国内CPE机组生产现状及发展初探

周继洪

（中冶赛迪工程技术股份有限公司钢管事业部，重庆401122）

国内CPE机组生产现状及发展初探

周继洪

（中冶赛迪工程技术股份有限公司钢管事业部，重庆401122）

根据国内各CPE机组生产现状和目前的市场情况，结合CPE机组在机组作业率、生产成本、产品质量等方面的运行情况，分析目前CPE机组生产及发展所面临的问题，提出解决方案，并为CPE机组的进一步发展提供参考意见和建议。

CPE机组；生产现状；产品结构；生产成本；产品质量；建议

CPE工艺是在传统顶管工艺基础上发展而来，即CP斜轧穿孔（Cross Roll Piercing）+E延伸（Elongating）的组合生产工艺［1-6］。目前典型CPE机组工艺流程为：管坯加热→穿孔→毛管缩口→顶管→松棒→再加热→定（减）径或张力减径→冷却→精整。

CPE机组具有产品表面质量好、壁厚薄及产量适中等特点，是生产中小直径中薄壁无缝钢管、实现产品升级及“以热代冷”的潜力机型之一。在目前无缝钢管市场供大于求的市场环境下，产量和投资适中、产品质量可与连轧管机组［7］媲美的CPE机组再次进入人们的视野，仅在2010年以后就陆续新建投产了3套。

随着国内CPE机组投产数量的增多，业界对该机型的特点和生产现状有了更加深刻的认识［8-9］。本文将从国内各CPE机组生产现状出发，深入讨论该机型生产应用的优劣势，分析目前各CPE机组的发展“瓶颈”和所面临的问题，为CPE机组进一步发展提供参考意见和建议。

1 当前市场环境对CPE机组产品结构的影响

随着国内外无缝钢管市场的逐步萎缩，近年石油管的需求量达到历史低位。而另一方面，国际油价持续走低，在很长一段时间内，国际原油市场将以减少供给、消化过剩产能为主，同时国内原油需求进一步转向进口。在这种大背景下，极少有新的油田和油井开工，石油管的需求将持续低迷，在今后相当长一段时间内无缝钢管生产线的主要产品结构由大批量、少规格的石油管转移为小批量、多规格的锅炉管和气瓶管等其他品种。CPE机组的产品结构也将如此，因此必须对其工艺、设备进行深入研究，改进完善，对现有生产中所面临的问题进行分析，寻找科学有效的改进方案，以适应高钢级、小批量、多规格无缝钢管的市场需求。

2 当前CPE机组生产现状及改进方案

目前国内CPE机组基本涵盖了大小各种机型，对于小批量、多规格无缝钢管的生产方式，现有各CPE机组生产所面临的问题不尽相同，主要体现在以下几方面。

2.1 影响机组有效作业率

2.1.1 原因分析

小批量、多规格无缝钢管的生产方式，意味着需要频繁更换规格和调整生产线轧制变形参数。对于CPE机组而言，需要频繁更换和调整的包括顶管机模座及张力减径机或定（减）径机机架。张力减径机配置有快速换辊小车，可实现快速更换机架；更换顶管机模座需要使用车间起重机对新旧模座进行依次、逐个吊运，影响机组有效作业时间。

顶管机特点之一是应用成品可调模座，在壁厚微调时，对成品可调模座进行在线快速调整，减少对生产中断的影响。根据实际生产情况，由于生产经验及具体情况的不同，目前成品模座的应用有3种方式：成品可调模座在线调整；更换成品模座，小直径机组［10-13］更换已备好的成品模座耗时约20 min；成品模座线下调整，大直径顶管机的成品模座因自身设计及质量大等原因，线下对孔型［14］进行调整，耗时约2 h，若更换芯棒规格，进行相关模具更换及调整耗时约10 h。

2.1.2 改进方案

目前国内CPE机组实现可调模座在线调整数量较少，频繁更换规格严重影响机组有效作业时间。根据不同机组的具体情况，可考虑从以下两个方面减少更换规格时间：机组孔型系列和芯棒规格数量不宜过多，从而减少因更换芯棒规格而引起的生产中断时间；总结生产经验，制定可调模座在线调整操作规范，熟练掌握成品可调模座在线调整技术。在没有掌握好可调模座在线调整技术前，可借鉴目前小直径顶管机组的方式，直接更换已备好模座，尽量减少模座调整和孔型校验对更换规格时间的影响。

2.2 影响产品质量、成材率

2.2.1 原因分析

顶管机顶制荒管的产品质量与芯棒的温度和润滑质量息息相关。在目前小批量、多规格的生产方式下，频繁更换规格是不可避免的。当更换规格引起生产中断，芯棒需在顶管机前台架存储等待，中断时间越久，芯棒温度越低，同时芯棒的润滑效果也将受到影响，最终影响产品的内表面质量和芯棒使用寿命，严重时甚至影响顶管机的正常顶制，这对顶制温度范围窄的难变形合金钢品种尤为不利。目前小直径CPE机组在顶制13Cr薄壁管时，其内表面易出现质量缺陷，大直径CPE机组暂不能顺利顶制该钢种，也有上述原因。

2.2.2 改进方案

CPE机组需解决频繁更换规格而引起的芯棒温度下降问题，最有效的方法即考虑芯棒在线补温措施。例如，在芯棒穿棒前设置感应加热，或在顶管机前台芯棒台架上设置火焰加热等。在确保芯棒温度的同时，还需控制毛管从穿孔机至顶管机间运输过程的温降，这对顶制温度范围窄的难变形金属显得尤为重要，可从以下几方面考虑：毛管不宜过长，从而减少穿孔时间过长而引起的温降；穿制厚壁毛管，避免毛管壁厚偏薄造成的温降速率过快；穿孔机至顶管机间的运输距离应尽量短，运输速度尽量快，从而减少运输过程的温降时间。

2.3 工模具准备引起的不确定性影响正常生产

2.3.1 原因分析

目前小直径CPE机组投产时间长，生产经验丰富，开发了单孔型系列的多规格芯棒生产方式；大直径CPE机组因产品规格范围跨度大，孔型系列多，芯棒规格及模座系列多。芯棒规格数量需与模座孔型系列相匹配是顶管机的特点之一，芯棒数量的增加，则需要更多的模座系列与之匹配。在小批量、多规格无缝钢管的生产方式下，顶管机模座数量、张力减径机或定（减）径机机架数量及芯棒数量明显增加，相应地增加了工模具准备人员的工作量，由此增加了模座孔型加工不合格、芯棒直径超差等不确定性。这在国内CPE机组生产中已有所体现，芯棒、模座等工模具准备不足或工模具加工质量等问题引起的生产中断和产品质量问题的概率明显增加。

2.3.2 改进方案

制定严格的工模具加工及管理制度，加强对相关人员的管理及技能培训，使工模具准备引起的不确定性影响降至最低。另外，也可借鉴国外CPE机组的生产经验，如德国Betterment钢管公司在Dinslaken的CPE无缝钢管厂，为确保芯棒精度和降低工模具准备带来的不确定性，其芯棒规格仅有Φ122 mm和Φ132mm两种，分别用于顶制厚壁和中薄壁钢管；芯棒不进行表面车削修复，也不进行辗轧。由此带来两点好处：芯棒精度易于控制，有利于产品壁厚精度控制；芯棒及相应的模座规格数量少，降低了工模具准备所引起的不确定性。

3 当前CPE机组主要生产成本差异

国内现有的一套大直径（Φ219 mm）CPE机组为改造机组，其生产线刚投产即遇到无缝钢管市场调整，受市场冲击较为明显，由于一直未能达到设计产能，其轧制成本居高不下。同样受无缝钢管市场冲击，另外两套小直径CPE机组及时转型，改以生产长尺寸热交换器管及锅炉管为主。

国内现有典型大、小直径CPE机组生产成本主要差异见表1。大直径CPE机组因作业率不高，同时因其孔型系列及芯棒规格跨度大，在生产小规格无缝钢管时，机组长期处于“大马拉小车”的工作状态，工业炉的热效率也不高，是其耗电量和耗燃气量高于小直径CPE机组的主要原因；大直径CPE机组芯棒单支质量大，而且其未进行辗轧及重新车削加工，芯棒重复利用率低，致使芯棒吨钢消耗量也远高于小直径CPE机组。

表1 大、小直径CPE机组生产成本主要差异

由此可见，在CPE机组设计之初，机组孔型系列和芯棒规格数量不易过多，且跨度不易过大，避免频繁更换规格而降低机组作业率，避免生产过程中的“大马拉小车”现象，从而保证相对较高的小时吨钢产量，以确保耗电量和耗燃气量在合理范围内。

4 当前CPE机组产品质量现状

（1）壁厚精度控制有待改善。

CPE机组缺少在线壁厚检测手段，这是目前制约CPE机组壁厚精度控制的原因之一，产品超差不能被及时发现和反馈，在线孔型调整和芯棒尺寸校验困难，进一步增加了壁厚精度控制难度。国内小直径CPE机组建设时间早，经过较长时间的发展，芯棒精度和模座孔型已有系统的管控制度，其产品壁厚精度已较为稳定；而大直径CPE机组投产时间不长，产品的壁厚精度波动较大，尺寸废品率达0.74%，这与生产经验和组织管理相关。目前大直径CPE机组的芯棒为外协加工，芯棒直径超差控制稍弱；另外，模座孔型磨损的控制及调整缺少经验，是产品壁厚精度波动较大的主要原因。

对于壁厚精度控制，除需制定严格的芯棒及模座加工的操作规程及相应的管控制度外，开发针对CPE机组的在线壁厚检测手段更能有效监测壁厚波动，可有效降低尺寸废品率。

（2）高钢级产品的生产有待进一步研究。

生产高钢级无缝钢管（如13Cr及T91等）时，大直径CPE机组因生产经验不足等，暂不能顺利轧制；小直径CPE机组经过长期摸索，虽能完成轧制，但产品质量稳定性欠佳，产品缺陷集中体现为内表面直道。如前所述，不能完成顶制或顶制有缺陷的因素较多，如芯棒的温度过低或润滑不好，又或者穿孔毛管温降过快、温度偏低，芯棒光洁度及表面缺陷等。更换规格时间过长或其他原因造成的生产中断，均会影响芯棒的温度及润滑效果。

针对不同机组特点，小直径CPE机组在目前的生产方式下，应加强管理，总结经验，制定严格的高钢级生产制度，严格控制各工序质量，研究更加切合高钢级品种的变形制度，确保顶制温度和芯棒温度的稳定性，提高产品质量稳定性。而大直径CPE机组除借鉴小直径CPE机组生产经验外，还需不断摸索，探索适合该机组的生产制度。

（3）大直径机组产品外表面质量有待提高。

大直径CPE机组因芯棒质量大，顶制后荒管随芯棒横移过程中易损伤钢管表面，目前国内大直径CPE机组的表面废品率达1.59%。这为今后大直径CPE机组的设计提出了新的要求，即除减少芯棒与荒管的横移运输外，还需考虑荒管在横移过程中的保护问题，避免损伤钢管外表面。

5 对CPE机组未来发展的几点建议

CPE机组作为无缝钢管生产的主要机型之一，其在产品质量和吨钢投资方面已得到市场的基本认可。根据目前国内CPE机组的实际生产状况和主要存在问题，结合上述分析，对CPE机组生产及建设改造提出以下几点建议，供今后设计改造、生产管理及改善产品质量等参考。

（1）合理分配变形制度。在设计之初，应合理考虑机组规格范围，科学分配孔型系列。无论何种机型的轧机，如果其产品规格范围覆盖过大，往往会顾此失彼、得不偿失，势必造成“大马拉小车”的不利形式。CPE机组孔型系列及芯棒规格数量，直接关系到更换规格的频繁程度，影响机组有效作业时间，影响产品质量稳定性，影响吨钢能耗。考虑孔型系列时，应充分发挥张力减径机的能力，通常顶管机孔型系列不宜超过2套。

（2）充分发挥张力减径轧制的大延伸率作用。CPE机组与连轧管机组相比，轧制荒管长度短25%~35%，这是CPE机组较连轧管机组成材率［15］略低的主要原因。在设计之初，若CPE机组不采用张力减径轧制，则与连轧管机组成材率的差距会更大，因此需考虑张力减径轧制，如受场地或冷床宽度限制，可考虑采用分段热锯进行锯切，以缓解冷床宽度不足的状况。

（3）考虑芯棒加热保温措施。在穿棒前考虑芯棒加热保温措施，避免生产中断引起的芯棒温度过低。芯棒温度在顶制过程中起到至关重要的作用，直接影响芯棒的润滑效果好坏、毛管温降速度快慢和产品质量好坏，甚至影响到顶制是否顺利完成。

（4）有效控制穿孔毛管温降。毛管温度高低直接关系到顶制是否顺利完成及产品质量好坏，同时也影响轧辊及芯棒的使用寿命长短，与顶管机主机负荷大小息息相关。在设计之初，可考虑从以下3个方面控制毛管温降：减少穿孔时间过长引起的温降，避免毛管壁厚偏薄造成的温降速度快，减少毛管运输过程的温降时间。

（5）掌握成品可调模座在线调整技术。CPE机组的成品可调模座在顶制过程中发挥着相当重要的作用，制定成品可调模座的调整规范，熟练掌握成品可调模座在线调整技术，可减少因轧辊磨损对壁厚不均的影响；减少壁厚调整的更换规格时间，提高机组作业率，减少生产中断造成的芯棒温度过低等问题发生。可调模座的设计应满足调整方便、调整精度高、孔型稳定性好等要求，同时制定严格、科学、有效的管理制度是确保可调模座正常工作的基础。

（6）严格保证芯棒精度。对于CPE机组而言，顶管机的芯棒精度直接关系到产品的壁厚精度，必须有一整套行之有效的芯棒加工、检验及相应的管理制度，确保每支芯棒的精度；为避免芯棒表面质量缺陷引起的钢管内表面质量问题，需有效利用芯棒辗轧机，确保芯棒表面光洁度。

（7）注重专业技术人才培养。CPE机组与连轧管机组相比，专业技术人才相对匮乏，无论是发掘现有CPE机组潜能、CPE机组改造及新产品开发，还是建设新的CPE机组，都需要有一定的专业技术人才积累。在现有CPE机组的基础上，应注重后续人才的培养及技术积累和传承，培养相关的专业技术人才。

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Primary Study on Current Produc tion Situation and Developm ent of Dom estic CPEMill

ZHOU Jihong
（Steel Pipe Business Division of CISDIEngineering Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China）

Based on the current production situations and market circumstances of domestic CPEmills，and the information concerning productivity，operation cost and product quality of the m ills，problems staying with production and development of domestic CPE m ills are analyzed.Accordingly，solution is proposed，and relevant comments and suggestions for further development for themills are also put forward for consideration.

CPEmill；current production situation；productmix；operation cost；productquality；suggestion

TG333.8

B

1001-2311（2016）06-0070-04

2016-08-15）

周继洪（1980-），男，工程师，主要从事钢管生产工艺设计工作。