從材質到連接方式-薄壁不銹鋼水管為什么能成為輸水管道應用選擇？

　　1.不銹鋼管的特點
 

　　1.1耐蝕性

　　不銹鋼含鉻，鉻氧化時，在不銹鋼表面形成一層致密的鉻氧化層，稱之鈍化層，厚（3-5）×10-6mm，阻止金屬繼續(xù)氧化，避免氧和鐵氧化后產生像碳鋼氧化后那樣疏松的氧化鐵，碳鋼疏松的氧化鐵不斷氧化生銹，不斷剝落。而不銹鋼因鉻的存在，產生致密的鉻鈍化層保護金屬不繼續(xù)氧化，不銹鋼鈍化膜在損壞后有自動恢復功能，故鉻的含量是不銹鋼管耐腐蝕的關鍵。銅和鋁也有致密鈍化層，但銅和鋁的強度比不銹鋼低。

　　1.2固溶是提高不銹鋼管耐腐蝕性能和韌性的關鍵

　　不銹鋼管大多采用含鎳超過百分之八的奧氏體不銹鋼制造，奧氏體不銹鋼中鐵素體含量一般不超過百分之八。圖1中左圖為體心立方鐵素體晶格，右圖為面心立方奧氏體晶格，在圖中立方體八個角為鐵原子，體心或面心為碳原子。在高溫下，碳鋼、合金鋼和不銹鋼均為面心立方的奧氏體晶格，一個立方體中有3個碳原子。如果是碳鋼和低合金鋼，奧氏體化后冷卻，鐵原子間距縮小，奧氏體收縮，轉變成只有一個原子碳的鐵素體晶格，很容易從奧氏體中析出碳化物。奧氏體不銹鋼因超過百分之八以上的鎳，鎳原子量為58.71，比鐵原子量55.847大，鎳原子在奧氏體晶格中置換鐵原子后，把奧氏體晶格撐大，當固溶加熱后噴水快速冷卻時，晶格快速收縮，碳來不及析出，把碳原子固定在奧氏體晶格內，這就是固溶。

　　如果奧氏體不銹鋼加熱后快速冷卻，碳原子固溶在奧氏體晶格內，碳化物不在晶界析出，避免生成碳化鉻，避免晶界鉻貧化，避免氧和鐵結合氧化，從而避免產生晶間腐蝕。同樣，奧氏體不銹鋼快速冷卻，碳原子固溶在奧氏體晶格內，晶界上沒有碳化物，金屬變形時沒有阻礙，因而不銹鋼變得很軟，延伸率大，韌性很好；而鐵素體基體的碳鋼淬火后，快速冷卻時，碳化物析出，韌性反而降低；冷卻愈快，析出碳化物愈粗，韌性愈低。故奧氏體不銹鋼固溶必須加熱后快速冷卻，從而避免碳化物析出。

　　1.3雙相不銹鋼管能夠耐氯離子腐蝕

　　由于鋼中存在的缺陷、雜質和溶質的不均勻性，使不銹鋼表面的鈍化膜在這些地方較為脆弱，當蝕坑超過臨界尺寸（數(shù)十微米），在含氯的腐蝕性溶液中容易被破壞，破壞的部分便成為活化的陽極，周圍區(qū)域為陰極區(qū)，陽極的面積非常小時，陽極的電流密度很大，活性溶解加速，遂成為許多針狀小孔，成為“孔蝕”。因Cl－離子半徑較小，穿透力很強，所以，很容易進入鈍化膜，吸附在金屬表面，進而與腐蝕生成的Fe2+離子形成強酸弱堿鹽，使微小環(huán)境更趨酸性，從而加速腐蝕過程。

　　不銹鋼中奧氏體組織含量和鐵素體組織含量各占一半的為雙相不銹鋼，圖2為雙相不銹鋼的金相照片，黑色為鐵素體，白色為奧氏體，雙相不銹鋼中存在二個相，呈層狀分布，一個相的存在阻止另一個相中裂紋的發(fā)展，裂紋在鐵素體相中擴展，需繞過島狀的奧氏體相，而奧氏體相起著屏障的作用，故雙相不銹鋼管能耐氯離子腐蝕。

　　2.厚壁不銹鋼管

　　2.1在輸水領域的應用

　　輸水領域包括城鎮(zhèn)建筑給排水和市政給排水。隨著社會對輸水質量要求的提高，對管道直飲水的迫切要求，排水中腐蝕介質的增多，愈來愈多的輸水管道采用不銹鋼管。所謂厚壁不銹鋼管，是指鋼管壁厚達到或超過鋼管車削螺紋所需厚度的不銹鋼管，厚壁不銹鋼管不僅可用焊接、法蘭、溝槽連接，并可螺紋連接。管道采用螺紋連接，安裝簡單，更換方便，而且牢固可靠。如圖3所示，當螺紋連接時，當扳手力臂長200mm，管螺紋擰一圈，手掌移動628mm，管體才前進了一個螺距2.309mm，相差272倍，管體的擰緊力為旋轉力的272倍，巨大的螺紋擰緊力確保管體和管件間螺紋擰緊后不滲漏。

　　在歐美地區(qū)城鎮(zhèn)輸水，從水廠至用戶，均采用厚壁不銹鋼管，在室內采用螺紋連接，在室外大口徑管，采用溝槽、法蘭和焊接，水可以直接飲用。但在國內，因厚壁不銹鋼管相對較貴，往往采用鍍鋅鋼管、襯塑復合鋼管、涂塑復合鋼管、塑料管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管代用，但因盛水超過48h，塑料表面易滋生細菌；塑料強度低，膨脹系數(shù)大，易老化；鍍鋅鋼管易生銹而產生黃水；球墨鑄鐵管承插部位水直接和鑄鐵接觸，表面涂覆的水泥和砂污染水質。故國內城鎮(zhèn)輸水還不能直接飲用。僅在一些高級的建筑，如上海環(huán)球金融中心大廈、上海中心大廈曾采用厚壁不銹鋼管。

　　目前出現(xiàn)的建筑內細水霧滅火系統(tǒng)，按GB/T26785-2011《細水霧滅火系統(tǒng)及部件通用技術條件》規(guī)定：氣體貯存壓力為15MPa，滅火時水噴出成霧狀，達到了滅火效果，又可避免滅火時噴水對室內物品的損害。由于細水霧滅火系統(tǒng)中內壓較高，又為避免管道鐵銹堵塞噴霧孔，細水霧滅火系統(tǒng)管道必須采用厚壁不銹鋼管。GB50898-2013《細水霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》中規(guī)定：系統(tǒng)的管道應采用不銹鋼管或銅管，并應符合現(xiàn)行國家標準《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》GB/T14976、《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》GB/T12771、《鍋爐、換熱器用不銹鋼無縫鋼管》GB13296和《銅及銅合金拉制管常用規(guī)格》GB/T1527的有關規(guī)定。

　　隨著建筑安裝人力成本的提高，材料成本在整體施工成本上所占比例在下降，很多地區(qū)在供水二次改造中，從水廠到用戶全部采用厚壁不銹鋼管，以達到供水能直接飲用的目的。如廣東省中山市小欖鎮(zhèn)在優(yōu)質供水的管網(wǎng)改造中，選擇采用螺紋連接的厚壁不銹鋼管，與熱鍍鋅鋼管相比，施工人力成本一樣，材料成本略有提高，但使用壽命提高很多，輸送水質大大提高。

　　2.2影響不銹鋼管質量的因素

　　不銹鋼管的質量主要受以下因素影響。

　　1）不銹鋼管坯料由電弧爐或中頻爐提供鋼水后在AOD爐中精煉，在AOD爐中通過吹氧脫碳沸騰，使鋼水中氣體夾雜物上浮到渣層。實際操作中，有時氧氣吹多了，再加硅鐵還原，反而產生更多的二氧化硅夾雜。

　　2）不銹鋼無縫管采用圓管坯進行二輥斜軋穿孔，金屬在斜軋時向外流動而成孔，當軋輥轉速太快，成孔速度超過了坯料前進速度，造成內孔與芯棒脫離而并未接觸，穿孔變形過程中內孔不受壓，易產生內孔裂紋。

　　3）不銹鋼無縫管通過冷拔冷軋來改變外徑和壁厚，冷拔冷軋后的加工硬化需通過固溶來消除；為避免鋼管彎曲，有的工廠在固溶后鋼管緩慢冷卻，碳化物沒有固溶在奧氏體晶粒中而在晶界析出，金屬再次變形時，析出的堅硬碳化物成為變形的阻力，在再次冷拔、冷軋時易產生裂紋。

　　4）不銹鋼連鑄板坯經(jīng)熱軋成中厚板，經(jīng)折彎成型并縱焊后即成為不銹鋼焊管。焊接時溫度太高，壁較厚時沒有采用分層焊，焊后沒及時用濕毛巾覆蓋冷卻，焊縫和熱影響區(qū)從高溫緩慢冷卻，奧氏體中碳化物析出至焊縫和熱影響區(qū)的晶界中，大大降低焊縫和熱影響區(qū)的韌性，并因此產生焊接裂紋。鋼管在對接焊安裝時，會由此而產生焊接裂紋。

　　2.3執(zhí)行標準

　　1）不銹鋼無縫鋼管執(zhí)行GB/T14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》，要求P≤百分之三點五，從而限制使用中頻爐生產不銹鋼無縫管坯料，中頻爐為脫磷需額外補鎳鐵和鉻鐵；要求進行液壓試驗或渦流探傷、晶間腐蝕式驗，以確保產品質量。

　　2）雙相不銹鋼無縫鋼管執(zhí)行GB/T20833-2008《奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼無縫鋼管》，主要牌號有：S22253、S22053、S25073；要求進行液壓試驗或渦流探傷、壓扁試驗、擴口試驗，以確保產品質量；規(guī)定組織應為奧氏體和鐵素體，奧氏體含量應占百分之40-百分之60。

　　3）不銹鋼焊接鋼管執(zhí)行GB/T12771-2008《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》，要求進行焊縫射線探傷，液壓試驗或渦流探傷、晶間腐蝕試驗，壓扁試驗、焊縫橫向彎曲試驗，以確保產品質量。

　　4）雙相不銹鋼焊接鋼管執(zhí)行GB/T20832-2008《奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼焊接鋼管》，主要牌號有：S22253、S22053、S25073；要求進行焊縫射線探傷，液壓試驗或渦流探傷、壓扁試驗、焊縫橫向彎曲試驗，以確保產品質量；規(guī)定組織應為奧氏體和鐵素體，奧氏體含量應占百分之40-百分之60。

　　3.薄壁不銹鋼管

　　3.1在輸水領域的應用

　　對于小口徑的不銹鋼管，如DN15-DN50的不銹鋼管，在城鎮(zhèn)供水中，如只承受1MPa以下的水壓，從強度計算發(fā)現(xiàn)，0.6-0.8mm厚度已足夠，但為車削螺紋，鋼管厚度至少2.5mm，國內很多企業(yè)開發(fā)采用卡壓連接的304不銹鋼薄壁飲用管，不采用螺紋連接，壁厚大大減薄，成為薄壁不銹鋼管。不銹鋼管表面形成致密的鈍化膜，阻止金屬繼續(xù)氧化；薄壁不銹鋼管重量為鍍鋅鋼管的1/3；長期使用不易結垢，表面拋光處理，外表靚麗大方；經(jīng)久耐用，耐大氣腐蝕和耐老化能力強；安裝簡單，壁薄造價低，可輸送熱水，管內不滋生細菌；故在住宅建設中，薄壁不銹鋼管得到了廣泛應用。薄壁不銹鋼管在DN15-DN50范圍中使用，壁薄鋼管價格經(jīng)濟，卡壓連接；變形充分，密封性好；比塑料管強度高、耐高溫、不易老化；比鍍鋅管耐腐蝕；不像雙金屬復合管會產生雙金屬電位差腐蝕。

　　3.2薄壁不銹鋼管連接

　　薄壁不銹鋼管經(jīng)卡壓后成六角狀的為卡壓式，承口的連接段連同插入的管材一起下凹變形后，在六角形的6個角增大摩擦阻力并抱死鎖緊，局部變形量大；為抗老化，密封圈已從硅橡膠發(fā)展至氯化丁基膠、三元乙丙膠；但卡壓前密封圈要放均勻，否則會引起局部泄漏；安裝后再拆卸比較困難；要注意密封圈的質量，要能耐高溫，以用于輸送熱水，并要避免老化；安裝時，工具的鉗口必須與管道處于垂直狀態(tài)，必須精心施工，圓周方向上施力均勻，以避免局部漏水。與采用螺紋連接的厚壁不銹鋼管相比，為提高密封可靠性，各企業(yè)開發(fā)了各種各樣的連接方式。有卡壓式和卡環(huán)式連接：經(jīng)卡環(huán)后成圓周環(huán)狀的為卡環(huán)式，圓周方向受力較均勻，整體上不易泄漏，但卡環(huán)后易轉動；經(jīng)卡壓后成六角狀的為卡壓式，如圖4所示，在六角形的6個角增大摩擦阻力抱死鎖緊，局部變形量大，以防止拔脫；但圓周方向壓緊不均勻，容易局部泄漏，為此，卡壓式從單卡壓式發(fā)展為雙卡式、雙密封多卡壓式、以及更可靠的焊接連接和溝槽連接。

　　3.3生產工藝和影響質量的關鍵

　　生產工藝采用生產小口徑焊管的輥式成型機組的連續(xù)焊接設備，逐漸將鋼帶卷成鋼筒，然后進行鎢極氬弧焊自動焊接，用高頻電壓引弧，用氣體保護焊接。

　　部分國內薄壁不銹鋼生產廠家的焊機具備內整平設備，可避免出現(xiàn)焊縫焊不透現(xiàn)象，內孔平潔，可提高內孔通水能力。所謂內整平設備，是與焊槍同步前進的整平頭可將熔化狀態(tài)的內焊縫在線壓平。

　　國內很多廠家的焊接生產線具備焊管固溶設備，在氨分解條件下，在氫氣和氮氣保護下，對鋼管進行中頻加熱，達到不銹鋼固溶溫度，然后在氫氣和氮氣保護下冷卻，使碳固溶在奧氏體中不析出，從而提高焊縫和熱影響區(qū)的韌性和耐蝕性。

　　焊接固溶設備應推廣安裝氫氣和氮氣的換熱器，氣體循環(huán)通過冷卻水池，以降低氫氣和氮氣的溫度，使鋼管在焊接后能快速冷卻，確保固溶后碳化物不析出而固溶在晶體內，使焊縫能提高韌性和耐蝕性，并可降低氫氣和氮氣消耗量。

　　3.4執(zhí)行標準

　　1）薄壁不銹鋼管管體執(zhí)行GB/T19228.2-2011《不銹鋼卡壓式管件組件第二部分連接用薄壁不銹鋼管》，標準規(guī)定了鋼管化學成分，規(guī)定了不同口徑的鋼管外徑和壁厚，要求進行液壓試驗或渦流探傷、壓扁試驗、擴口試驗、氣密試驗、晶間腐蝕試驗、鹽霧試驗，以確保產品質量。

　　2）GB/T29038-2012《薄壁不銹鋼管道技術規(guī)范》規(guī)定了：卡壓式D型和S型承口連接、環(huán)壓式連接、可曲撓螺紋連接、壓縮式管件連接、卡凸式管件連接、對接氬弧焊連接、承插氬弧焊連接的方法和要求。

　　4.內襯不銹鋼復合鋼管

　　4.1內襯不銹鋼復合鋼管在輸水領域的應用

　　內襯不銹鋼復合鋼管的外層為碳鋼管，內層為不銹鋼管，兼有碳鋼的強度和價廉特性，又有不銹鋼的耐腐蝕性和耐高溫性，在輸送飲用水、消防給水、高溫水、空調用水、污水等給水排水及蒸汽、燃氣等范圍得到廣泛的應用，加之成熟配套的連接方法，可采用螺紋、法蘭、溝槽、焊接連接，公稱尺寸已擴大到DN1400，內襯不銹鋼復合鋼管應用前景十分廣泛。

　　為解決城鎮(zhèn)居民二次供水存在的跑冒滴漏嚴重、供水服務不規(guī)范、水質二次污染風險高等突出問題，住房城鄉(xiāng)建設部、國家發(fā)展改革委、公安部、國家衛(wèi)生計生委日前聯(lián)合下發(fā)通知，要求各地加強和改進城鎮(zhèn)居民二次供水設施建設與管理，解決好城鎮(zhèn)供水“最后一公里”的水質安全問題，更好地保障生活飲用水質量。通知明確，城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)建設或改造時，設計供水壓力要滿足住宅用水的合理需求，減少因管網(wǎng)水壓過低而增建二次供水設施的數(shù)量；要對建設二次供水設施的必要性進行技術論證，在保障水質達標和供水管網(wǎng)運行安全的前提下，經(jīng)濟合理地選擇二次供水方式。與鍍鋅管、球墨鑄鐵管、碳鋼管相比，內襯不銹鋼復合鋼管耐蝕性和衛(wèi)生性大大提高，輸水阻力大大降低；與塑料管、襯塑管、涂塑管、薄壁不銹鋼管相比，內襯不銹鋼復合鋼管大大提高了使用壽命，避免塑料老化，降低漏水率。浙江紹興地區(qū)因全面推廣應用內襯不銹鋼復合鋼管，漏水率在全國最低。漏損率從2001年的百分之18.01降到2015年的百分之3.47。

　　內襯不銹鋼復合鋼管比鋼塑管，費用僅增加約百分之20，但鋼塑管易脫膠，鋼塑管中塑料易老化，塑料表面易滋生細菌。

　　內襯不銹鋼復合鋼管比薄壁不銹鋼管，費用約降低百分之30。薄壁不銹鋼管的卡壓連接與內襯不銹鋼復合鋼管的螺紋連接相比，卡壓連接的橡膠密封圈，易因安裝不均勻而泄漏，橡膠密封圈易老化，影響使用壽命。

　　4.2生產工藝和特點

　　1）旋壓成型

　　旋壓成型是采用較大內徑的基管嵌套較小外徑襯管，借助旋轉移動的模具對襯管施加壓力，實現(xiàn)基管和襯管間緊密結合的工藝方式。如圖5所示，隨著模具旋轉擠壓和軸向進給，內襯管由彈性變形狀態(tài)進入塑性變形狀態(tài)并貼緊外基管，同時外基管發(fā)生彈性變形，使基管和襯管緊密貼合。當模頭離開時，外基管彈性收縮，使外基管和內襯管之間緊密結合。與冷拔冷擴法相比，旋壓頭與復合管內壁的接觸為點接觸，壓強大，因而結合強度大。旋壓頭和旋壓頭上的滾柱都在旋轉，滾柱和復合管內部是滾動摩擦，而采用拉拔、擴孔的復合方法，為滑動磨擦，因而旋壓不易損壞復合管內表面，可以施加更大的壓力，這樣旋壓復合管層間結合強度大。

　　2）液壓成型

　　液壓成型是采用較大內徑的基管嵌套較小外徑襯管，經(jīng)過液壓施加壓力的加工方法，實現(xiàn)基管和襯管間緊密結合的工藝方式。目前，上海海隆石油管材研究所、番禺珠江鋼管有限公司、浙江久立特材有限公司采用液壓成型進行生產。關鍵是兩端有特殊的側向密封結構，使內壓在高壓下不泄漏。高壓水通過高壓腔進水口，進入由O型密封圈和密封膠圈組成的高壓腔內，在高壓水的作用下，密封圈徑向脹大。其外徑與復合管內管的內徑形成密封面，當高壓腔內壓力達到設定值時，通過脹合腔進水口，向脹合腔注水并加壓。

　　隨脹合腔內壓力升高，高壓腔內壓力也同步升高，當壓力升高到一定值時，內層管由彈性變形狀態(tài)進入塑性變形狀態(tài)，并貼緊外管；當管內壓力達到一定值時，外管發(fā)生彈性變形，兩管緊密貼合在一起，當內管壓力卸除后，如外層管彈性回復大于內層管的彈性回復，復合管內管與復合管外管緊密貼合，完成一支復合管的制造過程。側向密封，沒有軸向液壓力，不會破壞復合管端部。

　　3）爆燃成型

　　爆燃成型是將襯有薄壁不銹鋼管的碳鋼管兩端封住，將管內炸藥燃爆，炸藥的化學能在極短時間內轉化為對周圍介質的高溫高壓沖擊波，產生強大的脈沖應力，通過使內層不銹鋼管體積膨脹，發(fā)生塑性變形，黏結處金屬的局部擾動以及熱過程使內層不銹鋼管和外層碳鋼管緊密結合，完成成型過程。外模為42CrMo的鋼模經(jīng)調質后加工制成，當引爆后，復合管壁迅速貼模過程中，空氣受壓縮產生熱點，將灼傷鋼管表面。因此，外模兩端安裝密封端蓋，留有抽氣孔，爆炸前先將空氣抽出，抽空到0.1Pa以下。

　　采用2mm厚塑料板固定炸藥，炸藥在塑料板上均勻條狀布置，采用單發(fā)電雷管直接起爆，通過導爆索使全部炸藥起爆。把外模放在水池中，可降低噪音和溫度。

　　4）復合板（帶）成型焊接復合

　　復合板（帶）成型焊接復合是基層和覆層鋼板或鋼帶在熱軋或爆炸過程中冶金熔合成一體的復合鋼板或鋼帶，復合鋼板或鋼帶經(jīng)成型后，再焊接成復合鋼管。熱軋不銹鋼復合板卷將碳鋼板坯和不銹鋼板坯疊合在一起，夾層中有金屬黏結層，在四周封焊后抽真空至0.1Pa，加熱至軋制溫度，在軋機中進行大壓下量的軋制，每道次壓下百分之20-百分之30，總壓縮比達到15-20。軋制后復層淋水冷卻，碳鋼板和不銹鋼板復合在一起，結合強度可超過200MPa。

　　5）內旋壓熱熔合工藝

　　內旋壓熱熔合工藝是內旋壓成型復合過程中經(jīng)高溫加熱，實現(xiàn)基管與覆層間冶金熔合成一體的復合方式。通過高溫相變與擴散作用，在外基管和內襯管的交界面上發(fā)生合金元素的相互擴散以及相變，實現(xiàn)高結合力的冶金復合，基管和內復管之間結合強度可超過140MPa，成為無縫隙、無間隔的整體金屬管，夾層中不會進入潮氣。