多功能鋼管熱處理工藝技術(shù)研究平臺(tái)

侯永利，田小江，劉新成，苑青英，張 君

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

多功能鋼管熱處理工藝技術(shù)研究平臺(tái)

侯永利1,2，田小江1,2，劉新成1,2，苑青英1,2，張 君1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了進(jìn)行油氣管材的熱處理工藝技術(shù)研究，特別是高鋼級(jí)、高抗擠油套管新產(chǎn)品研發(fā)，設(shè)計(jì)了一種多功能鋼管熱處理試驗(yàn)技術(shù)研究平臺(tái)。該平臺(tái)配備了電阻加熱和感應(yīng)加熱兩種加熱設(shè)備，以及TMCP超快速冷卻和內(nèi)噴外淋淬火兩種冷卻裝置，可進(jìn)行5種形式的冷卻，實(shí)現(xiàn)數(shù)十種熱處理工藝試驗(yàn)。對(duì)該平臺(tái)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并通過應(yīng)用實(shí)例對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該平臺(tái)設(shè)計(jì)緊湊，操作方便，可以根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行單個(gè)或聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，提高了鋼管熱處理的工作效率。

鋼管；多功能；熱處理；TMCP；加熱；冷卻

Abstract:In order to research the heat treatment technology for oil and gas tubular goods,especially for the development of high steel grade and high collapse resistance oil casing new product,a kind of multi-functional steel pipe heat treatment test technology research platform was designed.the heat treatment test technology research platform of tubular goods was established.The platform was equipped with two types of heating equipment,including resistance heating and induction heating,as well as two kinds of cooling device,such as TMCP ultra fast cooling and inside spray outside sprinkle cooling device.This platform can conduct 5 kinds of cooling,and realized dozens of heat treatment process tests.On the characteristics of the platform were introduced,and through the application examples the whole test process were analyzed.The results showed that the platform design was compact,easy to operate,the single or linkage experiment was carried out according to test requirements,improved the work efficiency of the steel tube heat treatment.

Key words:steel pipe;multi-function;heat treatment process;TMCP;heating;cooling

油套管作為石油工業(yè)重要的消耗物資，必須具備一定的性能才能滿足使用要求，其中熱處理是改善其性能的一種重要方式[1-2]。在API 5CT中，一些套管的制造方法已被明確要求必須進(jìn)行熱處理工藝[3]，特別是高鋼級(jí)、高抗擠油套管，熱處理是產(chǎn)品制造不可或缺的環(huán)節(jié)。起初，由于缺少試驗(yàn)設(shè)備，新產(chǎn)品的熱處理試驗(yàn)只能在生產(chǎn)線上進(jìn)行，這不僅影響了生產(chǎn)的正常進(jìn)行，而且試驗(yàn)成本太高；其次，由于生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的限定，使得生產(chǎn)線僅能完成2～4種熱處理工藝試驗(yàn)，而鋼管熱處理工藝多達(dá)十幾種，一些產(chǎn)品的性能不能被最大程度地發(fā)掘。

1 多功能鋼管熱處理試驗(yàn)平臺(tái)概述

1.1 平臺(tái)工藝布置

多功能鋼管熱處理試驗(yàn)平臺(tái)是由管材熱處理設(shè)備組合而成，用于鋼管熱處理工藝研究。平臺(tái)將中頻爐、高溫電阻爐、超快冷設(shè)備、外淋內(nèi)噴水淬設(shè)備及低溫電阻爐與輥道組合成一個(gè)整體系統(tǒng)，整條工藝線設(shè)計(jì)緊湊、操作簡便，可根據(jù)工藝要求，組合選擇所需設(shè)備，以滿足鋼管多種熱處理工藝要求。平臺(tái)工藝布置如圖1所示。

圖1 多功能鋼管熱處理試驗(yàn)平臺(tái)工藝布置

1.2 平臺(tái)主要設(shè)備

1.2.1 加熱設(shè)備

加熱是熱處理工藝的第一步，加熱設(shè)備是熱處理必備設(shè)備。本平臺(tái)選取具有電阻加熱和感應(yīng)加熱兩種形式的加熱設(shè)備。兩種設(shè)備可根據(jù)工藝要求單獨(dú)使用，也可組合使用。與燃?xì)饧訜嵯啾容^，投資低、污染小、技術(shù)先進(jìn)。

感應(yīng)加熱爐結(jié)構(gòu)如圖2所示，由2組感應(yīng)系統(tǒng)、4個(gè)感應(yīng)爐組成。每個(gè)爐子設(shè)置在兩個(gè)相鄰輥道之間，輥道帶動(dòng)鋼管通過感應(yīng)爐膛來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管快速加熱，爐子底部安裝渦輪蝸桿升降機(jī)構(gòu)，可搖動(dòng)手輪帶動(dòng)爐子升降來調(diào)整爐膛中心的高度。

圖2 感應(yīng)加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電阻爐結(jié)構(gòu)示意圖

電阻爐結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要有高溫電阻爐、低溫電阻爐兩種，兩種爐子的結(jié)構(gòu)操作完全相同，爐子主要由爐體和傾倒機(jī)構(gòu)組成。爐子布置在輥道一側(cè)，待鋼管運(yùn)行到爐前時(shí)，輥道停止，鋼管側(cè)進(jìn)滾入爐內(nèi)，待加熱完后，鋼管側(cè)出滾出爐外，放回到輥道上。鋼管加熱工序由爐體完成，傾倒機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)鋼管的進(jìn)出。

1.2.2 冷卻設(shè)備

冷卻是熱處理工藝重要環(huán)節(jié)，是改變高溫鋼內(nèi)在組織的關(guān)鍵步驟。不同的冷卻速度會(huì)產(chǎn)生不同的組織，不同組織呈現(xiàn)不同的性能。本平臺(tái)布置具有新一代TMCP技術(shù)的超快速冷卻設(shè)備[4]和當(dāng)前盛行的內(nèi)噴外淋淬火設(shè)備[5]，兩種設(shè)備是當(dāng)前較先進(jìn)的鋼管熱處理冷卻裝置。

超快速冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由5組噴水環(huán)、輥道和1個(gè)鋼制支架組成。5組噴水環(huán)分隔設(shè)置在相鄰輥道之間，噴水環(huán)通過管道連通到蓄水池，噴水環(huán)和輥道固定在一個(gè)可上下移動(dòng)的支架上，整個(gè)機(jī)構(gòu)又被封閉在一個(gè)保護(hù)罩內(nèi)。

圖4 超快速冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)噴外淋淬火設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由內(nèi)噴機(jī)構(gòu)、外淋機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、管道和外構(gòu)架組成。整個(gè)設(shè)備布置在輥道一側(cè)，鋼管運(yùn)行到設(shè)備前面時(shí)，輥道停止，上料機(jī)構(gòu)將鋼管放置在旋轉(zhuǎn)裝置上，水從外淋管和內(nèi)噴管噴出，對(duì)鋼管內(nèi)外雙向同時(shí)進(jìn)行冷卻，冷卻完成后，由上料機(jī)構(gòu)將鋼管放回到輥道上。

圖5 內(nèi)噴外淋淬火設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2 多功能鋼管熱處理試驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)特點(diǎn)

（1）首次引進(jìn)了新一代TMCP（控扎控冷）技術(shù)—超快速冷卻設(shè)備，該設(shè)備是對(duì)不同材質(zhì)和規(guī)格鋼管進(jìn)行在線控冷的一種熱處理工藝。

（2）集成了感應(yīng)加熱、電阻加熱兩種加熱方式。中頻感應(yīng)加熱速度快，鋼管表面只產(chǎn)生一層極薄的氧化鐵皮，加熱后管體晶粒尺寸小，利于鋼管組織的改善和性能的提升[6-7]；采用電阻爐是對(duì)感應(yīng)加熱后的鋼管進(jìn)行均熱保溫，電阻爐提前空爐升溫至鋼管加熱目標(biāo)溫度，縮短了鋼管加熱保溫時(shí)間，解決了電阻爐升溫速度慢而感應(yīng)加熱保溫時(shí)間短的問題，大大提高了鋼管熱處理工作效率。

（3）配置超快冷和內(nèi)噴外淋兩種冷卻設(shè)備，可根據(jù)熱處理工藝需要，采用水冷、霧冷、氣冷、空冷以及離線水淬5種冷卻形式。超快冷通過超高壓水快速降低鋼管的溫度，可準(zhǔn)確控制冷卻過程中的終冷溫度，是精確控制冷卻過程中相變進(jìn)程的重要技術(shù)保障[8]；內(nèi)噴外淋冷卻設(shè)備采用“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”方式對(duì)鋼管內(nèi)外表面同時(shí)冷卻，冷卻后溫度達(dá)到常溫，兩種方式可根據(jù)工藝要求單獨(dú)進(jìn)行，也可組合使用。

（4）囊括加熱后管材的加熱、保溫、空冷、區(qū)間冷卻（UFC）、淬火、加熱回火及回火后空冷或快冷等試驗(yàn)功能，并可實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)功能的有機(jī)組合。根據(jù)研究需要，可組合開展淬火、正火、退火、回火、等溫正火、分級(jí)正火、分級(jí)淬火、固溶、時(shí)效等數(shù)十種熱處理工藝試驗(yàn)；平臺(tái)可進(jìn)行多種熱處理工藝的研究和探索，以滿足不同性能鋼材開發(fā)需求；同時(shí)，可針對(duì)生產(chǎn)線的實(shí)際情況，開展探索性工藝試驗(yàn)，為完善生產(chǎn)線熱處理工藝積累經(jīng)驗(yàn)。

（5）為了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和處理，熱處理試驗(yàn)研究設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)化、智能化數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理的功能[9]。配備了先進(jìn)的監(jiān)測、傳感系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集、顯示和處理加熱溫度、保溫溫度、冷卻溫度、保溫時(shí)間、加熱速率、冷卻速率等關(guān)鍵性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，生成全試驗(yàn)過程溫度－時(shí)間曲線。

（6）設(shè)計(jì)緊湊，操作方便，可控制單個(gè)設(shè)備，可聯(lián)動(dòng)整條系統(tǒng)。各個(gè)設(shè)備通過輥道有機(jī)串接起來，輸送輥道分為多段，各段功能有所不同，根據(jù)試驗(yàn)工藝要求，可控制不同段的輥道運(yùn)行。

3 多功能鋼管熱處理試驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用

多功能鋼管熱處理試驗(yàn)平臺(tái)主要用于全尺寸油井管熱處理工藝試驗(yàn)，以滿足不同性能鋼材的開發(fā)需求。試驗(yàn)平臺(tái)自運(yùn)行以來已完成多次熱處理試驗(yàn)，現(xiàn)列舉兩個(gè)實(shí)例：①2014年在“Q125鋼級(jí)SEW石油套管研發(fā)”項(xiàng)目中，Φ139.7 mm×10.54 mm SEW油套管的熱處理工藝試驗(yàn)在該平臺(tái)進(jìn)行，經(jīng)過多次試制，選出理想熱處理工藝，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到API 5CT規(guī)范要求，該工藝已應(yīng)用于生產(chǎn)；②在經(jīng)濟(jì)型油套管研發(fā)中，通常以低成本鋼種為研究對(duì)象，通過改變其熱處理制度來改善其性能，以提升產(chǎn)品的鋼級(jí)[10]。32Mn6鋼種原為鋼廠新軋制的無縫油套管鋼，起初只作為J55使用。2015年5月，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院對(duì)包鋼生產(chǎn)的J55 32Mn6套管進(jìn)行了離線熱處理試驗(yàn)，通過該平臺(tái)對(duì)低鋼級(jí)熱軋無縫管坯進(jìn)行了多次熱處理試驗(yàn)，提高了管體強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了無縫管由低鋼級(jí)到高鋼級(jí)的突破。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

該熱處理工藝技術(shù)研究平臺(tái)可進(jìn)行十多種熱處理工藝試驗(yàn)，現(xiàn)列舉較為典型的試驗(yàn)案例進(jìn)行說明。

試驗(yàn)選用鋼管規(guī)格為Φ139.7 mm×7.72 mm×5 000 mm，熱處理工藝采用中頻透熱到850℃→高溫電阻爐850℃保溫25 min→在輥道空冷至800℃→超快冷卻至450℃→外淋內(nèi)噴淬火到30℃→回火電阻爐升溫650℃保溫30 min。具體步驟如下：

（1）啟動(dòng)中頻感應(yīng)爐和輸送輥道，鋼管通過中頻爐連續(xù)快速加熱。鋼管在加熱時(shí)，由于功率、輥速等參數(shù)設(shè)定偏差，致使加熱溫度達(dá)到870℃，隨著參數(shù)調(diào)整，加熱溫度趨于工藝要求溫度850℃，感應(yīng)加熱溫度曲線如圖6所示。

（2）高溫電阻爐溫度曲線如圖7所示。將高溫電阻爐提前升溫至850℃，鋼管進(jìn)入爐內(nèi)進(jìn)行加熱保溫25 min。開始爐溫保持在設(shè)定溫度850℃，隨后爐門打開鋼管進(jìn)入，爐溫下降，最后對(duì)鋼管進(jìn)行加熱保溫，溫度上升，且保持在設(shè)定溫度。

（3）超快速冷卻。超快速冷卻溫度曲線如圖8所示。選擇冷卻介質(zhì)為水，設(shè)定噴水壓力和輥速，鋼管由輥道輸送通過快速冷卻裝置，控制冷卻前后溫度分別為800℃和450℃。

圖6 感應(yīng)加熱溫度曲線

圖7 高溫電阻爐溫度曲線

圖8 超快速冷卻溫度曲線

（4）內(nèi)噴外淋淬火。設(shè)定淬火時(shí)間，內(nèi)噴流量305 m3/h，外淋流量415 m3/h，控冷后的鋼管進(jìn)入內(nèi)噴外淋淬火，并冷卻到常溫（30℃）。由于內(nèi)噴外淋設(shè)備直接將高溫淬到常溫，因此無法設(shè)置溫度曲線圖。

（5）將低溫電阻爐提前升溫至650℃，鋼管進(jìn)入爐內(nèi)進(jìn)行加熱保溫30 min。開始爐溫保持在設(shè)定溫度650℃，隨后爐門打開鋼管進(jìn)入，爐溫下降；其后對(duì)管子進(jìn)行加熱保溫，溫度上升且保持在設(shè)定溫度。

（6）冷卻至室溫的鋼管進(jìn)入儲(chǔ)料臺(tái)架，等待下一步處理，整個(gè)試驗(yàn)過程完成。

5 結(jié)束語

匯集多種先進(jìn)技術(shù)的多功能熱處理工藝研究試驗(yàn)平臺(tái)的建立為我們進(jìn)行油氣管材熱處理工藝技術(shù)研究提供了一個(gè)良好的支撐。隨著平臺(tái)更加深入廣泛的應(yīng)用，其強(qiáng)大的作用將日益凸顯，先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢必將帶動(dòng)國內(nèi)油套管發(fā)展向更高目標(biāo)邁進(jìn)。

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Multi-functional Steel Pipe Heat Treatment Technology Research Platform

HOU Yongli1,2,TIAN Xiaojiang1,2,LIU Xincheng1,2,YUAN Qingying1,2,ZHANG Jun1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)

TG155

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.04.013

201－10－14

編輯：李紅麗

侯永利（1976—），男，陜西扶風(fēng)人，工程師，現(xiàn)主要從事鋼管熱處理工藝研究工作。