雙桿石油管體熱處理工藝思考范文

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摘要:

本文論述了鋼管進行熱處理的原因及必要性，介紹了一種雙桿石油管體熱處理工藝的特點，通過實例給出了該工藝設備的組成及布置，為生產高鋼級鋼管提供了一種新的熱處理工藝。

關鍵詞:

雙桿;熱處理;噴淋系統;窯爐

高鋼級鋼管的需求帶動了細長鋼管熱處理的研究，要想取得高性能鋼管一般采用調質(即淬火+高溫回火)工藝，調質處理將大幅提高鋼管的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足鋼管的使用要求。也可以通過熱處理滿足某些特種鋼管的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。目前市場上淬火爐、回火爐普遍采用步進式，淬火采用“外淋+內噴+旋轉”和“浸淬+內噴+旋轉”兩種工藝，采用“外淋+內噴+旋轉”工藝的外淋內噴式淬火生產線適用于油井管、油套管、鉆桿的淬火，較利于薄壁鋼管的整體淬火;采用“浸淬+內噴+旋轉”淬火工藝的浸淬式淬火生產線適用于壁厚比較大的高性能厚壁管的整體淬火。采用目前的熱處理工藝技術產品性能穩定、設備生產率非常高。為了保證鋼管的加熱均勻性，淬火爐、回火爐都設計有進料區、加熱區、保溫區和出料區，生產過程中考慮節能每個區都放置有鋼管，在進爐輥道和出爐輥道的中心線之間勢必有一定的距離，而且鋼管規格越大、壁厚越厚距離也就越大。生產線中某一環節或設備一旦出現故障，爐內的鋼管將處于一直加熱的狀況，不僅耗能而且影響產品的質量，造成鋼管過燒、氧化皮加厚等缺陷，甚而造成鋼管的報廢。對于厚壁鋼管由于加熱工藝時間長，爐內的鋼管數量就會增多，報廢鋼管的數量將會更多。針對生產率要求不高的厚壁管熱處理提出了中頻感應加熱鋼管熱處理生產線，該生產線只能進行單根熱處理。鋼管加熱采用中頻感應加熱爐，加熱爐功率要求特別大，而運行過程中還會影響電網及其他設備的運行。

1產品大綱

1．1產品規格、品種及鋼種鋼管規格為:60．3～177．8mm;鋼管壁厚為:4．83～25．00mm;鋼管長度為:6000～12500mm;鋼管直度:＜1．0/1000mm。鋼管材質為碳鋼、低合金鋼和合金鋼。常用材質有:16Mn、25Mn、27SiMn、30CrMo等。

1．2生產能力最大生產能力:15t/h。

2淬火工藝確定

2．1外淋或浸淬式鋼管熱處理生產線外淋內噴式鋼管熱處理生產線和浸淬式鋼管熱處理生產線的設備工藝流程見圖1所示。生產線中淬火爐、回火爐的結構都采用了步進梁式，單面加熱、多段供熱、鋼管側進側出。該生產線的特點有:1)生產率高，最大生產能力可達45t/h;2)同時加熱鋼管的數量達二十根以上;3)鋼管整體加熱整體淬火，淬火后鋼管彎曲度比較小;4)淬火水系統比較龐大，淬火用水量超過3000m3/h;5)自動化程度高。

2．2中頻感應加熱鋼管熱處理生產線中頻感應加熱鋼管熱處理生產線的設備工藝流程見圖2所示。生產線中淬火爐、回火爐都采用了中頻感應加熱爐，淬火裝置采用了環形外淋淬火方式。該生產線的特點有:1)生產線單根加熱、單根熱處理，最大生產能力10t/h;2)鋼管隨時加熱隨時進行熱處理;3)鋼管邊旋轉邊加熱，克服鋼管加熱的不均勻性;4)淬火水系統比較小，淬火用水量一般為400m3/h;5)生產線裝機功率比較大，接近1萬kW;6)自動化程度高。以上工藝都難以滿足生產要求，考慮到節能、減排，我院提出采用窯爐雙根同時加熱、淬火環冷卻的淬火工藝。

3雙桿石油管體熱處理工藝

熱處理工藝采用淬火+高溫回火，淬火溫度為850～1100℃，回火溫度為550～800℃，淬火方式為環淬。兩臺加熱爐采用窯爐，燃燒介質為天然氣，同時加熱兩根鋼管;淬火介質選用工業水，水是冷卻能力較強的淬火介質，來源廣、價格低、成分穩定不易變質;淬火水在鋼管表面噴射均勻且有一定的角度，用于打散鋼管表面的蒸汽膜，增加鋼管的冷卻速度;淬火后設計有瀝水臺架，空干鋼管內外的淬火水，防止淬火水進入回火爐引起事故。雙桿石油管體熱處理生產線的設備工藝流程見圖3所示。生產線的設備工藝流程:天車將鋼管吊運到入料裝置上→雙位淬火上料翻板→淬火輸送輥道→輥道快速運行一定的時間→輥道慢速運行→淬火窯爐→鋼管加熱到850～1100℃→高溫測溫儀檢測鋼管溫度組成閉環控制，調整淬火窯爐燃氣嘴開口度→噴淋環淬火→低溫測溫儀檢測鋼管溫度，調整淬火水水量→淬火下料翻板→瀝水臺架→雙位回火上料翻板→回火輸送輥道→回火窯爐→鋼管加熱到550～780℃→高溫測溫儀檢測鋼管溫度組成閉環控制，調整回火窯爐燃氣嘴開口度→回火下料翻板→出料冷床→后續工序。

4實施方案

4．1入料裝置入料裝置用于鋼管淬火加熱前的準備和供料，主要由散捆裝置、斜臺架和擋料器等組成。斜臺架由型鋼焊接而成，具有一定的傾斜角度，以便于鋼管自由散開，斜臺架的端部設有擋料器，擋料器通過人工調節，適用于規格60．3～177．8mm的鋼管，滿足雙位淬火上料翻板每次翻送一根鋼管。散捆裝置由氣缸、軸和擋料臂等組成，用于存儲吊裝的待處理鋼管，氣缸動作擋料臂放料，鋼管自由散開在斜臺架上。

4．2雙位淬火上料翻板雙位淬火上料翻板由氣缸驅動，用于從入料裝置上單根取料，并同時將兩根鋼管放置在變頻淬火輸送輥道上。

4．3淬火輸送輥道淬火輸送輥道為變頻調速，每個輥道單獨驅動，其上都安裝有兩個V型輥子，且輥道與鋼管輸送方向成一定的角度(20°～25°)，使鋼管在輸送過程中產生自轉，這種自轉不僅可以保證鋼管均勻加熱，而且對鋼管有一定的熱矯直作用。淬火輸送輥道分為三組，分別為:進料區輥道、加熱區輥道和出料區輥道，它們分別由多個輸送輥道組成，傳輸速度可單獨設定與控制。進料區輥道和出料區輥道均為快速輥道。進料區輥道主要作用是讓每根鋼管在進入感應器加熱區時，能夠首尾相接，從而保證鋼管頭部和尾部的加熱溫度均勻一致。出料區輥道也為快速輥道，主要是為了拉開每根鋼管間的距離。淬火輸送輥道傾斜1°布置，盡量減少鋼管在淬火時冷卻介質的倒流，影響鋼管的淬火性能。為了減少鋼管在加熱及淬火時產生彎曲，淬火輸送輥道的間距設計為1．2～1．5m，同時在淬火區安裝上下交錯的滾輪，提高鋼管淬火后的直線度。淬火輸送輥道的速度為2500～1000mm/min，其中:生產最大規格177．8mm×25mm的淬火速度為2500mm/min;最小規格60．3mm×4．83mm的淬火速度為10000mm/min;中間規格114．3mm×8．56mm的淬火速度為5500mm/min。

4．4淬火窯爐淬火窯爐部分由窯爐、燃氣嘴自動控制系統、排煙系統和雙色高溫測溫儀組成，通過測溫儀檢測鋼管的加熱溫度，自動調節燃氣嘴的開口度，組成閉環控制系統，滿足鋼管淬火溫度的要求。其主要參數如下:最高加熱溫度為1100℃;溫度誤差為±10℃;窯爐長度為57m;同時加熱根數為2根;燃燒介質為天然氣;最大生產能力為15t/h。其它參數符合產品大綱要求。

4．5噴淋淬火系統噴淋淬火系統由水控制系統、環形噴淋裝置和供水系統組成。噴淋淬火系統布置在淬火窯爐之后，用于鋼管的快速冷卻，使鋼管內部組織快速均勻完全淬透并變成馬氏體組織。

4．5．1水控制系統水控制系統是實現鋼管熱處理工藝的核心部件之一。鋼管淬火質量的好壞取決于噴射水的時間、噴射量及噴射水的速度，因此必須選擇合理的工藝參數。水控制系統由一級管道、二級管道、流量計、壓力傳感器、溫度傳感器和電動閘閥等組成，通過調節各冷卻區的一級管道與二級管道之間的閘閥，適應不同直徑的鋼管對冷卻水量的需求，盡可能使二級管道內形成均壓系統，使所有噴射管按設計流量噴出，滿足鋼管淬火工藝要求。在一級管道的適當位置上裝有流量計、壓力傳感器、溫度傳感器，其測得的流量值、壓力值、溫度反饋給PLC，再通過PLC將流量值、壓力值、溫度值顯示在上位機上。根據PLC反饋的流量值、壓力值、溫度值和淬火工藝參數，通過電動閘閥可以進行在線調整，使工藝參數達到最佳值。

4．5．2環形噴淋裝置環形噴淋裝置由支架、環形冷卻圈、調整裝置、收集裝置和防水罩等組成，每組可單獨控制流量，便于調整淬火工藝。環形冷卻圈為不銹鋼材料制成，安裝有數百個噴嘴，噴水的方向與鋼管運行方向呈20°～30°，以利于冷卻水與鋼管表面水接觸時間。噴嘴水流方向相對于周向投影，噴水方向為近似于鋼管外表面的切線方向，從而起到高壓水流沖刷鋼管表面，防止在鋼管的外表面形成氣泡影響水冷效果。噴嘴是噴淋的核心工具，為配合噴淬工藝參數(如流量、壓力)，噴嘴采用硬質合金(或不銹鋼)制造，設計為可拆卸形式，如有堵塞可以及時方便拆卸進行更換或清洗。環形冷卻圈的出口處噴水方向與鋼管運行方向呈150°～160°，形成水密封圈，防止水從出口流出，便于冷卻水的收集。環形噴淋裝置設有收集裝置和防水罩。在生產過程中淬火冷卻水只能從水箱下出口經管道流入收集裝置。環形噴淋裝置的支架和調整裝置用于支撐調整環形冷卻圈。調整裝置主要用于調整環形冷卻圈與鋼管的同心度，使冷卻水360°均勻噴射，保證鋼管四周均勻冷卻。

4．5．3供水系統供水系統是提供噴淋冷卻用水的動力源。由葉片泵、電動碟閥、手動碟閥、手動閘閥及管道、法蘭等組成。淬火裝置供水系統選用側進側出離心泵，共計兩臺水泵，其中一用一備，每臺水泵流量500m3/h，揚程125m。

4．6淬火下料翻板淬火下料翻板由氣缸驅動，用于將淬過火的鋼管從輥道上輸送到瀝水臺架上。

4．7瀝水臺架瀝水臺架包括臺架、吹氣裝置和擋料裝置。臺架由型鋼焊接而成，具有一定的傾斜角度，臺架的端部設有擋料器，可以根據不同的鋼管規格進行調整，使雙位回火上料翻板單根取料。臺架設計為自然傾斜角度，使鋼管在擋料器處呈一定的角度，可以進行自然空水。在空水臺架擋料器端設置吹氣裝置，在鋼管自然空水的同時，用壓縮空氣將鋼管內的淬火水去除干凈。

4．8雙位回火上料翻板雙位回火上料翻板由氣缸驅動，用于從瀝水臺架上單根取料，并同時將兩根鋼管放置在變頻回火輸送輥道上。

4．9回火輸送輥道回火輸送輥道為變頻調速，每個輥道單獨驅動，其上都安裝有兩個V型輥子，且輥道與鋼管輸送方向成一定的角度(20°～25°)，使鋼管在輸送過程中產生自轉，這種自轉不僅可以保證鋼管均勻性加熱，而且對鋼管有一定的熱矯直作用。回火輸送輥道與淬火輥道一樣亦分為三組，分別為:進料區輥道、加熱區輥道和出料區輥道。為了減少鋼管在加熱時產生彎曲，回火輸送輥道之間的間距設計為1．2～1．5m。

4．10回火窯爐回火窯爐與淬火窯爐的結構一致，也由窯爐、燃氣嘴自動控制系統、排煙系統和測溫儀組成，通過測溫儀檢測鋼管的加熱溫度，自動調節燃氣嘴的開口度，組成閉環控制系統，滿足鋼管回火溫度的要求。主要參數:最高加熱溫度800℃;誤差±5℃;窯爐長度68m;同時加熱根數為2根;燃燒介質為天然氣;最大生產能力為15t/h。其它參數符合產品大綱要求。

4．11回火下料翻板回火下料翻板用于將調質后的鋼管從回火輥道上輸送到出料鏈床上。4．12氣動控制系統生產線中有些動作需要氣缸驅動，所以設有氣動控制系統。該系統由氣源、截止球閥、氣體三聯件、電磁氣閥、接頭和管路等組成。其中換向閥、三聯件、節流閥和消音器等都采用了法斯特系列產品。

4．13電氣控制系統電氣控制系統是雙桿石油管體熱處理生產線的管理和控制核心，主要由總電源柜、電機啟動柜、PLC控制柜、主操作臺和工控機等組成。該系統選用了德國西門子公司的314c/2dp可編程控制器(PLC)，可對生產線進行自動控制、手動控制和調整控制，同時可根據工藝要求對設備進行連鎖保護。在滿足自動程序運行的條件下，啟動自動按鈕，設備將會按照設定程序完成生產線的整個動作，并不斷運行該循環程序，完成鋼管的調質處理。

5結論

雙桿石油管體熱處理生產線克服了以往鋼管熱處理生產線的弊端，鋼管雙線運行同時淬火，降低了生產成本，機械性能指標可以達到API標準要求。

參考文獻

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作者：杜學斌 徐能惠 邵國棟 馬輝 高璐 衛凌云 單位：中國重型機械研究院股份公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室