2．2。由于钻杆采用26CrMoNiTiB钢，变形抗力大于油管，壁厚较油管厚，所以终锻温度比油管稍高。采用二次成型工艺时，终锻温度为850℃，计算时取τ_T  = 280MPa，K=1．5，第1道次的顶锻面积S₁=2654×10^-6m²。，第2道次的顶锻面积S₂=4104×10^-6m²。由式(2)可得：第1道次所需顶锻力F₁=1114 kN，第2道次所需顶锻力F₂=1723 kN。

    采用一次成型工艺时，终锻温度为920℃，取τ_T=340MPa，K=1．45，顶锻面积S=4104×10^-6m²，则有F=2023 kN。

2．3．3加厚机的能力

    加厚机设计的比例泵最大液压压力为25MPa，最大顶锻力为2800kN，最大夹紧力为5600kN，即使考虑到液压损耗和顶锻摩擦，实际生产中可达到的最大顶锻力应不小于2500kN。而从上述初步估算可以看出：生产西73mm加厚油管和钻杆管的最大顶锻力均小于2400kN，加厚机的实际能力大于Φ73mm加厚油管和钻杆管生产所需的顶锻力，所以二次加厚成型改为一次加厚成型在理论上是可行的。

3一次加厚成型工艺的实施

    为了顺利实现钢管加厚的一次成型，尽可能降低顶锻力，改善金属流动性，采取了如下措施：

    (1)为降低钢的变形抗力，将管端加热温度由原1200。C提高至1250℃，尤其要提高过渡带的温度；并要保证中频加热的均匀性，使中频加热炉的加热温差由80～150℃降低到50℃左右，以提高变形的均匀性。

    (2)为使加厚内外模具得到良好的润滑，通过与石墨润滑剂生产厂家进行合作，开发了加厚专用润滑剂，这种水基润滑剂具有2个优点：一是摩擦系数小，冲头和钢管内表面之间的摩擦系数f_850℃ = 0．05，f_1100℃ = 0．09。二是润滑剂喷涂在冲头上有良好的粘性。

    (3)改进模具的冷却系统。通过调整加厚模具与冲头的冷却喷嘴，使模具冷却均匀，并维持一定的温度，从而使润滑剂能较好地附着在模具上，同时能保证模具与工件的摩擦力一致，从而使金属流动均匀，变形充分。

    (4)改进冲头的锥度设计，使其摩擦系数更小，便于金属流动，从而保证加厚端的内表面得以充满。

    (5)适当加快顶锻速度,,加大顶锻液压流量，使顶锻能在较短时间内完成，以减少温降，降低终锻时的变形抗力。

    最后，根据加厚工艺参数的确定公式计算出一次加厚成型的工艺参数，见表1，生产中应照此严格执行。

4  加厚油管的性能指标

    采用一次加热一次加厚成型技术生产的加厚油管经热处理后的理化性能满足API SPEC5CT和API SPEC 5D要求，与二次加热二次加厚成型工艺无区别。加厚端几何尺寸和通径检验均符合API SPEC 5CT要求，见表2。

    生产表明，一次加热一次加厚成型生产的加厚油管外表面质量优于二次加热二次加厚成型工艺生产的加厚油管，由于只经1次加热，其油管表面比2次加热光滑，其外表面只有2条耳子，而二次成型则有4条耳子。但是，一次加热一次加厚成型生产的加厚油管，内表面未充满程度比二次加热二次加厚成型的要严重，约有1％未充满，但仍符合标准要求，经修磨后不影响使用。

5  结论

    在不对原有加厚设备进行大的改造前提下，通过调整冷却喷嘴、开发加厚专用的水基润滑剂、改进顶锻工模具设计和工艺参数，实现了钢管的一次加热一次加厚成型，与二次成型相比，一次加厚成型的吨管生产成本降低了50％。由于效率翻番，同时减少了换模时间，因而大大提高了产量，月产量可提高到原来的2倍。