王洪海，桑 偉，陳俊德，陳 冬

（德新鋼管（中國）有限公司，江蘇 無錫 214177）

大容積無縫氣瓶通常是指外徑為559 mm或以上且水容積超過150 L的無縫氣瓶，通常用來組裝成長管拖車以運(yùn)輸壓縮天然氣、氫氣和氦氣等高壓氣體。壓縮天然氣中殘留的硫化物在濕環(huán)境下對(duì)高壓氣瓶有應(yīng)力腐蝕作用［1］，高壓氫氣則有可能使高強(qiáng)鋼發(fā)生氫脆［2］，并且高壓氣瓶還要經(jīng)受疲勞載荷、沖擊載荷、極端環(huán)境溫度和充卸氣過程中溫差變化引起的應(yīng)力載荷作用［3］；因此，對(duì)大容積氣瓶用無縫鋼管的制造提出了很高要求。從2001年國內(nèi)第一支大容積無縫鋼瓶試制成功到2008年，國內(nèi)大容積氣瓶用無縫鋼管完全依賴進(jìn)口，國外制造廠商主要為意大利Dalmine工廠和美國聯(lián)合鋼鐵公司。2008年，天津鋼管三圓管材有限公司和攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司（簡稱攀成鋼）分別開發(fā)了大容積氣瓶用無縫鋼管［4-6］，逐步取代了進(jìn)口。

目前，國內(nèi)先后開發(fā)了連軋管+斜軋式熱擴(kuò)工藝（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司）、周期軋管+拉拔式熱擴(kuò)工藝（攀成鋼）、連軋管+推制式熱擴(kuò)+冷拔工藝、熱軋管+冷拔工藝（德新鋼管（中國）有限公司，簡稱德新鋼管）等大容積氣瓶用無縫鋼管制造工藝［7］；大容積氣瓶用無縫鋼管的直徑從559 mm發(fā)展到如今普遍使用的715 mm和850 mm，壁厚公差也由0～27.5%提高到0～15.0%，制造能力和產(chǎn)品質(zhì)量均處于世界領(lǐng)先地位；產(chǎn)量不僅能滿足國內(nèi)每年8萬t左右的需求，而且每年還向歐洲、美國等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)出口2萬t左右。總結(jié)國內(nèi)大容積氣瓶用無縫鋼管的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，從技術(shù)要求、制造工藝兩方面概述我國近十年大容積氣瓶用無縫鋼管的發(fā)展?fàn)顩r，指出今后大容積氣瓶用無縫鋼管的發(fā)展方向和趨勢(shì)。

1 大容積氣瓶用無縫鋼管的技術(shù)要求

1.1 材 質(zhì)

鋼質(zhì)氣瓶用無縫鋼管的材料發(fā)展經(jīng)歷了低碳鋼、中碳鋼、碳錳鋼、鉻鉬鋼及合金鋼等幾個(gè)階段［8］，呈現(xiàn)出材料的綜合性能不斷提高，鋼瓶的壁厚降低，氣瓶向高壓、輕量化發(fā)展趨勢(shì)。

我國自20世紀(jì)60年代開始發(fā)展錳鋼氣瓶，由于正火錳鋼氣瓶工藝簡單、經(jīng)濟(jì)性高，因此逐漸成為無縫鋼瓶的主流產(chǎn)品。與之前的中碳鋼相比，碳錳鋼的綜合性能有所提高，但是，由于錳鋼中通常有呈枝晶間共晶形式的Ⅱ型MnS，其在軋制過程中易形成片狀或長條狀的MnS夾雜物，這種夾雜物在隨后的熱處理過程中也難以消除［9］。片狀或長條狀MnS夾雜物的尺寸一般較大，與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低，破壞了基體的連續(xù)性，使鋼的沖擊韌性降低［10］。另外，MnS夾雜物與基體具有不同的熱膨脹系數(shù)，在拉應(yīng)力和溫差應(yīng)力的作用下易于在界面處形成應(yīng)力集中和微空隙，鋼中的可擴(kuò)散氫在應(yīng)力誘導(dǎo)作用下向空隙中聚集，隨著空隙部位的氫濃度增大，氫壓升高，引起界面開裂，從而加劇了碳錳鋼對(duì)氫致開裂的敏感性［11］。

由于碳錳鋼的上述缺點(diǎn)，國內(nèi)也逐步推廣使用鉻鉬鋼氣瓶。鉻鉬鋼在Cr與Mo共同合金化作用下，既有良好的淬透性，又提高了抗高溫回火脆性的能力。Cr是一種強(qiáng)碳化物形成元素，在回火時(shí)析出的碳化物Cr23C6可產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)，并且通過晶粒細(xì)化可成為捕獲氫的不可逆陷阱，降低鋼的氫脆敏感性［12］。Mo可提高鋼的回火抗力，在達(dá)到相同強(qiáng)度的情況下，回火溫度升高可降低淬火內(nèi)應(yīng)力、位錯(cuò)密度和畸變，提高其抵抗硫化氫應(yīng)力腐蝕（SSC）和氫脆的能力［13］。此外，Mo 在原奧氏體晶界的偏聚能夠降低S、P雜質(zhì)在晶界的偏聚量，提高晶界的結(jié)合強(qiáng)度，改善鉻鉬鋼的耐延遲斷裂性能。因此，鉻鉬鋼具有良好的綜合性能，目前已經(jīng)成為制造大容積氣瓶用無縫鋼管的必然之選。

我國GB 28884—2012《大容積氣瓶用無縫鋼管》和GB/T 33145—2016《大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶》均要求大容積氣瓶材質(zhì)是鉻鉬合金鋼。GB/T 33145—2016包括兩類鋼瓶，即盛裝致脆性氣體的鋼瓶（Ⅰ類鋼瓶）和盛裝非致脆性氣體的鋼瓶（Ⅱ類鋼瓶），致脆性氣體包括氫氣、天然氣、甲烷。就瓶體材料而言，GB/T 33145—2016給出了兩個(gè)組別的鉻鉬鋼：組別Ⅰ的典型牌號(hào)是GB 28884—2012中的30CrMoE（4130X），用于Ⅰ類鋼瓶；組別Ⅱ是碳含量較高的鉻鉬鋼，典型牌號(hào)是GB 28884—2012中的42CrMoE（4142），用于Ⅱ類鋼瓶。GB/T 33145—2016對(duì)氣瓶瓶體材料鉻鉬鋼的化學(xué)成分要求見表1。

表1 GB/T 33145—2016對(duì)氣瓶瓶體材料鉻鉬鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）要求 %

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣瓶用鋼中雜質(zhì)、有害元素和氣體含量的要求見表2。GB/T 33145—2016對(duì)S、P雜質(zhì)及有害元素和鋼中氣體的要求均高于GB 28884—2012，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)均嚴(yán)于國際同類標(biāo)準(zhǔn)ISO 11120∶2015和美國交通運(yùn)輸部標(biāo)準(zhǔn)DOT-3AAX。

GB/T 33145—2016和GB 28884—2012均要求鋼管用坯料都應(yīng)當(dāng)是電弧爐或氧氣轉(zhuǎn)爐+爐外精煉處理的無時(shí)效性鎮(zhèn)靜鋼，宜采用連鑄連軋鋼坯或鍛制鋼坯；鋼坯表面不得有目視可見的結(jié)疤、氣孔、針孔、重皮及深度超過0.5 mm的裂紋；橫截面酸浸低倍試片上不允許有目視可見的白點(diǎn)、分層、氣泡、夾雜和折疊等缺陷，低倍組織缺陷按YB/T 4149—2006《連鑄圓管坯》附錄A評(píng)級(jí)圖評(píng)定，中心疏松、縮孔、中心裂紋、中間裂紋、皮下裂紋和皮下氣泡的合格級(jí)別均不得大于1級(jí)；按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》A法進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)評(píng)級(jí)，B、C、D、DS類非金屬夾雜物等級(jí)應(yīng)分別≤1.0、≤0.5、≤1.5、≤1.5，A類非金屬夾雜物細(xì)系≤1.5、粗系≤1.0。

表2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣瓶用鋼中雜質(zhì)、有害元素和氣體含量的要求 %

表3 GB 28884—2012對(duì)30CrMoE和42CrMoE氣瓶用鋼經(jīng)淬火+回火熱處理后的縱向力學(xué)性能要求

1.2 力學(xué)性能

GB 28884—2012規(guī)定了30CrMoE和42CrMoE經(jīng)淬火+回火熱處理后的縱向力學(xué)性能，具體見表3。

大氣瓶標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33145—2016對(duì)于Ⅰ類鋼瓶用材料的沖擊試驗(yàn)要求比鋼管標(biāo)準(zhǔn)GB 28884—2012更為嚴(yán)格。GB/T 33145—2016要求標(biāo)準(zhǔn)橫向試樣的沖擊功平均值不小于60 J，單個(gè)試樣的沖擊功最小值不小于48 J。一般認(rèn)為，鋼瓶的爆破失效通常是經(jīng)過初始缺陷—疲勞—缺陷擴(kuò)展—突然受到?jīng)_擊—爆破失效，爆破口的方向通常是橫向沖擊試驗(yàn)的方向，這是瓶壁中周向應(yīng)力最大所致，所以橫向沖擊更能模擬氣瓶的爆破失效。此外，鋼中的Ⅱ型MnS在鋼軋制過程中偏轉(zhuǎn)到軋制平面方向上，形成片狀或長條狀的MnS夾雜物，從而導(dǎo)致鋼的橫向沖擊韌性低于縱向沖擊韌性［9］。

另外，GB/T 33145—2016還要求Ⅰ類鋼瓶用材料熱處理后的抗拉強(qiáng)度不能超過880 MPa，這是基于降低材料對(duì)SSC和氫脆敏感性的考慮［3］。但是，從目前材料的性能和制造水平及熱處理水平來看，880 MPa的抗拉強(qiáng)度門檻值設(shè)定得較為保守［14］。這是因?yàn)槿缃癫牧现蠸、P雜質(zhì)和有害元素及氣體的含量控制得非常低，材料的純凈度提高；并且鋼的微合金化及煉鋼技術(shù)不斷發(fā)展，使得材料的質(zhì)量逐步提升，材料的綜合機(jī)械性能、抗氫脆和SSC的能力也隨之提升［15］。ISO 11120∶2015標(biāo)準(zhǔn)正是基于材料的進(jìn)步逐步提高氣瓶的抗拉強(qiáng)度上限，實(shí)現(xiàn)氣瓶的輕量化及提高運(yùn)輸效率的目標(biāo)，而1999版的ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)將Ⅰ類鋼瓶的實(shí)際抗拉強(qiáng)度上限限定在950 MPa，2015年版又規(guī)定Ⅰ類鋼瓶的抗拉強(qiáng)度上限值可進(jìn)一步提高，并可通過ISO 11114-4∶2005《移動(dòng)氣瓶 氣瓶和瓶閥材料與盛裝氣體的相容性第4部分：選擇耐氫脆的金屬材料的試驗(yàn)方法》所要求的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)際抗拉強(qiáng)度不能超過1 100 MPa。

1.3 尺寸精度

GB/T 33145—2016對(duì)氣瓶用無縫鋼管的尺寸精度要求如下：①壁厚偏差不應(yīng)超過規(guī)定壁厚的0～20%；②外徑偏差不應(yīng)超過公稱直徑的±1%；③直線度不應(yīng)超過總長的0.15%；④圓度不應(yīng)超過該截面平均外徑的2%。

生產(chǎn)實(shí)踐中，由于交通管理部門嚴(yán)格要求長管拖車整車滿載時(shí)的總質(zhì)量不能超過40 t，并且由于氣瓶設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)保守導(dǎo)致氣瓶設(shè)計(jì)壁厚偏高，氣瓶制造廠家只能寄希望于無縫鋼管制造廠提高鋼管的尺寸精度，在保證最小設(shè)計(jì)壁厚的前提下盡可能地降低無縫鋼管的質(zhì)量，從而提高運(yùn)輸效率。如今，連軋管+推制式熱擴(kuò)+冷拔工藝和熱軋管+冷拔工藝因?yàn)榫哂挟a(chǎn)品尺寸精度高、內(nèi)外表面質(zhì)量好的優(yōu)勢(shì)，逐步取代了連軋管+斜軋式熱擴(kuò)工藝和周期軋管+拉拔式熱擴(kuò)工藝。冷拔后的大容積氣瓶用無縫鋼管的壁厚公差可以控制在0～15%，外徑偏差在±0.75%，直線度不超過總長的0.1%。通過先進(jìn)的制造工藝和制造方法進(jìn)一步提高尺寸精度和制造質(zhì)量，是今后大容積氣瓶用無縫鋼管的發(fā)展方向之一。

2 大容積氣瓶用無縫鋼管的制造工藝

2.1 連軋管+斜軋式熱擴(kuò)工藝

連軋管+斜軋式熱擴(kuò)工藝的主要流程如下。

（1）煉鋼：電爐EAF冶煉→爐外精煉LF→VD真空脫氣→CCM連鑄→冷卻→管坯檢驗(yàn)。

（2）荒管制備：管坯加熱→定心→穿孔→連軋→定徑→冷卻→鋸切→矯直→探傷→檢驗(yàn)。

（3）Φ720 mm斜軋式熱擴(kuò)：坯管上料→步進(jìn)爐加熱→高壓水除鱗→斜軋擴(kuò)管機(jī)擴(kuò)管軋制→均整機(jī)均整→旁通或再加熱爐加熱→四輥定徑機(jī)定徑→冷床冷卻→壓力矯直機(jī)矯直或矯直后銑切鋸切割→探傷→水壓試驗(yàn)→倒棱機(jī)倒棱→測長、稱重、噴標(biāo)→入庫。

斜軋熱擴(kuò)的母管來自Φ460 mm連軋管機(jī)組，母管送入加熱爐中加熱至1 130～1 200℃，由輥道送出，經(jīng)高壓水除鱗后，以螺旋狀回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式送入斜軋擴(kuò)管機(jī)進(jìn)行擴(kuò)管軋制。斜軋擴(kuò)管機(jī)主要是由兩個(gè)轉(zhuǎn)向相同的錐形輥、一個(gè)錐形頂頭和一個(gè)沿軋制中心線方向支撐頂頭的頂桿組成，在軋制過程中，管徑擴(kuò)大，壁厚減薄，總延伸系數(shù)接近1。

斜軋式熱擴(kuò)工藝歷史悠久、工藝成熟，早在1925—1933年美國和德國就相繼研制出斜軋擴(kuò)管機(jī)組并投入生產(chǎn)。該工藝生產(chǎn)效率較高、坯料變形速度快、一次擴(kuò)徑量大，配置均整機(jī)的機(jī)組可保證較高的產(chǎn)品質(zhì)量。但是，由于該工藝技術(shù)復(fù)雜，導(dǎo)致機(jī)組設(shè)備龐大，初始投資和生產(chǎn)成本高，壁厚均勻性較差，內(nèi)外表面殘留有較深的螺旋痕跡，影響了斜軋熱擴(kuò)鋼管的市場競爭力。目前該工藝已不再用于大容積氣瓶用無縫鋼管的最終生產(chǎn)階段。

2.2 周期軋管+拉拔式熱擴(kuò)工藝

周期軋管+拉拔式熱擴(kuò)工藝的熱軋母管來自于周期軋管機(jī)組，由于周期軋管機(jī)組不設(shè)均整機(jī)，對(duì)母管的壁厚均勻性和表面質(zhì)量有較大影響。拉拔式擴(kuò)管機(jī)組由擴(kuò)管機(jī)架、拔管機(jī)架、托管升降臺(tái)、擴(kuò)管卡頭、拔管小車、擴(kuò)徑頂頭（帶拉桿）和直流電機(jī)帶動(dòng)的齒輪減速機(jī)構(gòu)七大部分組成。進(jìn)行拉拔熱擴(kuò)之前，先在坯料管的管端擴(kuò)出一個(gè)喇叭口，便于熱擴(kuò)時(shí)用內(nèi)外卡環(huán)卡住管端并進(jìn)行水冷，然后由鏈條牽引芯棒桿并帶動(dòng)頂頭穿過坯料管，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)徑減壁。該工藝的特點(diǎn)是機(jī)組設(shè)備簡單，便于組織生產(chǎn)，產(chǎn)品規(guī)格靈活多樣，可加工較長的成品；但是，拉拔式擴(kuò)管機(jī)組生產(chǎn)效率低、成材率低、工件費(fèi)用高，并且產(chǎn)品的外徑精度低、外表面呈波浪形、表面不光滑、坡口質(zhì)量差［16］?，F(xiàn)在國外許多國家已不再新建拉拔式擴(kuò)管機(jī)組，國內(nèi)也不再使用該工藝制造大容積氣瓶用無縫鋼管。

2.3 連軋管+推制式熱擴(kuò)+冷拔工藝

推制式熱擴(kuò)徑工藝也稱中頻熱擴(kuò)無縫鋼管工藝、頂推式熱擴(kuò)徑工藝、推進(jìn)式熱擴(kuò)徑工藝、推拉式熱擴(kuò)徑工藝。該工藝起源于20世紀(jì)50年代的德國，并在我國得到快速發(fā)展、改進(jìn)及完善。其工藝原理是：將毛坯管置于中頻加熱爐中進(jìn)行局部快速加熱，依靠液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)毛坯管，使其逐步通過錐形的內(nèi)模芯棒實(shí)現(xiàn)擴(kuò)徑。推制式熱擴(kuò)徑工藝的一般流程為：復(fù)檢合格的毛坯管→檢查修磨→選擇芯棒→毛坯管內(nèi)壁涂潤滑劑→加熱擴(kuò)徑→熱處理→理化檢驗(yàn)→矯直→內(nèi)、外表面處理→探傷、測厚→水壓試驗(yàn)→尺寸及外觀檢驗(yàn)→后續(xù)加工［17］。

國內(nèi)于2010年開始將推制式熱擴(kuò)徑工藝與冷拔工藝結(jié)合起來，用于制造大容積氣瓶用無縫鋼管［18］，其基本流程如圖 1 所示［19］。

圖1 推制式熱擴(kuò)+冷拔工藝的基本流程

推制式熱擴(kuò)管的質(zhì)量與擴(kuò)徑率、推進(jìn)速度、加熱溫度等參數(shù)密切相關(guān)?？紤]到鋼管熱擴(kuò)時(shí)為兩向受拉、一向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，為了防止熱擴(kuò)時(shí)鋼管內(nèi)部微觀缺欠擴(kuò)展，擴(kuò)徑率一般控制在1.5以內(nèi)，擴(kuò)徑次數(shù)不超過一次。后續(xù)拔制通常采用減徑減壁厚的冷拔工藝，使延伸系數(shù)大于1.2，這樣可使鋼管的內(nèi)部組織更加致密均勻，并獲得良好的表面質(zhì)量和尺寸精度。

2.4 Φ720 mm熱軋管+冷拔工藝

連軋管+推制式熱擴(kuò)+冷拔工藝路線較長，并且由于推制式熱擴(kuò)的推進(jìn)速度較低，影響了生產(chǎn)效率。隨著國內(nèi)Φ720 mm熱軋管機(jī)組的發(fā)展，以及大直徑熱軋管尺寸精度的提高，Φ720 mm熱軋管+冷拔工藝逐漸被用于制造大容積氣瓶用無縫鋼管。這種工藝的基本流程是：管坯加熱→定心→穿孔→斜軋或周期軋管→冷卻→鋸切→矯直→探傷→尺寸檢驗(yàn)→內(nèi)、外表面拋丸→內(nèi)、外表面檢查修磨→磷化、皂化→第一道冷拔→全長測厚→磷化、皂化→第二道冷拔→矯直→內(nèi)、外表面拋丸→探傷、測厚→理化試驗(yàn)→切頭、定尺→尺寸及外觀檢驗(yàn)→噴標(biāo)、入庫。

這種工藝的生產(chǎn)效率高，熱軋和冷拔過程中鋼管的受力狀態(tài)好，有助于改善鋼管的微觀組織。不足之處是大直徑熱軋鋼管的壁厚較大，制造大容積氣瓶內(nèi)膽用薄壁無縫鋼管時(shí)需要使用更多道次的冷拔，致使生產(chǎn)成本提高。進(jìn)一步提高大直徑熱軋管的徑厚比和制造精度是今后大容積氣瓶用無縫鋼管的發(fā)展方向之一。

3 大容積氣瓶用無縫鋼管的發(fā)展趨勢(shì)

輕量化設(shè)計(jì)和制造是今后長管拖車的發(fā)展趨勢(shì)，是響應(yīng)國家節(jié)能減排戰(zhàn)略和貫徹可持續(xù)發(fā)展觀的重要舉措?！笆濉眹抑攸c(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“移動(dòng)式承壓類特種設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)防控與治理關(guān)鍵技術(shù)研究”已經(jīng)將“長管拖車用大容積氣瓶的設(shè)計(jì)方法、上裝與行走機(jī)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法等研究”列為一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容［20］。依靠技術(shù)進(jìn)步和科技創(chuàng)新開發(fā)新材料、新方法和新工藝，促進(jìn)大容積氣瓶的輕量化，保障氣瓶的安全性和可靠性，是今后大容積氣瓶用無縫鋼管的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 開發(fā)新材料

開發(fā)具有優(yōu)良綜合機(jī)械性能、抗SSC和氫脆性能的材料是實(shí)施大容積氣瓶輕量化的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。（30CrMoE）4130X是制造大容積氣瓶常用的鉻鉬鋼。在4130X的基礎(chǔ)上，通過化學(xué)成分優(yōu)化，添加微量合金元素V、Nb和Ti進(jìn)行微合金化，是提高大容積氣瓶綜合性能的一條途徑。

利用微量合金元素V、Nb和Ti對(duì)低合金鋼進(jìn)行微合金化處理可達(dá)到細(xì)化晶粒的目的［21］。晶粒細(xì)化可提高鋼的強(qiáng)度，改善鋼的塑性、韌性，并得到更低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（FATT）。熱加工過程中應(yīng)變誘導(dǎo)析出的V、Nb和Ti的碳化物和氮化物粒子優(yōu)先沉淀在奧氏體晶界、亞晶界、變形帶和位錯(cuò)線上，從而能有效阻止晶界、亞晶界和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，既可阻止晶粒長大，又可促進(jìn)相變形核［22］。V在鋼中可與C形成穩(wěn)定的微細(xì)碳化物V4C3。在高壓氣瓶常用鉻鉬鋼34CrMo4中添加0.05%～0.08%的V，可以提高材料的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性，并使材料的塑性得到改善［23］。但是，由于V的價(jià)格昂貴，高強(qiáng)鋼中 w（V）不宜超過 0.2%［24］。Nb 在調(diào)質(zhì)鋼中既可以引起固溶強(qiáng)化，又能應(yīng)變析出，起到沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用。利用Nb微合金化在壓力容器高強(qiáng)鋼的開發(fā)中已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用［25］。在800 MPa級(jí)超細(xì)晶粒鋼中，TiN粒子是阻止奧氏體晶粒粗化最有效的析出粒子［26］。典型螺栓鋼42CrMo通過V、Ti、Nb的復(fù)合加入，可在較寬的溫度區(qū)間阻礙奧氏體晶粒長大［22，27］。另外，均勻彌散分布在晶格內(nèi)的V、Nb和Ti的微細(xì)碳化物可以顯著降低鋼的氫脆敏感性［28-29］。

3.2 采用先進(jìn)的煉鋼和軋鋼工藝

通過先進(jìn)的煉鋼和軋鋼工藝，控制坯料中夾雜物的數(shù)量、形態(tài)和分布，以及凝固過程中的偏析、鋼的顯微組織和晶粒度，均可以改善材料的綜合性能。

鋼中尺寸大于20μm的帶狀硫化物是影響氣瓶鋼質(zhì)量的主要因素。在冶煉過程中，噴吹適量的Si-Ca，可以抑制條狀和帶狀MnS的生長，改善其形狀和分布。噴吹Si-Ca后仍會(huì)殘留少量長條狀的MnS，可再加入適量稀土元素RE，用RE取代Mn與S，生成Ce2S、CeS、CeOS2、RE2S3等穩(wěn)定的RE硫化物，進(jìn)一步提高材料的抗氫脆性能。

對(duì)連鑄坯液相穴進(jìn)行電磁攪拌，可以使鋼液的流動(dòng)狀態(tài)有利于非金屬夾雜物及氣泡上浮，降低鑄坯內(nèi)夾雜物及氣泡的含量。同時(shí)，電磁攪拌還可以打碎枝狀晶，形成等軸晶，提高鑄坯的等軸晶率，減少中心偏析、中心疏松和縮孔，改善鑄坯的凝固組織。連鑄坯的動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)可以消除或減少鑄坯收縮形成的內(nèi)部空隙，使鑄坯的凝固組織更加均勻致密，從而改善中心偏析和中心疏松［30］。在轉(zhuǎn)爐連鑄生產(chǎn)高壓氣瓶常用鋼34CrMo4的過程中，采用結(jié)晶器電磁攪拌配合凝固末端電磁攪拌及動(dòng)態(tài)壓下技術(shù)可使鋼坯達(dá)到較高的致密度，中心疏松小于1 級(jí)［31］。

控軋控冷技術(shù)（TMCP）是配合鋼的微合金化發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)軋鋼技術(shù)。利用合金元素沉淀強(qiáng)化的作用，可以使鋼的強(qiáng)度明顯升高，但不采用控制軋制會(huì)使鋼的韌性變壞。只有通過控軋，在熱變形過程中析出特定大小的質(zhì)點(diǎn)，阻止再結(jié)晶后的晶粒長大，使晶粒細(xì)化，達(dá)到提高鋼的強(qiáng)度和韌性的目的［32］。TMCP 的核心是晶粒細(xì)化和細(xì)晶強(qiáng)化［33］。以超快速冷卻為核心的新一代TMCP技術(shù)已經(jīng)在石油套管的生產(chǎn)中得到應(yīng)用［34-35］。今后可考慮將該技術(shù)應(yīng)用于大容積氣瓶用無縫鋼管的生產(chǎn)。

目前，德新鋼管聯(lián)合國內(nèi)鋼廠開發(fā)大容積氣瓶用無縫鋼管新材料。通過優(yōu)化4130X中Si、Mn、Cr、Mo等元素的含量，添加微量合金元素V、Nb和Ti，結(jié)合新的煉鋼和軋鋼工藝，使新材料在調(diào)質(zhì)熱處理后達(dá)到以下性能指標(biāo)：①抗拉強(qiáng)度850～950 MPa，屈強(qiáng)比≤86%，斷后伸長率A50mm≥20%，-40℃沖擊功∧60 J；②在900～950 MPa的抗拉強(qiáng)度下通過SSC試驗(yàn)和ISO 11114-4∶2005要求的氫脆試驗(yàn)。

3.3 采用先進(jìn)的無縫鋼管制造方法

目前，制造大容積氣瓶用無縫鋼管普遍使用的連軋管+推制式熱擴(kuò)+冷拔工藝和熱軋管+冷拔工藝，可使鋼管壁厚精度達(dá)到0～15%，鋼管實(shí)際質(zhì)量比理論質(zhì)量高8%左右。強(qiáng)力旋壓工藝是航空、航天、軍工、核電等領(lǐng)域中廣泛用于制造精密回轉(zhuǎn)件的一種工藝［36］。該工藝在中小容積無縫氣瓶生產(chǎn)中已有應(yīng)用研究，并取得了較好的減重效果［37-38］，已經(jīng)成為制造航空氣瓶的首選工藝［39］。但是，隨著大容積氣瓶用無縫鋼管直徑和長度的增加，強(qiáng)力旋壓工藝的應(yīng)用將變得異常困難，主要體現(xiàn)在：工件較長、自重較大，容易產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致旋壓過程中產(chǎn)生振動(dòng)，并使旋壓輪的受力不均，影響成形件的壁厚偏差；毛坯管的直徑偏差、橢圓度和直線度偏差較大，導(dǎo)致穿模和脫模困難。

為了解決由于芯模和工件過長而產(chǎn)生的彎曲和振動(dòng)問題，德國LIEFELD公司研制的強(qiáng)力旋壓設(shè)備增加了芯模與工件的支撐裝置，并于2010年推出了ST650H9100-4RS型四旋輪臥式強(qiáng)力旋壓機(jī)，其最大軸向行程可達(dá)9 100 mm，可承載質(zhì)量達(dá)4 t的工件，工件成形長度可達(dá)9 m（正旋）或15 m（反旋），工件的最大直徑可達(dá)650 mm，壁厚減薄率可達(dá)30%［40］。國內(nèi)也有研究單位開發(fā)了用于大直徑無縫鋼管的四旋輪強(qiáng)力旋壓機(jī)［41］，已經(jīng)用于Ф570 mm×20 mm×10 958 mm無縫鋼管的旋壓試驗(yàn)研究。

另外，采用對(duì)輪旋壓工藝也是解決上述超長芯模所存在問題的有效方法，即用旋輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)的芯模，采用一對(duì)或者幾對(duì)旋輪同時(shí)對(duì)工件的內(nèi)、外表面進(jìn)行加工［42］。采用浮動(dòng)芯模代替?zhèn)鹘y(tǒng)的芯模也可以有效地避免超長芯模制造成本高，穿模及脫模困難，旋壓過程中低頭、振動(dòng)等問題［43］。

強(qiáng)力旋壓工藝的顯著優(yōu)點(diǎn)是：產(chǎn)品可獲得較高的制造精度（壁厚公差±0.03 mm）和表面光潔度，旋壓后材料晶粒細(xì)化，并具有明顯的纖維組織，可提高材料的抗疲勞強(qiáng)度［36］。通過技術(shù)改造和創(chuàng)新，如果能夠利用強(qiáng)力旋壓工藝制造大容積氣瓶用無縫鋼管，且鋼管的壁厚公差控制在0～3%，將使大容積氣瓶用無縫鋼管在現(xiàn)有基礎(chǔ)上減重6%左右。

國內(nèi)大容積氣瓶的年產(chǎn)量為1.5萬支左右［20］，氣瓶的單支質(zhì)量約為4 900 kg。如果通過開發(fā)新材料、采用新的煉鋼和軋鋼工藝提高材料的綜合性能，使大容積氣瓶的設(shè)計(jì)壁厚降低15%，并通過先進(jìn)的無縫鋼管制造方法提高尺寸精度，在保證鋼管相同設(shè)計(jì)壁厚的情況下使其質(zhì)量減少6%，從而使大容積氣瓶的質(zhì)量減少21%，每年可以節(jié)約合金鋼1.5萬t，經(jīng)濟(jì)價(jià)值約1.6億元，并通過提高運(yùn)輸效率每年節(jié)約4 000多萬元的運(yùn)輸成本。

4 結(jié) 語

在大容積氣瓶用無縫鋼管十年國產(chǎn)化的發(fā)展過程中，先后開發(fā)了不同的制造工藝，技術(shù)上不斷進(jìn)步，產(chǎn)品的尺寸范圍不斷擴(kuò)展，綜合性能和制造精度得到大幅度提升，制造成本降低，產(chǎn)量躍居世界首位，不僅取代了進(jìn)口產(chǎn)品，滿足了國內(nèi)大容積無縫氣瓶的生產(chǎn)需求，還實(shí)現(xiàn)了向歐洲、美國等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的出口。依靠技術(shù)進(jìn)步和科技創(chuàng)新開發(fā)新材料，并將新的煉鋼和軋鋼工藝以及先進(jìn)的無縫鋼管制造方法應(yīng)用于大容積氣瓶用無縫鋼管的制造，在保障氣瓶的安全性和可靠性的前提下，促進(jìn)大容積氣瓶的輕量化發(fā)展，是今后大容積氣瓶用無縫鋼管的發(fā)展趨勢(shì)。