TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管的开发与生产

边令喜，周晓锋，周国帅，王亚男，边洪振

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

旋挖机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械［1］。旋挖机钻杆是用在旋挖钻机与施工用钻头之间，传递扭矩、轴向压力等载荷，沿共同轴心、逐节伸缩的管状结构。旋挖机钻杆由3～6支无缝钢管经机加工、焊接后套装而成。其中，每支无缝钢管构成1节钻杆套筒，每节钢管的长度通常约10 m，直径159～630 mm，壁厚8～45 mm，每节钻杆套筒的外圆按120°均布焊接有约20 mm（厚度）×50 mm（宽度）的通长外键，每节钻杆套筒下端内弧面上焊接了同样厚度和宽度的内键（长500～900 mm）。

为保证旋挖机正常工作，要求尽量缩小相邻钻杆套筒间的空隙，同时还要保证各节套筒能够自由伸缩，这对套筒用无缝钢管的尺寸偏差提出了特殊的要求。对于制造钻杆套筒的无缝钢管通常选用20钢和Q345，但是由于强度低，韧性不好，直接影响到钻杆的使用寿命。为此，天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）针对国内某知名厂商的使用要求，开发了TP550RD（550是钢管的最小屈服强度，RD是旋挖钻机的英文缩写）旋挖机钻杆用无缝钢管。本文将重点介绍该TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管的生产开发情况。

1 产品技术要求

天津钢管针对国内某知名厂商的使用要求，开发了TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管，该无缝钢管的化学成分、力学性能、尺寸公差要求见表1～3。

表1 TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管的化学成分（质量分数）最大值要求%

表2 TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管力学性能要求

表3 TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管的尺寸公差要求

2 产品成分设计

综合考虑钢管的性能和成本，成分设计时需保证产品具有高强度、高韧性、稳定的热处理工艺、优良的焊接性能。成分设计方面考虑适当控制较低的碳当量CEIIW［2-4］，CEIIW控制在0.43%以下，加入适量的Mo、V等合金元素以控制淬火马氏体回火组织的相变强化和细晶强化，利用Si、Mn的固溶强化和Nb的微合金化对原奥氏体晶粒的细化作用，保证钢管力学性能，并尽可能降低S、P等有害元素和气体含量［5-8］。

C是增加钢的淬透性、提高强度的元素，但含量超过0.2%时，钢的韧性会变差，同时C是影响CEIIW的主要元素，过高的C含量会降低材料的可焊性，增大焊接裂纹敏感性，所以在保证强度的前提下，C含量越低越好［9-11］，上限定为0.14%。

Mn是提高钢的强度及韧性的元素，对于这类钢，Mn含量应不低于0.5%；但Mn含量过高，焊接裂纹敏感性增强。所以，Mn含量的上限以1.40%为宜。

Mo可以提高淬透性，防止回火时强度降低。对微合金化钢来说一般不加入Mo，但对于厚壁结构钢通常会适量加入Mo以提高钢的淬透能力和回火稳定性，故其上限为0.15%。

V是最常用的微合金化元素，在调质工艺的情况下，强度强化特征更明显。因此，V含量一般在0.02%以上。但是，V含量过高会影响钢的焊接性能，所以将其上限定为0.08%［12］。

Nb元素通过细晶强化和沉淀强化提高强度，同时可改善钢的低温冲击韧性。但Nb元素还可以降低钢的热塑性，从而增加含铌钢铸坯的热裂倾向，因此将上限定为0.05%。

P、S是钢中的杂质元素，对钢的热塑性和成品的韧性有影响，应尽可能地减少其含量，控制P元素含量小于0.015%，S元素含量小于0.005%。

通过以上化学成分设计思路，TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管的化学成分设计最大值见表4。

表4 TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管的化学成分（质量分数）设计最大值 %

3 炼钢工艺

炼钢连铸坯采用EAF电弧炉冶炼-LF钢包精炼炉冶炼/VD真空脱气炉处理-CCM（连续浇注）工艺生产，为了确保开发的无缝钢管具有高的使用性能，炼钢过程中对成分含量、钢的纯净度、夹杂物含量严格控制，需要采取特殊的工艺措施，针对该情况决定采取以下几方面工艺控制措施。

为实现精确控制碳含量的目的，生产中电炉冶炼与精炼炉精炼精准匹配，要求电炉终点碳和氧的含量、炉内CO气体分压、电炉温度匹配，炉外精炼在VD采用调整氩气流量、增大浸渍管直径等手段保证夹杂物充分上浮，控制钢水的纯净度。

在电弧炉冶炼初期，温度较低，炉底加入造渣料，在吹氧条件下能形成脱磷脱硫渣，保证P、S的充分氧化。P与C在不同的温度条件下会出现选择氧化，其反应为2P+5CO=5C+P2O5，在温度一定的情况下，降低P2O5含量会使P优先于C氧化，在炼钢早期及时造好能使P2O5值低的高碱度、高氧化铁的熔渣，保证充分脱磷脱硫。

保证钢中Ca含量及弱搅时间，控制夹杂物级别及形态，加强连铸上下炉次之间的衔接管理，及时加入中包覆盖剂和结晶器保护渣，避免浇注过程中钢水的二次氧化。

4 轧制工艺

TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管的生产规格包括 Φ406.4 mm×11 mm、Φ406.4 mm×13 mm、Φ426 mm×12 mm、Φ450 mm×13 mm、Φ508 mm×13 mm、Φ530 mm×13 mm等。几何尺寸的精度会直接影响客户在施工现场的焊接质量和施工效率。为保证旋挖机正常工作，相邻钻杆套筒间的空隙要小，同时还要保证各节套筒能够自由伸缩，这对TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管的尺寸偏差及几何精度提出了特殊要求。

钢管采用PQF连轧管机组进行轧制，优化管坯在环形加热炉的加热制度，增加在炉时间，保证坯料加热均匀。穿孔机组通过顶头前伸量和轧辊压下量与导距的精确匹配，降低穿孔时的轧辊转速，提高了毛管质量。连轧管机组通过选用轧制中期优质轧辊，降低轧制节奏，保证芯棒预热均匀，增大石墨喷涂量以保证充分润滑，合理确定连轧管机架间的变形量分配，开启头尾削尖功能等手段，保证荒管壁厚不均度良好，定径机组采用高精度三辊定径机架，通过在通用机架后增加双规圆机架的方法保证产品外径满足用户要求。

5 热处理工艺

无缝钢管的热处理是建立在合理的温度区间进行的，该TP550RD钢种微合金化元素的加入及合理的热处理制度使金相组织中的第二相粒子充分析出，钉扎晶界，提高了材料的强度。通过实验室测定TP550RD钢种的奥氏体化转变终了温度Ac3为894℃，奥氏体化转变开始温度Ac1为721℃，并结合相关热处理经验进行小样试验室热处理工艺研究。TP550RD无缝钢管小样热处理试验力学性能见表5。

表5 TP550RD无缝钢管小样热处理试验力学性能

从表5可以看出，该钢种的力学性能很好地满足产品要求，小样实验室热处理淬火时冷却速度较现场生产快，冷却效果好，所以相同热处理制度下力学性能会高。结合现场生产实际情况，最终生产的热处理工艺为：920℃水淬，680℃回火空冷。TP550RD无缝钢管大生产成品性能见表6。

表6 TP550RD无缝钢管大生产成品性能

考虑到旋挖钻机可能在我国东北地区的严寒环境中使用，且使用时会受到交变应力，所以选取TP550RD成品钢管进行横、纵向系列冲击试验。TP550RD无缝钢管的低温韧-脆转变曲线如图1所示。可以看出钢管的韧-脆转变温度在-50℃以下，能保证在低温地区的正常使用。

此外，观察热处理后TP550RD成品钢管的金相组织，TP550RD无缝钢管的微观组织如图2所示，TP550RD无缝钢管的组织为典型的回火贝氏体。铁素体基体从组织上保证了钢管的韧性，贝氏体组织及细小的晶粒度确保了钢管优良的强度和韧性组合［13-16］。

图1 TP550RD无缝钢管的低温韧-脆转变曲线

图2 TP550RD无缝钢管的微观组织

6 用户使用情况

天津钢管已为用户开发生产了7个规格、共1 820 t的TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管，已被用户使用在其最新开发的第五代旋挖钻杆上。TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管突破了传统旋挖机钻杆用管强韧性不足、易断裂等缺点，产品尺寸精度高、机械性能优异、可焊性高，能够满足钻杆使用寿命超过3 000 h的要求。

7 结 语

天津钢管根据多年的生产实践和技术积累，为用户定制研发生产的TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管成分设计合理，其较低的碳含量和碳当量确保了产品具有高的可焊性；通过严格控制炼钢、轧管和热处理各工序，确保产品具有强度高、低温韧性好等特点。目前，生产的TP550RD旋挖机钻杆用无缝钢管已被用户使用在其最新开发的第五代旋挖钻杆上，能够满足钻杆使用寿命超过3 000 h要求。