双杆石油管体热处理工艺思考范文

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摘要:

本文论述了钢管进行热处理的原因及必要性，介绍了一种双杆石油管体热处理工艺的特点，通过实例给出了该工艺设备的组成及布置，为生产高钢级钢管提供了一种新的热处理工艺。

关键词:

双杆;热处理;喷淋系统;窑炉

高钢级钢管的需求带动了细长钢管热处理的研究，要想取得高性能钢管一般采用调质(即淬火+高温回火)工艺，调质处理将大幅提高钢管的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足钢管的使用要求。也可以通过热处理满足某些特种钢管的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。目前市场上淬火炉、回火炉普遍采用步进式，淬火采用“外淋+内喷+旋转”和“浸淬+内喷+旋转”两种工艺，采用“外淋+内喷+旋转”工艺的外淋内喷式淬火生产线适用于油井管、油套管、钻杆的淬火，较利于薄壁钢管的整体淬火;采用“浸淬+内喷+旋转”淬火工艺的浸淬式淬火生产线适用于壁厚比较大的高性能厚壁管的整体淬火。采用目前的热处理工艺技术产品性能稳定、设备生产率非常高。为了保证钢管的加热均匀性，淬火炉、回火炉都设计有进料区、加热区、保温区和出料区，生产过程中考虑节能每个区都放置有钢管，在进炉辊道和出炉辊道的中心线之间势必有一定的距离，而且钢管规格越大、壁厚越厚距离也就越大。生产线中某一环节或设备一旦出现故障，炉内的钢管将处于一直加热的状况，不仅耗能而且影响产品的质量，造成钢管过烧、氧化皮加厚等缺陷，甚而造成钢管的报废。对于厚壁钢管由于加热工艺时间长，炉内的钢管数量就会增多，报废钢管的数量将会更多。针对生产率要求不高的厚壁管热处理提出了中频感应加热钢管热处理生产线，该生产线只能进行单根热处理。钢管加热采用中频感应加热炉，加热炉功率要求特别大，而运行过程中还会影响电网及其他设备的运行。

1产品大纲

1．1产品规格、品种及钢种钢管规格为:60．3～177．8mm;钢管壁厚为:4．83～25．00mm;钢管长度为:6000～12500mm;钢管直度:＜1．0/1000mm。钢管材质为碳钢、低合金钢和合金钢。常用材质有:16Mn、25Mn、27SiMn、30CrMo等。

1．2生产能力最大生产能力:15t/h。

2淬火工艺确定

2．1外淋或浸淬式钢管热处理生产线外淋内喷式钢管热处理生产线和浸淬式钢管热处理生产线的设备工艺流程见图1所示。生产线中淬火炉、回火炉的结构都采用了步进梁式，单面加热、多段供热、钢管侧进侧出。该生产线的特点有:1)生产率高，最大生产能力可达45t/h;2)同时加热钢管的数量达二十根以上;3)钢管整体加热整体淬火，淬火后钢管弯曲度比较小;4)淬火水系统比较庞大，淬火用水量超过3000m3/h;5)自动化程度高。

2．2中频感应加热钢管热处理生产线中频感应加热钢管热处理生产线的设备工艺流程见图2所示。生产线中淬火炉、回火炉都采用了中频感应加热炉，淬火装置采用了环形外淋淬火方式。该生产线的特点有:1)生产线单根加热、单根热处理，最大生产能力10t/h;2)钢管随时加热随时进行热处理;3)钢管边旋转边加热，克服钢管加热的不均匀性;4)淬火水系统比较小，淬火用水量一般为400m3/h;5)生产线装机功率比较大，接近1万kW;6)自动化程度高。以上工艺都难以满足生产要求，考虑到节能、减排，我院提出采用窑炉双根同时加热、淬火环冷却的淬火工艺。

3双杆石油管体热处理工艺

热处理工艺采用淬火+高温回火，淬火温度为850～1100℃，回火温度为550～800℃，淬火方式为环淬。两台加热炉采用窑炉，燃烧介质为天然气，同时加热两根钢管;淬火介质选用工业水，水是冷却能力较强的淬火介质，来源广、价格低、成分稳定不易变质;淬火水在钢管表面喷射均匀且有一定的角度，用于打散钢管表面的蒸汽膜，增加钢管的冷却速度;淬火后设计有沥水台架，空干钢管内外的淬火水，防止淬火水进入回火炉引起事故。双杆石油管体热处理生产线的设备工艺流程见图3所示。生产线的设备工艺流程:天车将钢管吊运到入料装置上→双位淬火上料翻板→淬火输送辊道→辊道快速运行一定的时间→辊道慢速运行→淬火窑炉→钢管加热到850～1100℃→高温测温仪检测钢管温度组成闭环控制，调整淬火窑炉燃气嘴开口度→喷淋环淬火→低温测温仪检测钢管温度，调整淬火水水量→淬火下料翻板→沥水台架→双位回火上料翻板→回火输送辊道→回火窑炉→钢管加热到550～780℃→高温测温仪检测钢管温度组成闭环控制，调整回火窑炉燃气嘴开口度→回火下料翻板→出料冷床→后续工序。

4实施方案

4．1入料装置入料装置用于钢管淬火加热前的准备和供料，主要由散捆装置、斜台架和挡料器等组成。斜台架由型钢焊接而成，具有一定的倾斜角度，以便于钢管自由散开，斜台架的端部设有挡料器，挡料器通过人工调节，适用于规格60．3～177．8mm的钢管，满足双位淬火上料翻板每次翻送一根钢管。散捆装置由气缸、轴和挡料臂等组成，用于存储吊装的待处理钢管，气缸动作挡料臂放料，钢管自由散开在斜台架上。

4．2双位淬火上料翻板双位淬火上料翻板由气缸驱动，用于从入料装置上单根取料，并同时将两根钢管放置在变频淬火输送辊道上。

4．3淬火输送辊道淬火输送辊道为变频调速，每个辊道单独驱动，其上都安装有两个V型辊子，且辊道与钢管输送方向成一定的角度(20°～25°)，使钢管在输送过程中产生自转，这种自转不仅可以保证钢管均匀加热，而且对钢管有一定的热矫直作用。淬火输送辊道分为三组，分别为:进料区辊道、加热区辊道和出料区辊道，它们分别由多个输送辊道组成，传输速度可单独设定与控制。进料区辊道和出料区辊道均为快速辊道。进料区辊道主要作用是让每根钢管在进入感应器加热区时，能够首尾相接，从而保证钢管头部和尾部的加热温度均匀一致。出料区辊道也为快速辊道，主要是为了拉开每根钢管间的距离。淬火输送辊道倾斜1°布置，尽量减少钢管在淬火时冷却介质的倒流，影响钢管的淬火性能。为了减少钢管在加热及淬火时产生弯曲，淬火输送辊道的间距设计为1．2～1．5m，同时在淬火区安装上下交错的滚轮，提高钢管淬火后的直线度。淬火输送辊道的速度为2500～1000mm/min，其中:生产最大规格177．8mm×25mm的淬火速度为2500mm/min;最小规格60．3mm×4．83mm的淬火速度为10000mm/min;中间规格114．3mm×8．56mm的淬火速度为5500mm/min。

4．4淬火窑炉淬火窑炉部分由窑炉、燃气嘴自动控制系统、排烟系统和双色高温测温仪组成，通过测温仪检测钢管的加热温度，自动调节燃气嘴的开口度，组成闭环控制系统，满足钢管淬火温度的要求。其主要参数如下:最高加热温度为1100℃;温度误差为±10℃;窑炉长度为57m;同时加热根数为2根;燃烧介质为天然气;最大生产能力为15t/h。其它参数符合产品大纲要求。

4．5喷淋淬火系统喷淋淬火系统由水控制系统、环形喷淋装置和供水系统组成。喷淋淬火系统布置在淬火窑炉之后，用于钢管的快速冷却，使钢管内部组织快速均匀完全淬透并变成马氏体组织。

4．5．1水控制系统水控制系统是实现钢管热处理工艺的核心部件之一。钢管淬火质量的好坏取决于喷射水的时间、喷射量及喷射水的速度，因此必须选择合理的工艺参数。水控制系统由一级管道、二级管道、流量计、压力传感器、温度传感器和电动闸阀等组成，通过调节各冷却区的一级管道与二级管道之间的闸阀，适应不同直径的钢管对冷却水量的需求，尽可能使二级管道内形成均压系统，使所有喷射管按设计流量喷出，满足钢管淬火工艺要求。在一级管道的适当位置上装有流量计、压力传感器、温度传感器，其测得的流量值、压力值、温度反馈给PLC，再通过PLC将流量值、压力值、温度值显示在上位机上。根据PLC反馈的流量值、压力值、温度值和淬火工艺参数，通过电动闸阀可以进行在线调整，使工艺参数达到最佳值。

4．5．2环形喷淋装置环形喷淋装置由支架、环形冷却圈、调整装置、收集装置和防水罩等组成，每组可单独控制流量，便于调整淬火工艺。环形冷却圈为不锈钢材料制成，安装有数百个喷嘴，喷水的方向与钢管运行方向呈20°～30°，以利于冷却水与钢管表面水接触时间。喷嘴水流方向相对于周向投影，喷水方向为近似于钢管外表面的切线方向，从而起到高压水流冲刷钢管表面，防止在钢管的外表面形成气泡影响水冷效果。喷嘴是喷淋的核心工具，为配合喷淬工艺参数(如流量、压力)，喷嘴采用硬质合金(或不锈钢)制造，设计为可拆卸形式，如有堵塞可以及时方便拆卸进行更换或清洗。环形冷却圈的出口处喷水方向与钢管运行方向呈150°～160°，形成水密封圈，防止水从出口流出，便于冷却水的收集。环形喷淋装置设有收集装置和防水罩。在生产过程中淬火冷却水只能从水箱下出口经管道流入收集装置。环形喷淋装置的支架和调整装置用于支撑调整环形冷却圈。调整装置主要用于调整环形冷却圈与钢管的同心度，使冷却水360°均匀喷射，保证钢管四周均匀冷却。

4．5．3供水系统供水系统是提供喷淋冷却用水的动力源。由叶片泵、电动碟阀、手动碟阀、手动闸阀及管道、法兰等组成。淬火装置供水系统选用侧进侧出离心泵，共计两台水泵，其中一用一备，每台水泵流量500m3/h，扬程125m。

4．6淬火下料翻板淬火下料翻板由气缸驱动，用于将淬过火的钢管从辊道上输送到沥水台架上。

4．7沥水台架沥水台架包括台架、吹气装置和挡料装置。台架由型钢焊接而成，具有一定的倾斜角度，台架的端部设有挡料器，可以根据不同的钢管规格进行调整，使双位回火上料翻板单根取料。台架设计为自然倾斜角度，使钢管在挡料器处呈一定的角度，可以进行自然空水。在空水台架挡料器端设置吹气装置，在钢管自然空水的同时，用压缩空气将钢管内的淬火水去除干净。

4．8双位回火上料翻板双位回火上料翻板由气缸驱动，用于从沥水台架上单根取料，并同时将两根钢管放置在变频回火输送辊道上。

4．9回火输送辊道回火输送辊道为变频调速，每个辊道单独驱动，其上都安装有两个V型辊子，且辊道与钢管输送方向成一定的角度(20°～25°)，使钢管在输送过程中产生自转，这种自转不仅可以保证钢管均匀性加热，而且对钢管有一定的热矫直作用。回火输送辊道与淬火辊道一样亦分为三组，分别为:进料区辊道、加热区辊道和出料区辊道。为了减少钢管在加热时产生弯曲，回火输送辊道之间的间距设计为1．2～1．5m。

4．10回火窑炉回火窑炉与淬火窑炉的结构一致，也由窑炉、燃气嘴自动控制系统、排烟系统和测温仪组成，通过测温仪检测钢管的加热温度，自动调节燃气嘴的开口度，组成闭环控制系统，满足钢管回火温度的要求。主要参数:最高加热温度800℃;误差±5℃;窑炉长度68m;同时加热根数为2根;燃烧介质为天然气;最大生产能力为15t/h。其它参数符合产品大纲要求。

4．11回火下料翻板回火下料翻板用于将调质后的钢管从回火辊道上输送到出料链床上。4．12气动控制系统生产线中有些动作需要气缸驱动，所以设有气动控制系统。该系统由气源、截止球阀、气体三联件、电磁气阀、接头和管路等组成。其中换向阀、三联件、节流阀和消音器等都采用了法斯特系列产品。

4．13电气控制系统电气控制系统是双杆石油管体热处理生产线的管理和控制核心，主要由总电源柜、电机启动柜、PLC控制柜、主操作台和工控机等组成。该系统选用了德国西门子公司的314c/2dp可编程控制器(PLC)，可对生产线进行自动控制、手动控制和调整控制，同时可根据工艺要求对设备进行连锁保护。在满足自动程序运行的条件下，启动自动按钮，设备将会按照设定程序完成生产线的整个动作，并不断运行该循环程序，完成钢管的调质处理。

5结论

双杆石油管体热处理生产线克服了以往钢管热处理生产线的弊端，钢管双线运行同时淬火，降低了生产成本，机械性能指标可以达到API标准要求。

参考文献

［1］杜学斌，徐能惠，毛成斌，等．浸淬式钢管淬火装置的研制［J］．热处理技术与装备，2007，28(3):39－42．

［2］成大先．机械设计手册［M］．北京:化学工业出版社，1997．

［3］杜学斌，徐能惠，韩炳涛．钢管整体淬火研究［J］．热处理技术与装备，2013，34(6):54－57．

［4］邵国栋，杜学斌，徐能惠，等．钢管外淋内喷式淬火工艺及结构［J］．热处理技术与装备，2014，35(5):47－49．

［5］邵国栋，杜学斌，徐能惠，等．石油钢管水淬设备的现状与展望［J］．热处理技术与装备，2015，36(1):25－29．

作者：杜学斌 徐能惠 邵国栋 马辉 高璐 卫凌云 单位：中国重型机械研究院股份公司 金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室