不锈钢管在输水领域的应用

不锈钢管在输水领域的应用
1 不锈钢管的特点
1.1 耐蚀性
不锈钢含铬，铬氧化时，在不锈钢表面形成一层致密的铬氧化层，称之钝化层，厚（3-5）×10-6mm，阻止金属继续氧化，避免氧和铁氧化后产生像碳钢氧化后那样疏松的氧化铁，碳钢疏松的氧化铁不断氧化生锈，不断剥落。而不锈钢因铬的存在，产生致密的铬钝化层保护金属不继续氧化，不锈钢钝化膜在损坏后有自动恢复功能，故铬的含量是不锈钢管耐腐蚀的关键。铜和铝也有致密钝化层，但铜和铝的强度比不锈钢低。
1.2 固溶是****不锈钢管耐腐蚀性能和韧性的关键
不锈钢管大多采用含镍超过8%的奥氏体不锈钢制造，奥氏体不锈钢中铁素体含量一般不超过8%。图1中左图为体心立方铁素体晶格，右图为面心立方奥氏体晶格，在图中立方体八个角为铁原子，体心或面心为碳原子。在高温下，碳钢、合金钢和不锈钢均为面心立方的奥氏体晶格，一个立方体中有3个碳原子。如果是碳钢和低合金钢，奥氏体化后冷却，铁原子间距缩小，奥氏体收缩，转变成只有一个原子碳的铁素体晶格，很容易从奥氏体中析出碳化物。奥氏体不锈钢因含8%以上的镍，镍原子量为58.71，比铁原子量55.847大，镍原子在奥氏体晶格中置换铁原子后，把奥氏体晶格撑大，当固溶加热后喷水快速冷却时，晶格快速收缩，碳来不及析出，把碳原子固定在奥氏体晶格内，这就是固溶。

如果奥氏体不锈钢加热后快速冷却，碳原子固溶在奥氏体晶格内，碳化物不在晶界析出，避免生成碳化铬，避免晶界铬贫化，避免氧和铁结合氧化，从而避免产生晶间腐蚀。同样，奥氏体不锈钢快速冷却，碳原子固溶在奥氏体晶格内，晶界上没有碳化物，金属变形时没有阻碍，因而不锈钢变得很软，延伸率大，韧性很好；而铁素体基体的碳钢淬火后，快速冷却时，碳化物析出，韧性反而降低；冷却愈快，析出碳化物愈粗，韧性愈低。故奥氏体不锈钢固溶必须加热后快速冷却，从而避免碳化物析出。
1.3 双相不锈钢管能够耐氯离子腐蚀
由于钢中存在的缺陷、杂质和溶质的不均匀性，使不锈钢表面的钝化膜在这些地方较为脆弱，当蚀坑超过临界尺寸（数十微米），在含氯的腐蚀性溶液中容易被*，*的部分便成为活化的阳****，周围区域为阴****区，阳****的面积非常小时，阳****的电流密度很大，活性溶解加速，遂成为许多针状小孔，成为“孔蚀”。因Cl－离子半径较小，穿透力很强，所以，很容易进入钝化膜，吸附在金属表面，进而与腐蚀生成的Fe2+离子形成强酸弱碱盐，使微小环境更趋酸性，从而加速腐蚀过程。
不锈钢中奥氏体*含量和铁素体*含量各占一半的为双相不锈钢，图2为双相不锈钢的金相照片，黑色为铁素体，白色为奥氏体，双相不锈钢中存在二个相，呈层状分布，一个相的存在阻止另一个相中裂纹的发展，裂纹在铁素体相中扩展，需绕过岛状的奥氏体相，而奥氏体相起着屏障的作用，故双相不锈钢管能耐氯离子腐蚀。

2 厚壁不锈钢管
2.1 在输水领域的应用
输水领域包括城镇建筑给排水和市政给排水。随着社会对输水质量要求的****，对管道直饮水的迫切要求，排水中腐蚀介质的增多，愈来愈多的输水管道采用不锈钢管。所谓厚壁不锈钢管，是指钢管壁厚达到或超过钢管车削螺纹所需厚度的不锈钢管，厚壁不锈钢管不仅可用焊接、法兰、沟槽连接，并可螺纹连接。管道采用螺纹连接，安装简单，更换方便，而且牢固可靠。如图3所示，当螺纹连接时，当扳手力臂长200mm，管螺纹拧一圈，手掌移动628mm，管体才前进了一个螺距2.309mm，相差272倍，管体的拧紧力为旋转力的272倍，巨大的螺纹拧紧力确保管体和管件间螺纹拧紧后不渗漏。

在欧美地区城镇输水，从水厂至用户，均采用厚壁不锈钢管，在室内采用螺纹连接，在室外大口径管，采用沟槽、法兰和焊接，水可以直接饮用。但在国内，因厚壁不锈钢管相对较贵，往往采用镀锌钢管、衬塑复合钢管、涂塑复合钢管、塑料管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管代用，但因盛水超过48h，塑料表面易滋生*；塑料强度低，膨胀系数大，易老化；镀锌钢管易生锈而产生黄水；球墨铸铁管承插部位水直接和铸铁接触，表面涂覆的水泥和砂污染水质。故国内城镇输水还不能直接饮用。仅在一些*的建筑，如上海环球中心大厦、上海中心大厦曾采用厚壁不锈钢管。
目前出现的建筑内细水雾灭火系统，按GB/T 26785-2011《细水雾灭火系统及部件通用技术条件》规定：气体贮存压力为15MPa，灭火时水喷出成雾状，达到了灭火效果，又可避免灭火时喷水对室内物品的损害。由于细水雾灭火系统中内压较高，又为避免管道铁锈堵塞*孔，细水雾灭火系统管道必须采用厚壁不锈钢管。GB50898-2013《细水雾灭火系统技术规范》中规定：系统的管道应采用不锈钢管或铜管，并应符合现行*标准《流体输送用不锈钢无缝钢管》GB/T14976、《流体输送用不锈钢焊接钢管》GB/T12771、《锅炉、换热器用不锈钢无缝钢管》GB13296和《铜及铜合金拉制管常用规格》GB/T1527的有关规定。
随着建筑安装人力成本的****，材料成本在整体施工成本上所占比例在下降，很多地区在供水二次改造中，从水厂到用户全部采用厚壁不锈钢管，以达到供水能直接饮用的目的。如广东省中山市小榄镇在****供水的管网改造中，选择采用螺纹连接的厚壁不锈钢管，与热镀锌钢管相比，施工人力成本一样，材料成本略有****，但使用寿命****很多，输送水质大大****。
2.2 影响不锈钢管质量的因素
不锈钢管的质量主要受以下因素影响。
1）不锈钢管坯料由电弧炉或中频炉提供钢水后在AOD炉中精炼，在AOD炉中通过吹氧脱碳沸腾，使钢水中气体夹杂物上浮到渣层。实际操作中，有时氧气吹多了，再加硅铁还原，反而产生更多的二氧化硅夹杂。
2）不锈钢无缝管采用圆管坯进行二辊斜轧穿孔，金属在斜轧时向外流动而成孔，当轧辊转速太快，成孔速度超过了坯料前进速度，造成内孔与芯棒脱离而并未接触，穿孔变形过程中内孔不受压，易产生内孔裂纹。
3）不锈钢无缝管通过冷拔冷轧来改变外径和壁厚，冷拔冷轧后的加工硬化需通过固溶来消除；为避免钢管弯曲，有的工厂在固溶后钢管缓慢冷却，碳化物没有固溶在奥氏体晶粒中而在晶界析出，金属再次变形时，析出的坚硬碳化物成为变形的阻力，在再次冷拔、冷轧时易产生裂纹。
4）不锈钢连铸板坯经热轧成中厚板，经折弯成型并纵焊后即成为不锈钢焊管。焊接时温度太高，壁较厚时没有采用分层焊，焊后没及时用湿毛巾覆盖冷却，焊缝和热影响区从高温缓慢冷却，奥氏体中碳化物析出至焊缝和热影响区的晶界中，大大降低焊缝和热影响区的韧性，并因此产生焊接裂纹。钢管在对接焊安装时，会由此而产生焊接裂纹。
2.3 执行标准
1）不锈钢无缝钢管执行GB/T14976-2012《流体输送用不锈钢无缝钢管》，要求P≤0.035%，从而限制使用中频炉生产不锈钢无缝管坯料，中频炉为脱磷需额外补镍铁和铬铁；要求进行液压试验或涡流探伤、晶间腐蚀式验，以确保产品质量。
2）双相不锈钢无缝钢管执行GB/T20833-2008《奥氏体-铁素体型双相不锈钢无缝钢管》，主要牌号有：S22253、S22053、S25073；要求进行液压试验或涡流探伤、压扁试验、扩口试验，以确保产品质量；规定*应为奥氏体和铁素体，奥氏体含量应占40%-60%。
3）不锈钢焊接钢管执行GB/T12771-2008《流体输送用不锈钢焊接钢管》，要求进行焊缝射线探伤，液压试验或涡流探伤、晶间腐蚀试验，压扁试验、焊缝横向弯曲试验，以确保产品质量。
4）双相不锈钢焊接钢管执行GB/T20832-2008《奥氏体-铁素体型双相不锈钢焊接钢管》，主要牌号有：S22253、S22053、S25073；要求进行焊缝射线探伤，液压试验或涡流探伤、压扁试验、焊缝横向弯曲试验，以确保产品质量；规定*应为奥氏体和铁素体，奥氏体含量应占40%-60%。
3 薄壁不锈钢管
3.1 在输水领域的应用
对于小口径的不锈钢管，如DN15-DN50的不锈钢管，在城镇供水中，如只承受1MPa以下的水压，从强度计算发现，0.6-0.8mm厚度已足够，但为车削螺纹，钢管厚度至少2.5mm，国内很多企业开发采用卡压连接的不锈钢管，不采用螺纹连接，壁厚大大减薄，成为薄壁不锈钢管。不锈钢管表面形成致密的钝化膜，阻止金属继续氧化；薄壁不锈钢管重量为镀锌钢管的1/3；长期使用不易结垢，表面抛光处理，外表靓丽大方；经久*，耐大气腐蚀和耐老化能力强；安装简单，壁薄造价低，可输送热水，管内不滋生*；故在住宅建设中，薄壁不锈钢管得到了广泛应用。薄壁不锈钢管在DN15-DN50范围中使用，壁薄钢管价格经济，卡压连接；变形充分，密封性好；比塑料管强度高、耐高温、不易老化；比镀锌管耐腐蚀；不像双金属复合管会产生双金属电位差腐蚀。
3.2 薄壁不锈钢管连接
薄壁不锈钢管经卡压后成六角状的为卡压式，承口的连接段连同插入的管材一起下凹变形后，在六角形的6个角*摩擦阻力并抱死锁紧，局部变形量大；为*老化，密封圈已从硅橡胶发展至氯化丁基胶、三元乙丙胶；但卡压前密封圈要放均匀，否则会引起局部泄漏；安装后再拆卸比较困难；要注意密封圈的质量，要能耐高温，以用于输送热水，并要避免老化；安装时，工具的钳口必须与管道处于垂直状态，必须精心施工，圆周方向上施力均匀，以避免局部漏水。与采用螺纹连接的厚壁不锈钢管相比，为****密封可靠性，各企业开发了各种各样的连接方式。有卡压式和卡环式连接：经卡环后成圆周环状的为卡环式，圆周方向受力较均匀，整体上不易泄漏，但卡环后易转动；经卡压后成六角状的为卡压式，如图4所示，在六角形的6个角*摩擦阻力抱死锁紧，局部变形量大，以****拔脱；但圆周方向压紧不均匀，容易局部泄漏，为此，卡压式从单卡压式发展为双卡式、双密封多卡压式、以及更可靠的焊接连接和沟槽连接。

3.3 生产工艺和影响质量的关键
生产工艺采用生产小口径焊管的辊式成型机组的连续焊接设备，逐渐将钢带卷成钢筒，然后进行钨*****弧焊自动焊接，用高频电压引弧，用气体保护焊接。
国内生产薄壁不锈钢部分厂家的焊机具备内整平设备，可避免出现焊缝焊不透现象，内孔平洁，可****内孔通水能力。所谓内整平设备，是与焊枪同步前进的整平头可将熔化状态的内焊缝在线压平。
国内很多厂家的焊接生产线具备焊管固溶设备，在氨分解条件下，在氢气和氮气保护下，对钢管进行中频加热，达到不锈钢固溶温度，然后在氢气和氮气保护下冷却，使碳固溶在奥氏体中不析出，从而****焊缝和热影响区的韧性和耐蚀性。
焊接固溶设备应推广安装氢气和氮气的换热器，气体循环通过冷却水池，以降低氢气和氮气的温度，使钢管在焊接后能快速冷却，确保固溶后碳化物不析出而固溶在晶体内，使焊缝能****韧性和耐蚀性，并可降低氢气和氮气消耗量。
3.4 执行标准
1）薄壁不锈钢管管体执行GB/T19228.2-2011《不锈钢卡压式管件组件 第二部分 连接用薄壁不锈钢管》，标准规定了钢管化学成分，规定了不同口径的钢管外径和壁厚，要求进行液压试验或涡流探伤、压扁试验、扩口试验、气密试验、晶间腐蚀试验、盐雾试验，以确保产品质量。
2）GB/T29038-2012《薄壁不锈钢管道技术规范》规定了：卡压式D型和S型承口连接、环压式连接、可曲挠螺纹连接、压缩式管件连接、卡凸式管件连接、对接*弧焊连接、承插*弧焊连接的方法和要求。
4 内衬不锈钢复合钢管
4.1 内衬不锈钢复合钢管在输水领域的应用
内衬不锈钢复合钢管的外层为碳钢管，内层为不锈钢管，兼有碳钢的强度和价廉特性，又有不锈钢的耐腐蚀性和耐高温性，在输送饮用水、消防给水、高温水、空调用水、污水等给水排水及蒸汽、燃气等范围得到广泛的应用，加之成熟配套的连接方法，可采用螺纹、法兰、沟槽 、焊接连接，公称尺寸已扩大到DN1400，内衬不锈钢复合钢管应用前景十分广泛。
为解决城镇居民二次供水存在的跑冒滴漏严重、供水服务不规范、水质二次污染风险高等突出问题，住房城乡建设部、*发展改革委、、*卫生计生委日前联合下发通知，要求各地加强和改进城镇居民二次供水设施建设与管理，解决好城镇供水“****后一公里”的水质安全问题，更好地保障生活饮用水质量。通知明确，城镇供水管网建设或改造时，设计供水压力要满足住宅用水的合理需求，减少因管网水压过低而增建二次供水设施的数量；要对建设二次供水设施的必要性进行技术论证，在保障水质达标和供水管网运行安全的前提下，经济合理地选择二次供水方式。与镀锌管、球墨铸铁管、碳钢管相比，内衬不锈钢复合钢管耐蚀性和卫生性大大****，输水阻力大大降低；与塑料管、衬塑管、涂塑管、薄壁不锈钢管相比，内衬不锈钢复合钢管大大****了使用寿命，避免塑料老化，降低漏水率。浙江绍兴地区因*推广应用内衬不锈钢复合钢管，漏水率在全国。漏损率从2001年的18.01%降到2015年的3.47%。
内衬不锈钢复合钢管比钢塑管，费用仅增加约20%，但钢塑管易脱胶，钢塑管中塑料易老化，塑料表面易滋生*。
内衬不锈钢复合钢管比薄壁不锈钢管，费用约降低30%。薄壁不锈钢管的卡压连接与内衬不锈钢复合钢管的螺纹连接相比，卡压连接的橡胶密封圈，易因安装不均匀而泄漏，橡胶密封圈易老化，影响使用寿命。
4.2 生产工艺和特点
1）旋压成型
旋压成型是采用较大内径的基管嵌套较小外径衬管，借助旋转移动的模具对衬管施加压力，实现基管和衬管间紧密结合的工艺方式。如图5所示，随着模具旋转挤压和轴向进给，内衬管由弹性变形状态进入塑性变形状态并贴紧外基管，同时外基管发生弹性变形，使基管和衬管紧密贴合。当模头离开时，外基管弹性收缩，使外基管和内衬管之间紧密结合。与冷拔冷扩法相比，旋压头与复合管内壁的接触为点接触，压强大，因而结合强度大。旋压头和旋压头上的滚柱都在旋转，滚柱和复合管内部是滚动摩擦，而采用拉拔、扩孔的复合方法，为滑动磨擦，因而旋压不易损坏复合管内表面，可以施加更大的压力，这样旋压复合管层间结合强度大。

2）液压成型
液压成型是采用较大内径的基管嵌套较小外径衬管，经过液压施加压力的加工方法，实现基管和衬管间紧密结合的工艺方式。目前，上海海隆石油管材研究所、番禺珠江钢管有限公司、浙江久立特材有限公司采用液压成型进行生产。关键是两端有特殊的侧向密封结构，使内压在高压下不泄漏。高压水通过高压腔进水口，进入由O型密封圈和密封胶圈组成的高压腔内，在高压水的作用下，密封圈径向胀大。其外径与复合管内管的内径形成密封面，当高压腔内压力达到设定值时，通过胀合腔进水口，向胀合腔注水并加压。
随胀合腔内压力升高，高压腔内压力也同步升高，当压力升高到一定值时，内层管由弹性变形状态进入塑性变形状态，并贴紧外管；当管内压力达到一定值时，外管发生弹性变形，两管紧密贴合在一起，当内管压力卸除后，如外层管弹性回复大于内层管的弹性回复，复合管内管与复合管外管紧密贴合，完成一支复合管的制造过程。侧向密封，没有轴向液压力，不会*复合管端部。
3）爆燃成型
爆燃成型是将衬有薄壁不锈钢管的碳钢管两端封住，将管内燃爆，的化学能在****短时间内转化为对周围介质的高温高压冲击波，产生强大的脉冲应力，通过使内层不锈钢管体积膨胀，发生塑性变形，黏结处金属的局部扰动以及热过程使内层不锈钢管和外层碳钢管紧密结合，完成成型过程。外模为42CrMo的钢模经调质后加工制成，当引爆后，复合管壁迅速贴模过程中，空气受压缩产生热点，将灼伤钢管表面。因此，外模两端安装密封端盖，留有抽气孔，前先将空气抽出，抽空到0.1Pa以下。
采用2mm厚塑料板固定，在塑料板上均匀条状布置，采用单发电直接起爆，通过使全部起爆。把外模放在水池中，可降低噪音和温度。
4）复合板（带）成型焊接复合
复合板（带）成型焊接复合是基层和覆层钢板或钢带在热轧或过程中冶金熔合成一体的复合钢板或钢带，复合钢板或钢带经成型后，再焊接成复合钢管。热轧不锈钢复合板卷将碳钢板坯和不锈钢板坯叠合在一起，夹层中有金属黏结层，在四周封焊后抽真空至0.1Pa，加热至轧制温度，在轧机中进行大压下量的轧制，每道次压下20%-30%，总压缩比达到15-20。轧制后复层淋水冷却，碳钢板和不锈钢板复合在一起，结合强度可超过200MPa。
5）内旋压热熔合工艺
内旋压热熔合工艺是内旋压成型复合过程中经高温加热，实现基管与覆层间冶金熔合成一体的复合方式。通过高温相变与扩散作用，在外基管和内衬管的交界面上发生合金元素的相互扩散以及相变，****终实现高结合力的冶金复合，基管和内复管之间结合强度可超过140MPa，成为无缝隙、无间隔的整体金属管，夹层中不会进入潮气。 


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