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内蒙古北方重工业集团有限公司超长超高压钢管生产线。 |
超长超高压钢管主要用于输送高温、高压、易燃易爆的石油、天然气和化工物料。
长期以来，超10米长度的超长超高压钢管制造技术，一直被国外垄断。前不久，这一局面被悄然扭转，我国自主研制的17米超长超高压钢管试制成功。它不仅满足各项严苛的技术指标要求，且已初步具备量产能力，有望在石化等工业领域发挥巨大作用。
“十年磨一剑，研发团队整整花了13年，才将这根17米长的钢管‘磨’出来！”日前，在接受记者采访时，内蒙古北方重工业集团有限公司（以下简称北重集团）特钢事业部总工程师周仲成感慨地说。
■ “百炼”除杂质
原材料实现超高纯净度冶炼
2012年，北重集团萌生了挑战17米级超长超高压钢管的想法。此前，北重集团在10米级钢管制造方面已有成熟经验。即便如此，制造17米级钢管的难度，依然远超研发团队的想象。
“每长一米，制造难度都会成倍增加。”周仲成解释，钢管长度显著增加后，其自重与内部高压产生的复合应力急剧增大，对原材料的纯净度要求会成倍提升。
提高原材料纯净度，是要过的第一关。没有超高纯净度的钢材，做出来的钢管就没有“长高”的潜质。钢材里的硫、磷、氧等元素，都会影响其抗压能力和均匀性。清除这些元素，成为提高钢材纯净度的关键。
最初，科研团队从源头入手，挑选最优质的生铁、合金等，用含“有害”元素最少的原料来炼钢。然而，实践后团队发现，即便用上“顶级”原料，仍无法将这些元素的含量降至足够低的水平，尤其是氧元素极难清除。
历经数十次尝试，团队终于蹚出一条运用综合多元脱氧技术进行沉淀脱氧的路子。“在钢水里加入硅、钙等元素充当‘清道夫军团’，它们可协同作战，与氧元素充分结合，生成稳定的氧化物。”周仲成介绍，在这些氧化物上浮成渣后，就可轻松去除氧元素了。
为了防止氧元素中途“窜入”，团队还结合保护电渣重熔工艺，引入氩气来防止二次氧化，实现了对钢材的深度精炼和提纯。
■ 锻造长钢坯
精准控温“趁热”拔长加工
材料问题解决后，制坯成了研发团队绕不过去的一道坎儿。
“钢坯长一寸，加工难三分！”有着多年制坯经验的北重集团关键技能带头人门立宝一开始就深知其中的不易。
果然，第一次尝试制坯时，由于起吊速度略慢了些，钢坯在被充分锻打拔长至设定长度前，便因温度下降过快而硬化，失去了足够的延展性和可加工性。
“要么就让加工速度快起来，要么就让降温速度慢下来。”北重集团科技带头人许锐冰再三思考后，决定双管齐下，一方面优化加工工艺，一方面设法加强降温过程控制。
“核心难点就在温度控制上。”许锐冰认定，“只有在加工过程中实现温度精准可控，才能保证钢坯不会在被拔长至足够长度之前就冷下来。”
依托北重集团制造钢管积累的海量经验数据，团队自主研发出一套智能化温控系统。它通过复杂的算法建模，实时监测钢坯各部位温度，并根据温度对加工过程进行精准调控。
“一旦系统监测到某段钢坯降温速度过快，就会自动触发升温手段，确保钢坯始终处于最佳的可加工温度窗口，避免因局部冷却过快导致加工失败。”许锐冰告诉记者。
解决温度控制这一核心难题后，团队又进一步优化加工技术。很快，第一根符合要求的超长钢坯锻造出炉。
■ 钻出“同心圆”
17米长管壁内孔光滑如镜
超长钢坯怎样才能变成一根超长超高压钢管？研发团队闯到了最后一关——钻孔与打磨。
钢坯是实心的，需要通过钻孔将中心从两端掏空，形成均匀、光滑、笔直的圆形高压流体通道，再将其外表打磨，最终形成钢管。这样的操作听起来简单，做起来难。它对钻孔的精度要求堪称苛刻。
加工过程中，团队面临双重困境。
“在重力作用下，普通的长钻杆从钢坯一端向另一端钻到一定深度时，就会发生明显下挠，导致钻出的孔越来越偏。”许锐冰解释说，与此同时，由于超长超高压钢管材质极其坚硬耐磨，普通钻头在这种极端工况下会迅速磨损，甚至崩裂。
工欲善其事，必先利其器。只有研发专用设备，这条路才能走得通。
大家针对普通钻杆和钻头的弱点有的放矢，通过无数次尝试与改进，研发出一套刚性极强的深孔钻床系统，并研制出超长钢管专用的深孔钻杆。
解决了17米深孔的精确钻削，随后的内孔珩磨环节同样需要克服超长管深孔加工的困难，才能保证钢管成品的内壁光洁度和尺寸达标。
为此，团队又改造出超长钢管专用的深孔珩磨机床。他们以之前研制的深孔钻杆作为支撑，将不同规格的磨石送入深孔进行精密珩磨，最终将长达17米的管壁内孔打磨得宛如镜面般光滑无瑕。至此，自主研制17米级超长超高压钢管成功问世。
据《科技日报》