【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ....................................... 77 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 7 頁(yè) 共 79 頁(yè) 1 引言 隨著社會(huì)的發(fā)展和不斷進(jìn)步，鋼管的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在某些高科技術(shù)上對(duì)鋼管的性能要求也越來(lái)越高，如高壓鍋爐等方面，對(duì)鋼管的要求極為苛刻。而我國(guó)鋼管產(chǎn)量雖然已經(jīng)上去，但是在高技術(shù) 鋼管生產(chǎn)中與一些國(guó)家有一定差距。因此對(duì)高技術(shù)含量鋼管的研究已經(jīng)迫在眉睫。 本設(shè)計(jì)是在寶鋼 Ф140mm連軋機(jī)組的裝備條件下設(shè)計(jì)一個(gè)高壓鍋爐管產(chǎn)品，產(chǎn)品的規(guī)格是 Ф54179。 ，材料是 T91。設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件論證，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，軋制表編制及設(shè)備的強(qiáng)度和電機(jī)能力校核。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 8 頁(yè) 共 79 頁(yè) 2 總論 我國(guó)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)現(xiàn)狀及與國(guó)外的差距 無(wú)縫鋼管被廣泛應(yīng)用于石油、電站、地質(zhì)、化工、機(jī)械、建筑、煤炭、船舶、核能、宇航等各個(gè)方面。 目前 我國(guó) 已投產(chǎn)及 2020 年前投產(chǎn)的 無(wú)縫鋼管 機(jī)組，共57 套，到 2020 年 機(jī)組的年總生產(chǎn)能力約 萬(wàn) t。 其中連軋管機(jī)組占生產(chǎn)能力的 50%左右，三輥軋管機(jī)組占 %，新狄塞爾軋管機(jī)組站 13%左右，為我國(guó)三大主力機(jī)組，連軋管機(jī)組遙遙領(lǐng)先。 從軋機(jī)的結(jié)構(gòu)看比較先進(jìn)的有：天津大無(wú)縫的 Ф250mm 限動(dòng)芯棒連軋機(jī)組 、 Ф168mmPQF 及 Ф460mmPQF； 寶鋼 Ф140mm全 浮動(dòng)芯棒連軋機(jī)組 ； 衡陽(yáng)鋼管廠的 Ф89mmMINIMPM 機(jī)組 及 Ф340mm 限動(dòng)芯棒機(jī)組； 包鋼 Ф180mmMINIMPM 機(jī)組、 鞍鋼 Ф140mmMINIMPM 機(jī)組以及無(wú)錫錫鋼的 Ф114mm機(jī)組、齊 鋼的 Ф114mm機(jī)組、成都無(wú)縫的 Ф340mm 限動(dòng)芯棒 機(jī)組等。但我國(guó)生產(chǎn)的無(wú)縫鋼管無(wú)論是品種還是規(guī)格，結(jié)構(gòu)性缺陷明顯，長(zhǎng)線產(chǎn)品供大于求，短線產(chǎn)品還得進(jìn)口。 進(jìn)口管主要是油井管和高壓鍋爐管以及特大特厚管。 2020 年 1~6 月，進(jìn)口油井管占進(jìn)口無(wú)縫管量的 53%，高壓鍋爐管占 35%。 隨著我國(guó)石油工業(yè)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移，在我國(guó)西部的油井開(kāi)采的難度增加，主要表現(xiàn)在井深增加，井壓加大，對(duì)油井管提出了更高的要求，高抗擠壓性、高抗腐蝕性和高的連接強(qiáng)度等。 特殊扣油套管、抗腐蝕油套管、新型油套管是薄弱環(huán)節(jié)。最近，國(guó)家決定在 4 個(gè)方面對(duì)鋼鐵行 業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)投資，其中之一就包括了石油用管和高壓鍋爐管。 衡 鋼目前還不能成系列生產(chǎn)油井管，如鋼級(jí)在 P110 以上的、特殊扣的、非 API 標(biāo)準(zhǔn)的油井管。另外，我國(guó)的電站使用的高壓鍋爐管大都是T9 T9 TP304H 等鋼種目前國(guó)內(nèi)還不能大量生產(chǎn)，其中 Φ159mm 以上 95%要靠進(jìn)口。 機(jī)械加工與能源開(kāi)發(fā)專用管規(guī)格在 Φ219~Φ350mmD/S≤ 16 的中口徑的中厚壁鋼管是缺檔產(chǎn)品，大部分也需要進(jìn)口。 鋼管的實(shí)物質(zhì)量如表面缺陷、尺寸精度、鋼質(zhì)純凈度、組織性能均勻性、穩(wěn)定性等與國(guó)外先進(jìn)水平相比也存在差距。 我國(guó)已加入 WTO，全 球范圍內(nèi)的鋼管市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力越來(lái)越大，無(wú)縫鋼管市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。鋼管用戶對(duì)熱軋鋼管的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，鋼管的表面質(zhì)量及精度、鋼級(jí)實(shí)際上已成為影響競(jìng)爭(zhēng)力的重要指標(biāo)。高附加值的鋼材品種，包括油井安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 9 頁(yè) 共 79 頁(yè) 管、大口徑高壓鍋爐管，將受到較大的沖擊。因此，鋼管的高精度軋制已成為各鋼管公司提高鋼管質(zhì)量，拓展產(chǎn)品規(guī)格，滿足用戶需求和立足市場(chǎng)的必要條件。 我國(guó)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)存在的問(wèn)題主要是全行業(yè)發(fā)展不平衡。一直以來(lái)外供鋼坯企業(yè)，在鋼管產(chǎn)量猛增的形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)坯料來(lái)源大有緩解，但價(jià)格仍在高位運(yùn)行，造成成本增加，給企業(yè)效益增長(zhǎng)帶來(lái)了難度。小 規(guī)格無(wú)縫管因其投資少、見(jiàn)效快，一大批民營(yíng)企業(yè)像雨后春筍般建設(shè)起來(lái)，他們靠成本低廉、政策靈活之優(yōu)勢(shì)與老國(guó)企爭(zhēng)奪國(guó)內(nèi)無(wú)縫管市場(chǎng)，競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)尚需進(jìn)一步改善，以提高在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，我國(guó)熱軋無(wú)縫鋼管（坯 材）成材率 85%，視其技術(shù)裝備水平不同波動(dòng)較大，技術(shù)先進(jìn)軋機(jī)一般為 90%92%，技術(shù)落后軋機(jī)僅為 80%左右；熱軋無(wú)縫管噸管電耗先進(jìn)軋機(jī)為 100150KWh/t，落后軋機(jī)為300KWh/t以上；軋機(jī)作業(yè)率先進(jìn)軋機(jī)為 75%以上，落后軋機(jī)為 70%以下。國(guó)民經(jīng)濟(jì)中需求的特殊用途、高附加值、 高技術(shù)含量鋼管，短期內(nèi)還無(wú)法完全滿足需求，尚依賴進(jìn)口。如特殊扣套管，還有高鋼級(jí)高壓鍋爐管、油井鉆桿等仍需部分進(jìn)口。無(wú)縫鋼管同焊管在市場(chǎng)上存在著越來(lái)越激烈的競(jìng)爭(zhēng)。過(guò)去人們普遍認(rèn)為焊接鋼管在質(zhì)量上、安全性上不如無(wú)縫鋼管，加上其材質(zhì)一般為普鋼 Q235，生產(chǎn)工藝又較簡(jiǎn)單，因此成本遠(yuǎn)低于無(wú)縫鋼管。因其用途僅限于一般民用建筑和低壓流體輸送管道，所以盡管其價(jià)格遠(yuǎn)低于無(wú)縫鋼管，也無(wú)法同無(wú)縫鋼管爭(zhēng)奪市場(chǎng)。但進(jìn)入21世紀(jì)后，先進(jìn)的焊管金屬裝備在我國(guó)陸續(xù)出現(xiàn)，由于焊接工藝技術(shù)的提高，焊縫質(zhì)量發(fā)生了質(zhì)的改善，一些中小規(guī)格焊管，因其 質(zhì)量接近或達(dá)到無(wú)縫管水平，正向原屬無(wú)縫鋼管應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)軍，例如低中壓鍋爐用管、 J55級(jí)石油套管以及 X70級(jí)以下的油、氣管線管等。 在過(guò)去幾年中，由于各國(guó)無(wú)縫管生產(chǎn)能力提高，因而鋼管市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，并導(dǎo)致全世界的無(wú)縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)歷了劇烈的重組和兼并，世界鋼管市場(chǎng)的份額被重新劃分。阿根廷得興集團(tuán) (Techint)控制的阿根廷西得爾卡 (Siderca) 于 1993年收購(gòu)了墨西哥的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手湯姆薩 (Tamsa)， 1996年又收購(gòu)了意大利競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手達(dá)爾明 (Dalmine)。從而， 3家兼并形成了世界上最大的無(wú)縫鋼管制造集團(tuán) — —— DST 集團(tuán)，該集團(tuán) 1998 年度的無(wú)縫管產(chǎn)量為 211萬(wàn) t。 1997年德國(guó)曼內(nèi)斯曼集團(tuán)與其法國(guó)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手瓦魯來(lái)克合并了其所屬的無(wú)縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)，形成年產(chǎn)無(wú)縫管能力190萬(wàn) t的 “ JV” 集團(tuán)，成為國(guó)際無(wú)縫鋼管生產(chǎn)行業(yè)的第 2大廠家。日本住友金屬安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 10 頁(yè) 共 79 頁(yè) 工業(yè)公司 (Sumitomo Metals)同日本的新日鐵、日本鋼管和川畸形成聯(lián)盟，目前該集團(tuán)在無(wú)縫鋼管生產(chǎn)行業(yè)排名第 3，市場(chǎng)份額 25%。世界范圍內(nèi)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)合作、重組、兼并的趨勢(shì)，至今仍未降溫，統(tǒng)一價(jià)格、聯(lián)合銷售成為企業(yè)尋求自身發(fā)展的一條途徑。對(duì)此，應(yīng)給予高度重視。 “ 十五 ” 期間，中國(guó)鋼管產(chǎn)量由 萬(wàn) t／ A 上升到 萬(wàn) t／ A， 5年間上升 萬(wàn) t，年均增產(chǎn)鋼管 萬(wàn) t。由于新增能力還在不斷產(chǎn)生，從 “ 十五 ” 初期的生產(chǎn)能力不足已轉(zhuǎn)為生產(chǎn)能力過(guò)剩。 5 年來(lái)，鋼管產(chǎn)量平均以%，表觀消費(fèi)量平均以 %的幅度高速增長(zhǎng)。鋼管自給率以 2020 年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)， 2020 年以后逐漸呈供大于求的局面，即自給率大于百分之百。中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)指出：管材在鋼材表觀消費(fèi)總量中的比例 2020 年為 %， 2020 年為%，變化不大。其中，無(wú)縫鋼管由 2020 年的凈進(jìn)口 3 萬(wàn) T 轉(zhuǎn)為 2020 年凈出口 萬(wàn) T；焊接鋼管由 2020 年的凈進(jìn)口 3 萬(wàn) T 轉(zhuǎn)為 2020 年凈出口 萬(wàn) T。管材在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的國(guó)產(chǎn)化率已達(dá) %。 “十五”期間中國(guó)鋼管的發(fā)展情況表明：中國(guó)鋼管市場(chǎng)已進(jìn)入供大于求的新階段 。 無(wú)縫鋼管生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì) （ 1） 鋼管規(guī)格向大直徑方向發(fā)展 為提高我國(guó)石化產(chǎn)品的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，生產(chǎn)裝置的大型化和現(xiàn)代化是石化工業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)和重要特征之一，與這一趨勢(shì)相適應(yīng)的鋼管規(guī)格也趨于大型化，如近幾年所需的鋼管規(guī)格逐步由 Φ159mm、 Φ168mm過(guò)渡到 Φ219mm和Φ273mm，同時(shí)各種相應(yīng)的工藝管線也由 Φ219mm和 Φ273mm向 Φ325mm甚至更大直徑發(fā)展。 （ 2） 鋼管幾何尺寸向高精度方向發(fā)展 鋼管幾何尺寸的精確度直接關(guān)系到壓力管線焊接質(zhì)量的高低，關(guān)系到鋼管的使用壽命。目前國(guó)外的熱交換設(shè)備使用周期長(zhǎng)于國(guó)產(chǎn)設(shè)備，其主要原因就是鋼管精度普遍較高。因此，進(jìn)一步提高國(guó)產(chǎn)鋼管的幾何尺寸精度也是十分重要的。 （ 3） 鋼管性能向耐低溫、耐腐蝕方向發(fā)展 我國(guó)目前已成為原油進(jìn)口大國(guó)，年進(jìn)口原油達(dá) 8000萬(wàn) t 以上，且原油來(lái)源廣泛， 其成分復(fù)雜，含水、硫化物嚴(yán)重，因此，要求所使用 鋼管的抗蝕性能越來(lái)越高 ； 由于乙烯深冷分離工藝的不斷完善，其低溫溫度由 101℃ 發(fā)展到 170℃ ，安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 11 頁(yè) 共 79 頁(yè) 由此對(duì)鋼管的耐低溫性能提出了更加嚴(yán)格的要求。由于對(duì)油品質(zhì)量要求的提高，需要建設(shè)的制氫、重整、加氫精制、加氫改制和加氫裂化等臨氫裝置增多，所以，解決鋼管耐氫腐蝕問(wèn)題尤為重要。由于上述的這些特殊性能要求，促使石化工業(yè)用管向大直徑、高精度和高純凈度鋼質(zhì)方向發(fā)展。尤其要最大限度地減小鋼中有害元素及雜質(zhì)對(duì)鋼管強(qiáng)度、韌性和耐蝕性的影響。焊接鋼管與無(wú)縫鋼管協(xié)調(diào)發(fā)展世界上焊接鋼管與無(wú)縫鋼管均以各自的優(yōu)勢(shì)占據(jù)著各自的市場(chǎng)份額。兩者 在共同的適用范圍內(nèi)相互競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)在品種上又相互補(bǔ)充。競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)了鋼管質(zhì)量的提高和成本的降低。目前無(wú)縫鋼管和焊接鋼管的新工藝、新技術(shù)的發(fā)展增強(qiáng)了各自的生命力，在很多領(lǐng)域無(wú)縫鋼管不能被焊接鋼管或其他管材所取代 ； 同樣焊接鋼管也不能被無(wú)縫鋼管或其他管材所取代。在我國(guó)兩者應(yīng)該是協(xié)調(diào)發(fā)展，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。隨著天然氣管線和城市管網(wǎng)的大規(guī)模敷設(shè)，根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)劃部門的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，大中口徑的焊接鋼管需求量將大幅度增加。至 2020年各類管線，包括天然氣管線 ( 含城市管網(wǎng) ) 、原油及成品油輸送管線、水煤漿及其他部分管線的管材總需求量 約為 3 100萬(wàn) t， 其中大口徑直縫焊管約占 %。隨著石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，對(duì)油井管和管線管品質(zhì)要求越來(lái)越高。焊管技術(shù)的飛躍發(fā)展已為生產(chǎn)高要求焊接鋼管打下基礎(chǔ) ， 目前已可生產(chǎn)出壁厚精度、外形尺寸精度更高的薄壁焊接鋼管?？傊?， “ 十一五 ” 期間，我們必須充分重視焊接鋼管的發(fā)展，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)與研究大中口徑的專用直縫焊接鋼管品種，加大淘汰落后工藝裝備的力度。 T91 鋼的介紹 T91 鋼種是美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ ORNL）和燃燒工程公司共同研究開(kāi)發(fā)的綜合性能優(yōu)良的動(dòng)力工程鍋爐用 鐵素體耐熱鋼 ，主要應(yīng)用于主蒸汽管道 再熱蒸汽管道熱端及其它高溫承壓設(shè)備 它是在 9Cr1Mo的基礎(chǔ)上通過(guò)添加 V Nb(鈮主要用于合金中如不銹鋼中 ,少量的鈮可防止晶間腐蝕 ) N 等元素進(jìn)行微合金化，從而在晶界及晶內(nèi)生成了大量形狀復(fù)雜的 Nb(C,N) V(C,N), 它在高溫塑性變形過(guò)程中比簡(jiǎn)單的球形析出物更能有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 另外 ,翼狀析出物增大了捕獲位錯(cuò)的幾率 , 因而較大地提高了持久強(qiáng)度和抗蠕變性能 [1]，同時(shí)保持了原 9Cr1Mo (鉻 ,質(zhì)硬且脆 ,抗腐蝕 ,只以化合狀態(tài)存在 。 鉬， 不銹鋼中加入鉬，能改善鋼的耐腐蝕性。在鑄鐵中加入鉬 ，能提高鐵的強(qiáng)度和耐磨性能 )鋼的優(yōu)良的抗高溫腐蝕性能 [2]與奧氏體鋼相比，它具有 比奧氏體不銹鋼更低的熱膨脹系數(shù)和安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 12 頁(yè) 共 79 頁(yè) 較高的導(dǎo)熱系數(shù)。 目前國(guó)內(nèi)鍋爐制造企業(yè)所需 T91 鋼管主要由國(guó)外供貨，但是供貨期長(zhǎng)，且價(jià)格昂貴，嚴(yán)重制約了我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展，影響了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度 因此，迫切需要 T91鋼管的國(guó)產(chǎn)化 目前國(guó)內(nèi)只有內(nèi)蒙古北方重工等少數(shù)廠家通過(guò)鍛造鏜孔的方法制造出了符合標(biāo)準(zhǔn)的 T91，但該方法生產(chǎn)效率不高，成才率低，資源浪費(fèi)較嚴(yán)重，而通過(guò)穿孔熱軋方法生產(chǎn)中口徑 T91鋼管在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有廠家能夠生產(chǎn) 我公司經(jīng)過(guò)前期的 精心準(zhǔn)備，從煉鋼到軋管到熱處理，一次成功，已評(píng)定的各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求 表 21 T91 鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 成分 C Si Mn S P Cr 含量 ~ ~ ~ ≤ ≤ ~ 成分 Mo V Nb N Ni Al 含量 ~ ~ ~ ~ ≤ ≤ T91 鋼在 1983 年列入 ASME 和 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)前后幾年，各國(guó)基本上處在試用階段。 起初用在老電站過(guò)熱器維修更換鋼管，后來(lái)逐步在新建電廠中試用，到80 年代末 90 年代初開(kāi)始得到廣泛采用。世界上幾個(gè)主要的鋼管商：德國(guó)曼內(nèi)斯曼、日本住友、法國(guó)瓦魯?？?、美國(guó)萬(wàn)門格登公司生產(chǎn)的 T91 鋼管，已在 20 個(gè)國(guó)家和地區(qū)數(shù)十座電站的上百臺(tái)機(jī)組的鍋爐過(guò)熱器、再熱器上采用。到目前為止，電廠中最早試用的 T91 鋼管已運(yùn)行 20 多年，可以說(shuō)是一種較成熟可靠的鋼種 [23]。 由于 T91 鋼的優(yōu)異性能，特別在高溫下有較高的蠕變和持久強(qiáng)度及許用應(yīng)力，因而可以減小管子壁厚，降低成本。 我國(guó) 200MW 和 300MW 的老機(jī)組鍋爐大部分使用 的是 T2 12Cr1MoV 和鋼 102 等鋼材，由于超高溫而造成的爆管現(xiàn)象較普遍，一些電廠在鍋爐改造中換成 TP347H和 TP304H不銹鋼管，不僅成本高 (TP347H的價(jià)格是 T91 鋼管的 2 倍 )，而且這類未穩(wěn)定化的奧氏體鋼容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕而發(fā)生爆管。從性能和經(jīng)濟(jì)性方面考慮， T91 鋼是較理想的鍋爐替代材料。 由于 T91 鋼有優(yōu)良的特性，但是 T91 鋼管生產(chǎn)難度較高，一