鋼管調質熱處理生產過程中直度的控制

2020-08-18 10:09:56李陽才焦堂騫許敏博呂永鵬吳凱凡

焊管 2020年7期

李陽才，焦堂騫，許敏博，焦斌，呂永鵬，吳凱凡

（寶雞鋼管西安石油專用管公司，西安710201）

0 前言

金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度冷卻的一種工藝。熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。通常把淬火和高溫回火結合起來的工藝稱為調質熱處理，其目的是使材料獲得強度、硬度和塑韌性都較好的綜合力學性能。

在采用淬火+回火工藝對鋼管進行調質處理的過程中，由于受到工藝控制、設備狀態等諸多因素的影響，鋼管會出現管端局部彎曲和管體彎曲變形的現象。其中，管體彎曲大多可以通過六輥矯直機進行矯直，但由于六輥矯直機存在矯直盲區，管端彎曲無法進行矯直。由此導致的管端彎曲對于鋼管后續加工質量和加工效率帶來不利影響，因此，在調質處理工藝中對鋼管直度進行有效控制，對提高鋼管質量和生產效率至關重要。

1 調質處理過程鋼管彎曲變形影響因素

1.1 管體加熱

鋼管加熱溫度控制在Ac3以上，由于加熱溫度高，鋼管在加熱過程中受加熱爐性能、爐內不同介質熱傳導、爐內機械運動軌跡等因素影響，導致鋼管在加熱過程中彎曲變形。

1.2 高壓水除鱗

由于除鱗過程一方面是利用水的急冷，使氧化鐵皮與鋼管管體產生溫差，表面氧化鐵皮龜裂脫離鋼管本體；另一方面靠高壓水產生的打擊力鏟除鋼管表面的氧化鐵皮。該過程對于薄壁厚鋼管來說，由于冷卻不均容易造成局部或整體彎曲。

1.3 水淬冷卻

油套管淬火過程大多采用外淋+內噴的冷卻方式對鋼管進行快速冷卻，該過程是熱處理生產過程控制的核心，對熱處理后鋼管的性能和直度起決定性作用。生產過程中由于外淋水噴淋不均、鋼管中心線與外淋水中心線偏差、內噴頭與鋼管直線度偏差、內噴水在鋼管內壁的落水點以及壓緊輪處冷卻效果等諸多因素的影響，極易造成鋼管彎曲。

2 調質處理過程鋼管直度控制

根據API SPEC 5CT 標準對直度的要求，鋼管兩端1.5 m 長度范圍內偏離距離不超過3.18 mm；對于直徑大于114.3 mm 的鋼管，管體直度應小于鋼管總長度的0.2%。可以通過對生產各個環節針對性進行控制，實現鋼管直度達標的目的。

2.1 加熱過程控制

（1）確保爐內溫度均勻性。目前國內外油井管熱處理主要采用步進式加熱爐，鋼管長度方向上加熱溫度不均導致鋼管產生彎曲變形，固建議按照SAE-AMS27500D 對爐子定期進行TUS （溫度均勻性測試）測試。同時，對爐內燃燒系統進行調整，通過調節風壓和天然氣壓力的配比，確保每個燃燒燒嘴的燃燒性能均衡，在爐溫控制上確保保溫段沿管長方向溫差小于10 ℃。

（2）確保鋼管在爐內運行過程中的自轉角度。圖1 所示為步進梁運動軌跡，圖1 中1 點為步進梁起點，步進梁抬升100 mm 至O 點時接觸鋼管，然后繼續抬升120 mm 至2 點，步進梁平移190 mm 至3 點，再落下至4 點，步進梁到達O 點時鋼管落入步進梁的前一齒，實現了鋼管的向前運行，然后步進梁再回到原點1，完成一個步進運行周期。

圖1 步進梁運動軌跡示意圖

步進梁實際運行中，為避免鋼管在爐內步進過程中長期處于一個狀態造成彎曲，必須保證鋼管在步進過程中實現自轉。圖2 所示為熱處理工業爐的步進梁齒形圖，步進梁齒距為230 mm，步進梁平移距離為190 mm，因此鋼管落下位置并不在齒底，而是在距離齒底8.3 mm處。計算弧長為41.2 mm，對于不同規格鋼管轉動角度不同，實際生產中應隨著鋼管管徑的增大對步進梁平移距離進行調整，保證鋼管在爐內步進梁上運行的全周期過程中自轉不少于2 圈。

圖2 工業爐步進梁齒形圖

（3）避免鋼管在步進梁上管端自由狀態長度過長。鋼管在步進梁上放置時，步進梁作為固定支座，伸出部分為自由端，所以可將鋼管伸出步進梁部分簡化為懸臂梁結構，運用材料力學理論對鋼管在固定梁上的受力情況進行分析計算。分析結果顯示，當鋼管管端伸出梁為步進梁間距的0.56 倍時，加熱過程中鋼管管端懸空部分變形量與兩個步進梁之間鋼管變形量相同。因此在生產控制中，根據步進梁間距不同，將鋼管管端伸出步進梁距離調整為小于步進梁間距的0.56 倍即可。鋼管在步進梁上的布料如圖3 所示。

圖3 鋼管在步進梁上布料示意圖

（4）異常過程保證爐內鋼管實現自轉。熱處理生產過程中由于設備故障等原因造成鋼管在爐內停留時間過長，該過程極易導致鋼管彎曲。保證鋼管在步進梁伸出距離的情況下，還應確保鋼管能夠在爐內進行自轉。目前國內大部分工業爐自身設計了鋼管踏步功能，但由于踏步過程中大多采用步進梁上下動作，該動作過程中，由于步進梁不進行平移運動導致鋼管無法實現自轉。因此，將步進梁踏步動作由上下運動調整為正常行進的上—前—下—后運動，前進距離根據想要達到的鋼管自轉角度進行調整，保證鋼管在踏步過程中實現自轉。

2.2 冷卻過程控制

（1）為保證鋼管表面質量，通常采用高壓水除鱗設備對加熱后的鋼管表面氧化鐵皮進行清除。鋼管除鱗過程中，對于薄壁鋼管，除鱗水開啟和關閉時間對于鋼管管端直度影響較大，因此必須保證鋼管在進入除鱗環之前生產系統壓力就達到設定壓力，從而使鋼管全管體在除鱗環中以額定壓力通過。

（2）目前國內大部分的鋼管熱處理生產線采用外淋+內噴的淬火設備，在淬火過程中，為保證鋼管直度，對于管徑小于100 mm、壁厚小于7 mm 的小規格薄壁鋼管，通常采用先內噴后外淋的工藝；對于大規格、大壁厚鋼管通常采用先外淋后內噴的工藝。但淬火過程中壓緊輪壓緊部位對于外淋水會產生干擾，為避免干擾，必須在壓緊輪下方增加側補水系統，且該系統開啟時間必須與外淋水開啟時間保持一致。

（3）根據管徑和壁厚，調整外淋水總量及外淋噴管各分段水量閥門，確保每段壓力相同，避免外淋水量不均造成局部彎曲。對于采用雙層噴淋管的淬火設備，噴淋管與鋼管直線度的調整需以單排噴淋管為基準，保證最小規格鋼管中心線與噴淋管中心線一致。

（4）鋼管內噴冷卻過程中，一般將鋼管中心和內噴頭中心調整在一條直線上。但在實際生產中，為了避免內噴水打在鋼管管端造成飛濺，通常設計內噴頭直徑比鋼管內徑偏小10 mm，其后果是內噴水進入鋼管后由于水柱壓力的作用，落水點距離管端會有一定的距離，在落水點與管端之間形成冷卻盲區，導致管端彎曲，如圖4 所示。為避免形成冷卻盲區，建議將內噴頭高度向下調整（如圖5 所示），保證水柱沿著鋼管內壁下邊沿進入，通過鋼管冷卻過程中的旋轉保證管體均勻冷卻。