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螺纹管冷轧工艺的研究和发展

点击:1726 日期:[ 2014-04-26 21:39:42 ]
                        螺纹管冷轧工艺的研究和发展                                   李敏孝                     (兰州石油机械研究所,甘肃兰州 730050)     摘要:介绍了兰州石油机械研究所开发高效强化传热元件螺纹管冷轧技术中螺纹管轧机和轧滚刀的设计、冷轧工艺的研究、产品试制、各种新产品的开发和应用等情况。     关键词:螺纹管;技术特性;冷轧设备;冷轧工艺     中图分类号: TQ 051·501    文献标志码: B     文章编号: 1000-7466(2007)02-0059-04     整体滚轧的低翅片管,国内一般称作螺纹管。1964年,兰州石油机械研究所轧制成功螺纹管后国产换热器中开始采用螺纹管。1965年,兰州石油机械研究所研制的螺纹管换热器在兰州炼油厂应用取得成功,并将壳程介质改为原油,在国内首次突破了原油只能为管程介质的戒律。上世纪80年代,在南京炼油厂常减压装置中开始大面积推广应用螺纹管换热器,取得了良好效果。     作为一种强化传热元件,螺纹管可以代替光管组装成各种规格的管壳式换热器,与光管换热器相比有以下特点[1]:①可增大传热面积,强化管外传热,提高总的传热系数。②抗腐蚀性能好,螺纹管的抗硫腐蚀寿命较同样条件下的光管寿命比大于2.5∶1。③抗结垢性能好,螺纹管适用于有严重结垢的场合,可延缓积垢效应的影响,对于脆性垢有自动脱落效应,因此,较光管换热器有较长的操作周期,是理想的节能产品。1981年11月通过部级鉴定以来,螺纹管产品已实现了标准化和系列化。目前已不仅在石油化工领域,而且在冶金、医药、电力和原子能等部门也获得了广泛应用,经济效益和社会效益十分显著。     正因为如此,从上世纪60年代以来,兰州石油机械研究所投入了大量的人力、物力从事螺纹管轧制工艺的研究及轧机的开发,几十年来取得了多项实破性进展,推动了国产螺纹管轧制工艺水平的不断提高,文中介绍其研发过程。     1 冷轧设备     1.1 ZG型轧机[1]     1964年,经过对各种螺纹管轧机方案进行比较后,设计制造了ZG型轧机(图1)。此机具有自动进刀和退刀、操作简单、3个轧滚刀可作径向移动等(上轧滚刀自动调节,2个下轧滚刀靠手柄手动调节)特点,因此,轧制范围较大,可轧制Φ19 mm~Φ150 mm的螺纹管。此外该机还具有生产效率高、设备紧凑以及拆装调整方便等优点。其缺点是,由于进刀和退刀是3个轧滚刀单独进行调整,其调整难度较大,所需时间较长。轧制过程中管子中心线和3个轧滚刀所组成的中心线的相对位置在进刀和退刀过程中是变化的,而轧机前后支架的中心线不变,于是管子前端将发生变形。                     1.2 LZJ1型轧机     为了提高螺纹管的质量,针对ZG型轧机的问题,对其滚轧装置进行了改进,设计制造了LZJ1型同步进刀的螺纹管轧机。LZJ1型轧机的传动原理和结构与ZG型轧机基本相同。滚轧装置见图2。其作用原理是,进刀和退刀是通过小电机由皮带带动皮带轮转动,经过壳体内的螺杆齿轮传动使3个轧滚刀同时作径向移动,实现自动进刀和退刀。由于3个轧滚刀的径向移动同步且移动的距离相等,故在轧制过程中,管子的中心与3个轧滚刀所组成的中心重合,且始终不变,因而管子中心位置不会偏离,保证了螺纹管的质量。因此LZJ1型轧机是目前自动化程度较高、辅助时间较短、结构紧凑且工艺先进的一种轧机。可以轧制直径16~60 mm的换热管。                    1.3 LZJ1A型小轧机     因LZJ1型轧机只能轧制直径大于16 mm的螺纹管,而直径不大于16 mm的小规格螺纹管的市场需要也相当大。为此,对LZJ1型轧机进行设计改造。改造后的轧机为LZJ1A型,1989年10月完成设计,1990年6月组装、调试成功,首批按时向用户提供了规格Φ16 mm×1.5 mm的1 510根质量合格的螺纹管(黄铜)。此后对Φ16 mm、Φ14 mm、Φ12 mm 3种规格的不同材质(碳钢、紫铜、铝和不锈钢等)分别进行了轧制性能试验,均达到了满意的效果,并开始批量生产。     LZJ1A型小轧机的传动原理和结构与LZJ1型轧机基本相同,其设计原理见图3。3个轧滚刀互成120°。管子通过3个成品字形的轧滚刀滚压冷轧成螺纹管。这种方法采用了自进原理,也就是轧辊轴对管中心线倾斜,斜角等于螺纹的螺旋线升角,管子靠轧滚的旋转及摩擦力的作用轴向移动。外部3组箭头是指轧滚刀同步可实现自动进刀和退刀,且移动的距离相等。3个轧滚刀内箭头是指3个滚刀可同步进入轧制状态。该机可轧制直径12~42 mm的各种材质换热管。     1.4 冷轧轧滚刀     螺纹管属冷轧成型,具有一定螺旋角的轧滚的旋转运动将产生轴向推力使管子前进。因此,在轧制过程中,轧滚刀和管子之间会产生很大的径向挤压力,受力相当大而且很复杂。此外,在轧制过程中,因为轧滚刀与管壁挤压摩擦而产生高温,使轧滚刀的工作条件更苛刻。所以,要求轧滚刀有足够的强度、硬度和很好的韧性。刀片材料一般采用Cr12MoV,要求热处理后的表面硬度为58HRC~62HRC。轧滚刀可分为整体和分片2种。                   1.4.1 整体轧滚刀     整体轧滚刀是在车床上经车削加工后再经螺纹磨床修整,或在螺纹磨床上直接磨成。这种轧滚刀加工简单,拆装方便,但在轧制时若有一个螺牙损坏便整个报废。     1.4.2 分片轧滚刀     分片轧滚刀见图4,其特点是刀片厚度就是螺纹管的螺距,在轧制过程中,如果某一刀片损坏便可拆下更换。根据刀片的损坏规律,要延长刀片的使用寿命,必须使每一刀片的负荷基本相同,要使每一刀片的负荷基本相同,则应使每一刀片滚轧管子金属的体积相等。因此,轧滚刀刀片除等齿顶宽、等角度外,还要求等挤压体积,故刀片外径采用等挤压体积法来设计,也就是说,每一刀片的直径增加值不相等,而是根据挤压体积相同来计算每一刀片的具体直径。                    分片轧滚刀中损坏更换的刀片可以重新加工成小于原规格的刀片使用。根据经验,一般可以修磨8次,每副轧滚刀平均可以轧制碳钢螺纹管500多根。     2 冷轧工艺研究     冷轧螺纹管的基本原理和工艺方法类似于冷轧丝杠,是一种先进的无切削压力加工过程。冷轧质量的好坏,除了要有先进的冷轧设备和耐用的轧滚刀外,还必须有先进的冷轧工艺。冷轧螺纹管的简要工艺流程如下。调整轧机角度—准备轧滚刀—矫正管子—选配冷却润滑液—轧制螺纹—锯定尺管—水压试验—检验—入库。     (1)调整轧机角度 每轧制一种规格的螺纹管,轧滚螺旋角必须调整。每个轧滚前后相差1/3螺距。调整前,用几根与产品同直径的废钢管,涂上粉笔,然后再调整轧滚刀的螺旋角,每个轧滚轴调偏同一角度,使无缝管自动进给,以便钢管每转一周在其表面上能滚压出一条完整的螺旋线压痕,如首尾相接不好,对位置稍有偏差的轧滚刀应进行再次调整,直到满意为止。     (2)矫正钢管 轧制前的钢管应使用矫直机对其矫直,也可用手工矫直。钢管矫直的效果越好,刀具寿命越长。1988年,我们轧制了约400 t进口管,由于钢管直线度非常好,一副新刀具曾创造过一次轧制1 000多根螺纹管的记录。     (3)选配冷却润滑液 当齿高大于1.1 mm时,冷却润滑液的选配尤其是不锈钢螺纹管冷却润滑液的选配应予重视。根据经验,能形成耐极压薄膜的氯化石蜡油是使用效果较好的冷却润滑液,它可在轧滚刀表面与管螺纹槽间形成0.01~0.03 mm厚的耐极压油膜,将两挤压表面隔离,减少摩擦和磨损。其抗挤压性能和冷却润滑性能均较好,可降低变形阻力,提高螺纹表面质量。     (4)不锈钢螺纹管的冷轧 到目前为止,不锈钢螺纹管冷轧仍然是国内外螺纹管冷轧工艺的一大难题。主要问题是对螺距较小的不锈钢螺纹管,其螺纹高度不能大于1.1 mm。当齿高大于1.1 mm时,轧滚刀损坏相当严重,虽然采用较好的冷却润滑液但仍然成本高,费用大。对螺距较大的螺纹管,因为轧滚刀刚性大、强度高,齿高可以加大一些。     (5)水压试验 螺纹管的试压方法有2种,一种是多管试压台架试压,一种是单管试压夹具试压,各有利弊。无缝钢管的水压试验压力一般取设计压力的2倍,为了减少用户的麻烦,我们通常按6 MPa试压,也曾对1 200根Φ25 mm×2.5 mm的螺纹管进行了试验压力为19 MPa的水压试验。对不够满意的管子,必须逐根进行水压试验。在试验压力下,应使保压时间不少于5 min,保压期间管子不得出现渗漏现象。     3·新产品开发     1986年7月,中国石油化工总公司在全国传热研究及换热设备专题调研报告中确认,由兰州石油机械研究所研究开发的螺纹管强化传热元件已达到世界先进水平。1988年,中国石油化工总公司在洛阳召开的节能技术会议得出结论,在开发成功的众多高效传热元件中,螺纹管是唯一能在工业装置中大面积推广应用,并取得巨大经济效益的传热管。40多年来,兰州石油机械研究所为国内几十家炼油厂、化工厂提供了数百台换热器使用的螺纹管。在1985~1995年,兰州石油机械研究所生产的螺纹管一直供不应求,最多时年产量接近500 t,多年来创造产值约在数亿元以上。     3.1 不同规格及新型螺纹管的开发     1984年以前,兰州石油机械研究所在国内首先开发成功Φ19 mm×2 mm和Φ25 mm×2.5 mm螺纹管,随后Φ22 mm、Φ30 mm、Φ32 mm、Φ38 mm等规格的通用螺纹管相继开发成功,并大批量向用户供货。1990年6月,Φ12 mm、Φ14 mm、Φ16 mm等小规格不同材质的螺纹管开发成功,也批量向用户供货。兰州石油机械研究所先后试验并大批量生产的通用螺纹管主要技术参数与无缝管材质见表1,产品照片见图5。                     通过大量的试验研究工作,在螺纹管的材质和螺纹形状的开发等方面有了长足的进展,材质由碳钢扩展到铜、铝、铜金金、铝合金以及不锈钢,开发了碳钢T形翅片管、槽纹管、螺旋槽纹管和三头螺纹管等。1989年,进行了双金属高翅片管轧制试验,双金属高翅片管的内管采用Φ24 mm×2 mm的黄铜管,外管采用Φ30 mm×3 mm的铝管,在套装前表面要清理并除油,两管利用滑配的小间隙套装,轧制压力可使内外两管紧密贴合,达到过盈配合,螺距1.25 mm,轧制后齿高3 mm。铝管坯应退火降低硬度,否则影响翅片的高度。     轧制三头螺纹时发现,在轧机转速不变情况下,轧管速度可提高2倍。我们为用户轧制了Φ25 mm×2.5 mm螺旋槽纹管,单头螺纹,螺距8 mm,外齿形圆弧半径1.6 mm,槽高1 mm,内圆弧波纹高0.4 mm左右,试轧成功后批量向用户供货。     3.2 T形翅片管的开发和应用     我所在1985年成功地研制了钢制T形翅片管,并以钢制T形翅片管为强化传热元件进行了单管传热及设备冷热模拟传热试验。于1992年初以T形管为核心研制出了我国第一台高效重沸器,同年6月用于兰州炼油厂的MGG装置,成功地替代了原装置上的重沸器,其技术经济性能指标均达到或超过原工艺性能要求,解决了低温强化沸腾传热的技术难点。本设备在沸腾传热技术上填补了国内空白,达到了国际先进水平。     3.3 外螺纹内波纹管的开发和应用     1990年8月,应用户要求,首次开发成功梯形外螺纹内波纹管(图6)和矩形外螺纹内波纹管。管子规格均为Φ25 mm×2.5 mm×6 000 mm,材质均为10钢,梯形外螺纹内波纹管的螺距3.5 mm,齿高1.3 mm。内圆弧波纹高0.5 mm左右;而矩形外螺纹内波纹管的螺距3.75 mm,齿高1.4 mm,内圆弧波纹高0.5 mm左右。为此,专门设计了轧滚刀,特配了冷却润滑液,虽轧制难度较大,但仍然按时向用户提供了合格产品。应该指出,矩形外螺纹内波纹管比梯形外螺纹内波纹管的轧制难度更大,其受力状态远不如梯形。1996年12月,Φ19 mm×2 mm的U型换热器用梯形外螺纹内波纹管轧制成功,材质为10,螺距3.5 mm,齿高1.2 mm,内圆弧波纹高0.4 mm左右,并批量向用户供货。                      以上2种型式螺纹管的外表面分别为梯形或矩形螺纹,内表面均呈圆弧波纹形状,内外表面的螺距和螺旋角一致。由于热胀冷缩的手风琴式作用,可以有效防止污垢生成,以达到防垢自洁的目的。不仅提高了管外传热系数,强化了管外传热过程,而且因管内有较深的圆弧形状波纹,也强化了管内传热过程,实现了管内外同时强化传热,使总传热系数显著提高。     4 结语     螺纹管节能效果显著,已得到广泛应用,前景广阔。经过多年的努力,兰州石油机械研究所已形成了从螺纹管工艺计算、选型优化、规格到标准制订的较完善的一套应用体系。但在螺纹管的开发和应用中还存在一些问题,有待深入研究解决,这些问题是:①对于直径小于12 mm和直径大于40 mm的更小规格和更大规格的螺纹管,尚有待开发研究。②在不锈钢螺纹管的批量生产中,要进一步改进轧制工艺,降低生产成本。③要寻找一种强度高、硬度高、韧性又好的滚轧刀材料,提高刀具寿命,减少刀具损耗。     参考文献:     [1] 王兴一.螺纹管换热器在炼油厂中的应用[J].化工炼油机械,1984,13 (1):9-13.     [2] 兰州石油机械研究所换热器课题组.LZJ1型螺纹管轧机的设计[J].化工炼油机械,1982, 11(4):28-31.(杜编)
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