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中国不锈钢管技术创新及发展趋势

来源:中国特钢企业协会不锈钢分会时间:2020-12-15

 

   在11月6日召开的第九届田园松阳论坛—“创新引领,转型升级,全力推进不锈钢管产业高质量发展”专家报告会,中国特钢企业协会不锈钢分会专家、中国不锈钢管专业委员会名誉主任/顾问李天宝教授,做了题为“中国不锈钢管技术创新及发展趋势”的报告。 全文如下: 

改革开放40年来,中国不锈钢管行业经过风风雨雨,由小到大,由弱到强,创办了数以千家的不锈钢管企业。今天在“田园松阳”“多少落红随水去,却记犹如昨刚放”。群贤毕至,把祖国四面八方散落的珍珠,汇聚于此,精心串成美丽的项链,爆发出璀璨的光芒,温润着不锈钢管,支撑着祖国各行各业蓬勃发展。 

一、技术创新 

技术创新是指对新技术的研究开发产品化与商品化的过程,是改进现有或创造新的产品,生产过程和服务方式的技术活动,重大的创新会导致社会经济系统的根本性转变。技术创新是企业应用创新的知识和新技术、新工艺,采用新的生产方式和经营管理模式,提高产品质量,开发生产新的产品,提供新的服务,占据市场并实现市场价值,创新是科技发展的灵魂,创新是引领发展的第一动力。纵观2000年至今,我国的不锈钢管行业在主要经济支柱产业的技术创新,简单举例如下: 

●核能发电 

2019年,核电发电占总发电量的4.9%,相当于减少燃煤10687.62万吨,减排CO228001.57万吨,减排SO290.84万吨,减排NO化合物约79.09万吨。未来我国要每年建造8座核电站,才能完成我们承诺的减排目标。 

在核能发电的建议中,不锈钢管是关键的结构元件。2000年以前,全部依靠进口,2000年以后由核工程设计院,原子能设计院和不锈钢管厂合作创新,到目前为止,不锈钢管基本实现了国产化。 

通过技术创新主要完成: 

奥氏体不锈钢主管道 

690合金U型管,C型管,不锈钢U型管 

超级奥氏体不锈钢管及管件 

目前各钢管厂,就制造工艺和提升质量的稳定性展开新的工作。 

通过技术创新实现了控制棒包壳管的国产化。 

控制棒包壳管: 

▲控制棒包壳管的成份实现P0.010%S0.020%Si0.1% 

▲控制棒包壳管的内径为8.738 

▲控制棒包壳管在冷作10%后,延伸率大于35% 

▲要求控制棒包壳管缺陷及尺寸超声同步检测,每支管材全长范围内的内外径100%测量。 

目前,对高氧含量的环境用管,对FeCrAl管和600℃以上高温用管抗蠕变,耐幅照用管也有了突破性进展。 

核聚变反应堆采用的各种管材的制造性能要求(极低温下的断裂韧性、抗疲劳和冲击性能、无磁性、细化晶粒、杂质元素要求),达到了核电特殊环境标准。 

火力发电用不锈钢管的技术创新 

2019年全国完成发电总量7.09万亿KW,火电占72.83%,由此可见,我国乃以火力发电为主。随着蒸气温度的提高,锅炉的生产压力也同步要提高,实现效率高,能耗低,指标优,环保减排。这就对锯炉用钢管提出更高的要求,2000年以前我国还不能生产超超临界(630℃,700℃)锯炉用不锈钢管,随着近20年的技术创新,我国可以生产满足锅炉发电各种要求的不锈钢管和铁镍基,镍基合金管: 

主要牌号有:TP304HTP347HTP347HFG、S30432 TP310HC6N、Sanicro25/C-HRA-5/TG700 

 

在国内创新发展了锅炉发电系统高加、低加用管,也实现了冷凝器用不锈钢管替代铜管和钛管。特别是在耐海水环境使用的S44660实现了国产化。 

我国油气井用不锈钢管的技术创新近十年来已经有了很大的进步。 

为了解决井内高温、高CO2分压和高 Cl-H2S浓度工作环境易产生腐蚀和应力腐蚀开裂,开发了适用的2205双相不锈钢管。在井管和地面集输管线得到了使用。 

最近为了解决油套管13Cr,超级13Cr抗腐蚀存在的问题,17Cr等高钢级管也取得了成功和应用。 

石油石化行业炼化设备关键装置的发展,对其设备材料提出了较高的要求,特别是作为核心工业炉,包括加氢炉,常减压炉,制氢转化炉,焦化炉等所用材质需要具备的对高温、耐腐蚀等性能。通过近20年的工艺改造、技术创新,炼化设备使用的TP316LTP321HTP347H等工业全部实现了国产化。 

●造船运输是经济活动的重要环节,我国先后实现了制造天然气运输船和化学品船等,由于大型运输船在海上航行的特殊环境,对船用不锈钢管都要进行特殊认证。(船级证认证) 

LNG和化学品船主要采用的不锈钢管材质,TP304LTP316LTP2205对钢管的纵向、横向拉伸有特殊要求。现在各生产钢管企业,通过技术创新进一步提高船用不锈钢管的实物稳定性。 

当然在众多领域,众多行业在此只是简单罗列一些大家所熟知,较为注目的技术创新及应用产品,众多的应用领域,如化学品工业、制药工业、军工、交通运输煤制气等就不再多述。 

二、技术创新的发展趋势 

针对使用环境、设计目标材料是不锈钢管发展的必然趋势。如设计海水环境用管,实现在海水使用环境中抗点腐蚀和应力腐蚀开裂,如设计高氧含量的水环境用管,提高抗应力腐蚀开裂性能;设计更高的抗蠕变、耐辐照性能用管;如设计抗高温蒸气氧化材料,实现高强度、高塑性的不锈钢管材。通过创新设计、实现设备的安全运行和服役寿命。各钢管企业将会通过技术和材料创新、蓄备未来的市场和服务,这是钢管行业发展的趋势。 

在目标产品有明确的使用工况环境下,要使其自始至终处于有效的质量控制之下,对其生产工艺进行步骤设计,如:冶炼、浇注(是否电渣)改造,坯料加工穿孔(或热挤压)冷加工、热处理、表面处理。 

成品管交货状态设计也在设计范围。 

如常规性能检验部分:成品管化学成份分析。 

非金属夹杂物检测、晶粒度测试、晶间腐敏感性试验、宏观浸蚀试验、拉伸试验、压扁试验、硬度试验、冲击试验、水压试验、超声波检测、液体渗透检测和表面质量及尺寸平直度检测。 

钢管制造按单设计和生产是今后钢管生产的大趋势。 

   ●精细化荒管加工技术 

荒管的加工过程是金属塑性成形过程,他存在着应力、应变和位移,穿孔就是这种行为表现,包括冷控、冷轧、挤压都属于这个范畴。为什么穿孔存在径壁比?为什么拉拔、冷轧断面收缩过大就会出现硬化裂纹呢?根本的原因是超过了塑性变形的允许偏量。随着现代化科技的发展,采用有限元法,可以模拟很多种成形过程中的金属流动规律。由于有限元分析对各种几何形状的适应性,所以可以用计算机模拟穿孔加工的塑性成形过程。预报成形材料的全部应力和应变。 

在穿孔过程中,用刚塑性有限元对管坯的金属流动,速度场、温度场、应力进行描述,并建立应力应变、热—力耦合,内部组织的数学模型。可以生产更有利于后部工序加工的精细化荒管坯,这是不锈钢管生产技术创新的趋势。 

松阳园区的技术创新之一是上上德盛的“数字智能化工厂”,“工业智能服务平台”和“智能化安全管理”,这些技术创新及应用走在了全国不锈钢管生产企业的前列,通过智能化管理,使企业的生产成本,实物质量,安全生产进入了一个更高水平,也是今后不锈钢管企业创新发展的趋势。 

 

●最近我去参加上海钢管展,看到了中兴能源生产的不锈钢无缝,经了解,可以做到直径小到几毫米,大到1m多,直径由用户确定,不设阶梯,壁厚可以实现手撕钢厚度到几十毫米,基本不受管径大小约束。 

生产这种不锈钢无缝管(也可以生产合金管)有以下优点: 

①表面光洁,精度高。 

②抗疲劳强度高,屈服强度高,抗拉强度高,能实现纵、横向抗拉强度和延伸率基本相同。 

③工具消耗低。 

④成材率较与传统工艺比较可以提高10%左右。 

⑤退火道次少节省能保,酸洗道次少、污染浑。 

⑥生产过程不需要用油润滑,无污染。 

⑦容易实现自动化操作,易建立黑灯工厂。 

⑧断面壁厚几乎无偏差,可以减轻应用钢管的设计重量。 

我在金属在线上看到了发布的φ23X0.2mm钢管很震撼。这是实现不锈钢无缝钢管生产技术的颠覆性创新。这个技术创新基于坚实的科学原理,不是神话或幻想,是对科学原理的创新应用;是跨学科、跨领域的集成创新,并非设计、材料工艺领域的“线性创新”,是以颠覆性技术取得创新成功的经典案例。因此说不锈钢管的发展趋势就是材料创新、工艺创新、市场创新、应用创新。 

●去年,我国一些企业经过技术创新,实现了生产螺旋波,环波的小口径波纹管。主要是室内水路系统解决管路泄露,钢管过桥和地震风摆等影响问题,室内供水实现供水点——用水点无管件连接。这一创新,得到了城乡居民的欢迎,最近为了提高安全性,又创新发展无缝波纹管,得到许多用户的青睐。 

●关于松阳不锈钢管产业技术创新的问题 

松阳现在有制管企业52家,产能28万吨。要在2023年突破100亿,2025年实现130亿,这是松阳企业的目标与责任,按松阳产品的平均价计算,130亿/1.9/吨,约要产销70万吨。那么,这70万吨生产什么材质,什么用途和什么规格的管,产品往哪儿去?是设计这个目标的关键题解。 

2018年以后,国家在民用供水建筑方面连续出台了几个政策法规,明确要求饮用水管采用不锈钢管或铜管。当前国内焊管企业如雨后春笋,不断有新建、改建的企业诞生,原来供水用的生产塑料管的工厂也在转向生产不锈钢焊管,这个供水用不锈钢管市场有多大呢?按塑料管被不锈钢管取代的重量来计算,每年应该在新增500万吨左右,按替代速度每年40%计算,每年不锈钢需求量不少于200万吨,钢管的主要规格是Φ16-Φ325,壁厚是0.6-3mm。焊管总是有不尽人意之处,特别是安全性要求高,所以采用无缝管会赢得用户放心。这就存在一个成本问题,按现在工艺生产Φ20-0.8管,增加值会在8000-10000左右,如果经过工艺创新增加值实现5000左右,市场就会非常宽广。 

 而实现这个目标在松阳是可行的,这样松阳就可以组织集中生产,集中销售,形成创新小镇。 

松阳的长项是生产小口径不锈钢管,小口径管在形成产业链方面有独特的优势,创新涵盖了应用创新。微通道冷凝器是新发展的换热设备,可以提高换热效率30%,因此松阳应考虑从拉长产业链入手,提高吨钢的附加值。例如形成换热器小镇。这是个比喻。全国像这样的集镇有很多先例,如吉林四平、湖北黄石等。松阳能够从一个无工业、无市场、无交通条件的落后地区通过十多年的培育,发展成产量占全国近1/3无缝钢管的绿色基地,实在让人钦佩。 

松阳还需要在产业链发展的同时培养本地人才。 

当然,松阳的不锈钢管业还有许多路可以走,但核心是创新。松阳历届政府倾其全力支持不锈钢管的发展,特别是对企业的关怀,对环保的帮助,让我们十分感动,作为中国的不锈钢管人定会全心全意支持松阳的发展,同时谢谢松阳领导,特别政协领导,园区领导对不锈钢管的关怀和认可。