论钢管的制造与应用直径由米变为纳米外文翻译.docx
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论钢管的制造与应用直径由米变为纳米外文翻译
本科生毕业设计外文翻译
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
论钢管的制造与应用：
直径由米变为纳米
JulfikarHaider,MSJHashmi
材料加工研究中心，都柏林城市大学，都柏林-9，爱尔兰
机械及制造工程学院，都柏林城市大学，都柏林-9，爱尔兰
摘要：
将管材与管子应用于各种工业领域已经有很长时间的历史了。
目前人们正致力于研究制造管材与管子的新方法，并且对现有制造方法的改进工作仍在继续。
一般来说，制造金属管材与管子的方法有两种，即无缝和焊接。
制造各种不同的粗管与细管程序优劣并重。
管材与管子的大小和形状取决于实际需求。
粗管与细管的外围直径可能是几米甚至是几纳米。
在当今市场前提下，要达到生产成本低，产量高，粗管和细管业都面临着巨大的挑战。
其中有些挑战来自最终用户，因为他们对管道的形状和大小有着各种不同的要求。
同时，有些管道需要用特殊材料制造，并要求制造商提高产品质量。
本文将就粗管与细管生产在制造，加工，利用，质量控制，处理，成本和安全管材生产等不同方面做简单的回顾以提供一个与这些问题相关的总的想法。
关键词：
管材细管无缝焊接焊管制造碳纳米管
引言：
管这个词来源与拉丁文“tuba”，其意思是一个管子或是空心圆柱。
粗管与细管这两个词紧密联系，有时候，做一个意思使用。
粗管是指任何形状的空心材料的均匀壁厚和界定的外径和壁厚尺寸。
然而，管子是一种环形管材。
一般说来，管材和管指各自空心部分有较小或较大的外围直径。
管材的横切面可以有许多种形状，像正方形，长方形，椭圆，圆形，锥形或是任何一种特殊的形状（例如：
六边形）。
管材和管子的外围直径可能是几米长，也可以是几纳米长。
在当今科技中，管材和管子在传输液体中有很重要的作用。
根据他们不同的用途，他们由各种各样的材料制成并且尺寸大小不一。
通常金属材质的管道是需求量最大的。
最早的管子是由竹子做成的。
早在公元前5000年，中国人主要用它来装水。
公元前3000年，埃及人制造了第一个金属管——铜管。
管道与管材也应用于建筑，桥梁，汽车和航天事业。
当我们将管道与管子应用于特殊领域时，要注意以下几点：
强度（拉伸和压缩），屈服点，伸长率（纵向和横向），成型极限，抗变形（例：
屈曲，起皱，爆破），抗腐蚀性和良好的可焊性。
制作管材和管的材料主要分为金属材料和非金属材料。
金属材料又分为黑色金属（生铁，熟铁和钢）和有色金属。
像：
铜，铝，铜锌合金，铅或合金铜，钛，镁。
同时，非金属材料包括朔料，水泥，粘土，木材，玻璃，纸张和竹子等。
在今天的市场上，管材和管道面临着许多挑战。
首先就是最终使用者需要各种形状和尺寸的管材。
当人们需要不规则形状或不大不小的管材时，管材生产商陷入了复杂局面。
第二，人们对特殊材料的管材的需要已非常普遍，而生产这样的管材需要特殊的技术。
面对这样的挑战，生产商需要优化工具，先进的生产技术和质量控制技术。
本文将就管道和管材的生产和应用做简单的介绍。
管道和管材的生产过程:
在过去的几十年，为了提高生产水平，在产品质量，工序和自动化等方面已取得可喜的进步。
在下文中将简要介绍不同的制管材料和管的加工工艺。
金属管材和管子的生产过程分为无缝制造和焊接制造。
无缝管材和管子
无缝管的制造开始于高温加热金属材料，经过高温加热的钢坯,通过穿孔机时,边旋转边前进,由于金属的流动,在芯棒作用下制出空心壳，然后把这个壳放入特定的加热或冷却室中，这样可得到需要的厚度和尺度。
（图1）
图1制造无缝管的基本步骤
到19世纪末，无缝钢管制造过程得到广泛应用。
现在，越来越多的方法应用于
不同材料和不同直径的管加工中。
在那些方法中，以下几种更常见：
限动芯棒连轧工艺和（外围直径大约在21厘米到178厘米）有可控制的浮动芯棒连轧工艺（外径大小在140mm到400mm之间）[1]
无缝管主要壁厚从小到大，尺寸在650mm左右[1]在无缝制造成型过程中，圆管坯出炉后要经过压力穿孔机进行穿空，即将加热好的管坯放在密闭的挤压圆筒内，穿孔棒与挤压杆一起运动，使挤压件从较小的模孔中挤出，形成钢管。
挤压管外径约230毫米。
另一种制造无缝管的方法是铸造，离心铸造是最常见的方法，用来制造材质为灰色铸铁或韧性差的管[2]。
与其他任何铸造工艺相比，离心铸造管金属补缩效果好，金属利用率达到百分之百。
[3]。
无缝管有好的圆周方向，因此具有很高的耐内压力性和抗扭转。
在无缝钢管生产工艺中，轴的使用寿命是决定管的质量的一个重要因素。
在优化顶杆位置，轧辊几何形状，轧制速度等方面减少了轴的磨损，先进的硬质涂层的轴的使用对寿命也有重大影响。
焊接管材和管
焊接管是通过焊接各种金属段或块儿成管状的过程（图2）。
焊接管的直径在6毫米到2500毫米之间，壁厚大约是0.5毫米到40毫米之间[1]。
现在，世界上大约有三分之二的钢管是焊接制造的。
图2焊接钢管的基本生产步骤
根据成型方法的不同，焊接管的制造分为纵向焊接和螺旋焊接。
在纵向焊接方法中，先把金属块或段弯曲成管状，然后沿纵缝线焊接。
螺旋式焊接管的方法是把材料做成一个简易螺旋形，使原料不断的弯曲，然后沿着螺旋焊缝焊接。
焊接钢管的制造，其物理性能和表面光洁度要求是平整和光滑，以实现所需的表面光洁度和性能要求。
与纵向焊管的制造不同的是，螺旋焊管管径需要一定尺寸，即各种管径的螺旋焊管,对带钢原料的宽度与管径比的要求为1：
2和1:
2.2[1]。
然而，纵向焊管是限制在最大长度约1500毫米到2000毫米之间。
螺旋焊管已没有这样的限制，但是，螺旋焊管限于高压应用。
焊接管过程的选择很大程度上取决于焊接的材质和最终用途。
在焊接管中主要方法是对焊，电阻焊接，感应焊接，激光焊，埋弧焊，超声波焊接，气体保护焊（惰气保护金属电弧焊和气体遮蔽钨弧焊）和气体保护焊接与埋弧焊接的综合。
特别是材料为铜和黄铜的焊接管,是用锌铜合金铅焊或低温焊接接口。
焊接方法正在改进，以便提高操作速度，使用激光技术，制导系统和自动焊接机做高质量的焊接。
在形成厚板的过程中，厚度减小，边缘变形。
这对焊接有很坏的影响。
优化边缘形状必须先获得一个好的焊接区，这样在形成厚板期间在边缘没有任何变形和厚度的减少[4]。
管材与管子的加工
制造完成后，管加工要通过多次操作，例如，退火，涂层沉积切割，弯曲，矫直，成型等，使之适合于任何特定的高端应用。
把管切割成所需尺寸要使用锯或切割旋转切削车床等[5]激光切割的应用越来越普遍，精度高、切削宽度较小是它的主要优点[6]。
用管件液压成型法[7]制造汽车上各种各样的不同的部件的方法应用是日益增多，包括悬架，车身结构，列车动力部件和排气管（图3a）。
激光成型技术[8]也应用在简单和复杂形状的管的生产中。
弯曲管材已成为越来越受欢迎的制备方法，如切割和焊接的标准配件，由于其较低的成本和更快的处理速度。
最常用的方法是弯管拉拔弯曲，诱导弯曲，弯辊，增量弯曲和压缩弯曲。
影响弯曲过程的因素是壁厚、弯曲方法、大小、加工、润滑等[9]计算机数值控制正被用于自动操作的精确控制的形状和大小的非金属管生产中（图3b）。
涂料适用于管状产品的腐蚀防护，产品美学，以及以改变物理性能为特定目的的管材。
今天最流行的涂料生产中使用的管状的产品包括锌和锌/铝涂层，水性乳胶涂料，水还原/水溶性涂料，溶剂涂料，辐射固化涂料，粉末涂料或PVC涂料[10]。
由于创新的涂层技术;生产商现在可以利用在线生产，以减少或消除的许多费用。
图3（a）为汽车应用的Hydroformed管状部分[11]和（b）旋转弯曲管[12]。
非金属管和管子
塑料管和排水管采用许多不同的塑料化合物，如聚氯乙烯（PVC），聚乙烯，聚四氟乙烯（PTFE），聚丙烯（PP）等,在气动、液压、家庭生活、医疗和其他许多专门的领域应用。
塑料管道的特点包括防静电，易卷缠，易弯曲，防爆，多元素，多层，防火性和无毒。
塑料管道的制造基本程序是铸模，按模打造，形成毛坯，挤压成型。
在挤压成型这一步，开始的原始的聚合物材料是经过一系列的过程加工，烘干填入漏斗，然后放入一个挤压机，由挤压机加热，融化，混合，然后将材料传输到冲模，将其压成管子。
冷却和一系列接下来的工作是使挤压管子完成最后的管状产品。
纯聚合物管道承受不了如自动工业所需的较高的负荷，生产商品依靠传统的金属材料，将复合管道中加入由有机的或非有机纤维（如人造玻璃纤维）以加强质量。
因为较高的坚硬度和较低的重量聚合物制成的复合型管道较受欢迎，生产过程是铸模，按模打造技术。
混凝土管道是用途最多的，最耐用的也是最经济的管道，可以用来运输水，工业垃圾，废水，由于科技和设计的进步，混凝土管道的使用在世界范围内容都有所增加。
例如，设计恰当的地下管道在许多年都不需要保养或在操作上花费任何费用。
当今，有三种常用流程来制造预制混凝土管道，传统的混凝土管道由金属或飞灰来代替水泥以使其寿命更长，更结实。
纸管道是由自动风机的螺旋风制成的，用粘合设备并用自动切割机切成具体的长度，最后切开，打磨，这些都取决于不同的要求，在工业中有许多应用纸管道的时候，如织物的纱，黄麻纤维，纺织工业中的地毯，传真卷，电报卷，卫生纸，新闻纸，纸工业的材料用纸，涤纶模，包装工业用的铝箔纸，其他的应用包括双温管，电子核心，用于民用的贮存管道和运输管道。
发展现状
在过去的十几年中，我们目睹了管道制造的发展，为了满足更高的挑战，在新材料，尺寸与形状，制造程序和质量控制方面都进行了改进。
管道有高温和低温的需求，如在一些寒冷地区（阿拉斯加，南极）的发电站，天然气勘察和深海的探查。
为制造出适合这些情况使用的管材，管材业面临着挑战，几百毫米厚的管道由许多不同材料粘合在一起，以满足人们的需求，管道内外有不同的性能，这时候，单一材料就无法满足需要了。
如锅炉中的大功率加热器，要选择内外层恰当的材料，防腐蚀和高物理强度的材料是最理想的管道材料以满足相矛盾的物质需求，不锈钢在这方面占据了主导地位。
图4大直径管道的需求在不同的时期应用（1998年）在美国（来源：
弗里多尼亚产业研究报告1146号）
几百毫米到几米的大直径管道继续发展，以满足严格的净水要求，以修复老化的，废弃的污水管和排水系统，还有用于严格的环境法规和日益增长的能源需求，还需要用于运输天然气等。
建筑和运输都促进了大直径管道的发展。
暴雨污水管自然是需要大直径管道的主要方面。
（图四）
用金属或纤维加强的混泥土管道在地下应用中占支配地位，因为它耐用，防腐，结实，好利用，多功能，随着传统金属加固纤维的应用使得混凝土管道系统更坚实，更轻便。
塑料管道将会因扩大的污水管和调水工程，以更快的速度发展。
塑料在大直径管道中应用是因为其质轻，抗化学腐蚀，结实，高抗压性及安装简单。
多乙烯基氯化物和高密度结构使其在调水工程，污水管和排水系统中广泛应用。
然而，波纹状的高密度管道在暴雨污水管的应用使其利用率有了显著提高，其利用率在平均增长值以下是因为铸铁和钢管与塑料管道的竞争，尽管塑料管道在调水工程中有巨大的应用。
（图五）是一张大混凝土管道直径图
（a）（b）
图5大直径钢管（a）和混凝土管（b）
石油与天然气管道通常选用大直径的螺旋焊接管道，加热系统管道，通用管道，工业使用管道通常也是用这种管道。
制造大直径管道一直需要特别注意，否则任何一个有缺陷的管道都将是一场灾难，潜在的影响生态稳定，造成经济损失，人员伤亡，连续操作和维修等。
精密管道是小直径，最平滑的，其内部和外部的表面都有一些特殊的要求，如在核研究，太空研究，自动化和医疗应用等方面。
高度精确的无缝钢管通常是在冷环境下制作的，确保必要的性质，如高强度，表面光滑，小直径精密管道焊接是用压力焊接。
需要特别注意，激光焊接小直径管道需要低温。
小直径管道的需求增加，制造光滑的如墙厚度的管道仍然是一种挑战，尤其是在需要精确控制的部分。
使用先进机器及控制方法可以减少壁厚变化
（a）（b）
图6（a）导管管和（b）管状支架,用于冠状动脉腔内成形术
近段时间高分子材料使制造商将注意力转到生产生物医学行业的精密管道上，因为其出色的将防化学腐蚀能力，高的韧性和强度，特别是异性相容性，例如，采集物质（输血，输液，透析）；导管（静脉注射，心脏动脉器）；气管导管。
大多数高分子医疗导管的制造使用挤压技术，今天的挤压医疗产品需要采用精确的制造过程，这些直径的公差小到±5um。
图六表明了用于血管修复术的导管和管状物。
管子的生产不仅有大尺寸还有小尺寸，如纳米管的生产，是本世纪最不可思议的发现。
纳米管属于用纳米材料制造的直径只有几纳米的管，尽管一些报道说纳米材料建立于氯化硼，硫化铜和钼元素上。
近来碳纳米被发现后，它因其广泛的实际应用而吸引了学术上和工业研究上的兴趣[22]。
碳纳米由六个碳原子组成圆柱体。
其直径小于1纳米，长度只有几微米。
理想情况下，碳纳米主要有两种形式：
单一的圆柱体和几个聚集在一起的圆柱体，如图七。
（a）（b）
图7（a）单壁和（b）多壁碳纳米管碳纳米管[26]
碳纳米拥有多方面的特性，例如高机械强度、好的导电性和导热性，高的热稳定性，吸收电辐射的能力，迷人的光-声效果等，碳纳米比钻石还要硬，因为碳元素间的距离较短，仅有0.14纳米[23]
通常情况下，有三种方法生产纳米材料：
电弧放电（EAD），激光消融术（LA）和化学气相沉积（CVD）。
所有这些方法都需要700℃到3000℃的高温[24]，并将金属催化剂（如铁等）加入其中以帮助纳米产生。
其中几个处理过程包括超声波清理，液体处理和在2700℃高温下退火，这些都是生产纯的碳纳米所必须的条件，碳纳米被受到广泛的欢迎且其应用有很大的潜力，例如半导体、汽车、航空航天和生物医学工业。
尽管碳纳米管在几个潜在应用的测试中有很好的表现，因为他们有极好地品质，进入市场的障碍是缺少高质量的商业原材料及高成本，它在最后应用中成功地显现了它的基础性质。
虽然很难预测纳米管是否有商业用途，但在接下来的十年间将会看到纳米管在研究和商业领域的全新发展，感兴趣的读者请阅读参考文献[24，27---30]
持续生产高质量的管材时，自动在线质量控制系统通过计算机对每一个生产阶段的控制和适当的维修是至关重要的，激光视觉定位测量技术已经发展到100%在线和不接触精确的测量[31，32]。
此外，还要尽量减少测量错误，要求员工遵守业务标准。
随着时间的推移，设备的完善和管材与管子重量和尺码的增加，其实际上增加了生产管材的复杂程度。
在特定行业，采用最先进的算法特别设计的机器人可以处理这样的重复操作，降低工人的劳动强度，加强安全和提高可靠性，从而提高了生产力。
但是最重要的副作用是为了达到这个目标，它规定一个管长度，直径和重量的上限。
一些安全方面的规程，例如正确的操作不同的设备，适当的工作环境和工作标准，所有这些都是在管材和管道生产的工作中最重要的因素。
基于对全球环境的担忧，生产管材时必须遵从复杂的环境规划方案和规章，有效回收和清除废物，提高能源使用率以及兼顾室内、室外空气质量，资源保护，噪音和振动，和其他环境方面的考虑。
现有的潜在的废物处理程序是预处理（即，酸洗）处理（即，剪切，锯，弯曲或管材成型）和后处理（如，漆层）；对环境有危害的化学物质，冷却剂和液体润滑剂，人们都普遍使用这些方法处理。
还要有用于解决环境危害的策略，通过对环境的审查实施和和保护环境的方法（例如减少废物的产生）这些都应在我们的考虑范围之内。
结论
管材和管子的基本制造过程几十年前就为人所知了，并且一直在改进中。
在光电学，控制和自动化领域都有很大的进步，对管材和管子的制造影响很大。
管材的供应在油汽勘探和生产，石油化学工业等行业都起到很重要的作用。
然而，管材在结构工程如建筑、航天、汽车工业中的使用在增长，对高强度、高硬度的需求将会使新材料得到发展，设计多样、操作环境、评估方法、成本降低促进着新材料的发展。
由传统的材料如铁、钢、铜、混凝土、塑料制成的管材和管子将会继续控制市场，并应用到社会建设中，然而由特殊材料或纳米管制成的精细管材仅占市场的一小份额。
从制造过程开始，通过持续不断的对生产过程中的数据进行监测，不同的物理、化学及非破坏性的测试将会对提高管材生产质量起到高效的监督作用。
参考文献
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//www.mrw.de/downloads/stahlrohre_engl.pdf
2.管材生产，钢铁研究所，伦敦（1971年）
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es/2002/feature_069_02sb.asp
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