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影響不銹鋼管件性能與使用壽命的因素分析

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影響不銹鋼管件性能與使用壽命的因素分析

發布日期:2018-03-23 作者: 點擊:

摘要:我國是不銹鋼管道需求的大國,未來市場巨大,需求旺盛。據2013年數據統計,全國建筑給排水管道約3200億元左右,供水管道約1600億左右。而目前薄壁不銹鋼供水管道市場僅有30多個億,不銹鋼管道市場普及率還很低,在美國、德國和日本不銹鋼供水管道的普及率均在80%以上。

未來中國不銹鋼管道市場將會有一個快速發展,如何應對發展?本文通過不銹鋼材料、成型工藝、壁厚變化及固溶(熱處理)等工藝對影響不銹鋼管件性能與使用壽命因素分析,以便企業更好的借鑒,生產高品質的管件;讓使用者更多的了解和選擇質量好、性能優的產品,加快推進不銹鋼管道系統在多領域的應用。

 

關鍵詞:不銹鋼管件   性能與壽命   因素分析

 

一、影響不銹鋼管件性能及壽命的因素


不銹鋼水管具有較長的使用壽命。從國外的不銹鋼管道使用情況看,不銹鋼水管的使用壽命可達100年,至少也有70年,與建筑物同壽命。不銹鋼管材管件最突出的優勢是耐腐蝕性能,如果不銹鋼管道在使用過程中,能正確的使用和保養,可以有效的延長使用壽命。

(一)材質對管件使用壽命的影響

不銹鋼材質,304與304L的主要區別在于:304的含C(碳)量≤0.08%,而304L的含C量≤0.03%; 316材質相對304L的含NI(鎳)比304高1%—2%,主要是降低了Cr(鉻)含量,增加了Mo(鉬)2%—3%,從而各自抗腐蝕性能力和抗腐蝕的環境有所不同。

L代表低碳,如304L比304含碳量低,H與S代表耐高溫,如310S比310耐高溫性能強,304H比304耐熱,316、316L是船用材料,具有強耐腐蝕性。

304不銹鋼材質有兩種:一級材質和二級材質。而二級材質也就是鋼廠的次等品,主要區別在于:二級材料表面、含鎳量、厚薄不均勻等,比一級材料便宜。鋼廠稍加處理后進入市場,但質量不穩定。

(二)成型工藝對管件性能及壽命的影響

“管件成型”是管件生產工藝中最重要的步驟,管材在加工過程中隨著應力的不斷增加,在力的作用下精度容易發生變化。

現在大部分管件生產企業在成型工藝中主要采取了“冷擠壓”和“脹形”工藝。生產工藝的不同,管件的尺寸、壁厚和功能會存在差異,所以,采用什么樣的成型工藝,既保持質量的穩定,又提高生產效率,是非常重要問題,下面介紹兩種工藝的特點。

1、“冷擠壓”工藝:把下料后的不銹鋼毛坯管放入模腔中,通過壓力機上固定的凸模向毛坯施加壓力,使不銹鋼毛坯管產生變形,而制得管件的尺寸要求。主要特點:

(1)表面光潔。擠壓件一般尺寸精度可達8~9級,若采用潤滑僅次于拋光表面。用擠壓方法制造的零件表面,一般不需要再加工。

(2)冷擠壓工藝配置輔助手段,可達到產品質量要求。如管件“U型槽”和“三通拉口”成型,在擠壓過程中通過補料方式,以達到“U型槽” 和“三通拉口”壁厚不減薄,確保產品的質量。

(3)冷擠壓會使管件拉應力的產生。冷擠壓工藝具有冷變形的特性,在擠壓過程中金屬毛坯處于三向壓力狀態,變形后金屬組織有改性現象。

2、“脹形”工藝:脹形工藝是在管坯內部通以高壓液體﹑氣體或固體軟模﹐迫使管材塑性變化﹐以達到工件的外形尺寸要求。主要特點:

(1)脹形時,材料的變形局限于固定的模具內,質量穩定。工件不會產生起皺現象,成形的工件表面光滑、回彈小。

(2)脹形時,材料處于雙向受拉的應力狀態,在模具的作用下,迫使管材壁厚減薄、表面積增大,獲得要求的幾何形狀。

(3)脹形時,管材變形區局限于變形區范圍內,管材不向變形區外轉移。如管件U形槽的形成是靠管材的局部變薄來實現的。

(三)壁厚對管件連接及壽命的影響

薄壁不銹鋼水管的壁厚是管道連接強度的關鍵。壁厚減少到安全系數以下,可靠性必然下降幾個等級。實際上管道的壁厚是保證管道連接的強度,同時,壁厚還具有在各種環境下抗振的功能、管道耐外力沖撞的性能、及隱蔽工程中的使用壽命和抗腐蝕等能力。這里著重介紹不銹鋼管件的壁厚對連接與使用壽命的關系。

1、生產過程中壁厚變化對質量影響

管件在生產過程中要經過下料、彎管、成型(冷擠壓、脹型)等多道工序。首先影響壁厚的主要是彎管、成型等工序。采用的成型工藝不同,對管件的壁厚會產生較大影響。

(1)彎管對管件壁厚的影響。管材彎曲成型中,管材彎曲的形狀變化是材料位移,是塑性變形的表面現象,其變形實質在于管壁外則伸長減薄、管材內則縮短增厚。管壁厚度的減薄量是隨材料硬化指數增大而增加。

所以在管材彎曲設計和選用材料壁厚時,應考慮到管材的伸長性能以及彎管外側變薄的重要因素,采用合理的壁厚管材,否則彎曲拉伸后外側壁厚很難保證尺寸要求,同時,彎管半徑的大小,也會對壁厚產生較大影響。

(2)脹形對管件壁厚的影響。管件脹形是在壓力作用下使管材沿徑向擴張的成形,脹形既可以完成管坯的局部擴張,也可完成管坯的整體擴張。脹形過程可分為:“軸向無收縮”和“軸向有收縮”變形方式。

(A)軸向無收縮變形:脹形部位完全靠管坯壁厚的局部變薄而成形,變形性質是在管材毛坯上端的局部成形,管材下端壁厚不變薄(見圖1)。如管件三通的脹形是“軸向無收縮變形”。

 

                           

     

                      

(B)軸向有收縮變形:在脹形部位管坯壁厚局部變薄的同時,還伴有一定的管坯軸向的自由收縮(見圖2)。如管件U形槽的形成是靠局部變薄成形,是“軸向有收縮的變形”。

2、壁厚對管件連接的影響

管件卡壓式連接原理:充分利用不銹鋼自身有效鋼性和密封材料的彈性壓縮比原理,在管件承接口的U型槽兩側用卡壓工具壓接,使管件和管材同時收縮變形(壓縮成六角形),起到定位和固定作用,從而提高抗拉拔和抗旋轉能力,實現不銹鋼管道有效連接。

由此可以看出,它是依照不銹鋼的自身鋼性,靠壓接收縮進行連接,所以管材與管件的壁厚起著重要的作用。如果管材與管件的壁厚不一致,鋼性會有差異,從而壓接受力會不均衡。

如:卡壓管材標準GB/T 19228.2-2011 中規定Ⅱ系列管材15.9mm壁厚為0.8mm(22.2mm管材壁厚為1.0mm);而卡壓管件標準GB/T 19228.1-2011中規定對應規格管件最小壁厚為0.6mm(22.2最小壁厚為0.8mm),允許管件的最小壁厚比管材薄0.2mm,管件與管材要求的壁厚尺寸不一致。

管件的功能是:分支、彎向、變徑和連接的作用,起到功能性作用比較大。如果管件與管材的壁厚不一致,鋼性會有差異。其次,管件彎頭外則及管件U型槽壁厚過度減薄,產品的質量與功能被降低(如降低壁厚或采用負公差的管材來降低產品價格,有的彎管外側壁厚僅有0.50—0.58mm之間,達不到壁厚0.6mm要求。而有的脹型工藝生產管件,U型槽的壁厚只有0.4mm多點)。

3、使用中對壁厚的確認與選擇。

管件的作用就是起連接管材的作用,使管道可以改變方向和口徑。所以一般情況下管材與管件都是配套的,壁厚要求也是一致的。

(1)首先管材與管件規格要配套;(2)管件與管材壁厚要一致,這對壓接、焊接的安全可靠性產生重要作用;(3)要檢查彎頭外則的壁厚是否在標準范圍內;(4)檢測“三通拉口”和“U型槽”的壁厚。過薄的管壁滿足不了壓接的強度要求,會留下隱患。

因為卡壓式連接是靠壁厚來發生變形與緊固件形成密封,過薄的管壁滿足不了表面壓接變形的強度要求,很容易產生漏水或滲水的事故發生。

(四)固溶工序的防腐功能及壽命的影響

管件加工過程會影響金屬零件的疲勞屬性,影響金屬疲勞屬性工藝有:焊接、磨削、成型加工等等,會使管件拉應力的產生,從而加速金屬疲勞失效發生,降低不銹鋼使用壽命,所以須進行固溶(熱處理)工序。

1、在成型和焊接后的管件,在經過1050℃ 左右溫度時,可進行應力釋放,恢復不銹鋼管件在生產過程的應力和晶間變化,增強抗應力和晶間腐蝕能力。

2、將不銹鋼硬度還原到220HV以下,改善疲勞屬性,提高不銹鋼的塑性和韌性,使管件在卡壓安裝中提高安全性能。

3、還原不銹鋼表面的自然光亮,更加美觀自然。

 

二、不銹鋼管件生產控制與改善

 

1、采購中控制不銹鋼材料的質量

當前市場上原材料存在質量不同、以次充好的現象,在原材料采購過程中要嚴格掌握與控制。首先,對供方要進行評價和選擇,建立供方的評價報告、質量記錄等,采購信息要清晰、完整;其次,要有廠家的質檢報告。第三,對采購回廠的材料要進行化驗分析。建議要到大的鋼廠去購買。

2、合理工藝和技術措施,控制管件壁厚

擠壓成型最大優點是:在擠壓過程中通過補料方式使“U型槽” 和“三通拉口”壁厚不減薄,達到產品質量要求。而脹形工藝優點是加工性能較穩定,表面光滑回彈小,缺點是管材壁厚減薄。

不管是采用擠壓工藝或是脹型工藝,保證管壁厚度,保證質量是前提,也是企業對成本、質量、技術要求的具體體現。在國內市場上經常有廠家向客戶推銷過于廉價的不銹鋼水管,大部分都是犧牲管材壁厚和強度,這對薄壁不銹鋼管道的連接與安全帶來隱患。

3、固溶是提高管件質量不可缺失的工序

固溶工序可消除生產過程產生應力和晶間變化,大家都很清楚,盡管固溶每噸會增加成本2600— 2800元之間,但它是提高抗腐蝕能力的重要措施,應在管件成型加工完成后進行固溶,才能真正起到保護作用,不可省略。

三、結束語

未來中國不銹鋼管道市場將會有一個快速增長,并向多領域發展,這是當前發展趨勢,不用置疑,作為企業如何應對發展,在做好不銹鋼材料、成型工藝、壁厚變化及固溶(熱處理)等品質管理的同時,更要做好產品質量、技術規范的執行與引導,讓使用者更多了解產品的功能、使用和維護,加快不銹鋼供水管道普及和提高市場份額,推進不銹鋼管道在多領域應用,這是一個系統工程,還需要各環節和各方面的配合與努力。

1、成本與性價比。不銹鋼水管的一次性投資成本約是普通鍍鋅管的二倍,比PPR等復合水管高50%左右。但如果把建筑物的整個壽命期成本計算在內,不銹鋼水管的平均成本優勢就非常明顯了。

不銹鋼管道使用壽命一般為70年,鍍鋅管使用壽命約10年左右,而更換管線的成本要遠遠高于當初的投資。不銹鋼管是當前最合適的輸水管道。

2、不銹鋼管道壁厚。從安全因素和經濟性的角度考慮,我們建議DN15-DN50的不銹鋼管選用GB/T19228.2-2011標準中規定的II系列的壁厚,DN65-DN100以上的不銹鋼管選用GB/T19228.2-2011標準中規定的I系列的壁厚,是薄壁不銹鋼水管的最佳壁厚選擇。

3、安裝使用后保護。不銹鋼都具有非常好的耐腐蝕性,不銹鋼產品長時間放置于微酸與微堿環境中,不銹鋼也會被腐蝕,這種腐蝕不只是腐蝕了不銹鋼產品的外表,更大的是腐蝕了不銹鋼產品的晶間結構。其次,高濕環境對不銹鋼也產生腐蝕。如果不銹鋼長時間處于高濕環境中,也會造成對不銹鋼產品的腐蝕。第三,在粉塵環境中也會造成產品的腐蝕,降低了不銹鋼管道的使用壽命。

4、注重管道打壓試驗用水。一定要使用干凈的自來水來做打壓試驗,嚴禁使用工程污水或不干凈的河水、井水或地下水,這會導致對不銹鋼管道的腐蝕。

相關標簽:不銹鋼燃氣管

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