石油設(shè)備熱處理技術(shù)

張海洋

（大慶油田工程有限公司，黑龍江大慶 163712）

0 引言

在石油工業(yè)中，油田開發(fā)過程中使用的石油機(jī)械熱處理技術(shù)是需要攻克的主要難題，傳統(tǒng)的熱處理工藝落后，能源耗費(fèi)較大，環(huán)境污染嚴(yán)重，已無法適應(yīng)新形勢下低碳經(jīng)濟(jì)的要求。節(jié)能高效的新技術(shù)，資源利用率高，環(huán)境污染小，生產(chǎn)工藝先進(jìn)，為石油工業(yè)提供長期、安全、高效的生產(chǎn)環(huán)境，是石油機(jī)械熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 石油機(jī)械設(shè)備熱處理技術(shù)

石油機(jī)械熱處理技術(shù)是指在特定條件下，對石油機(jī)械設(shè)施的重要金屬零部件進(jìn)行加熱、冷卻等技術(shù)操作，使金屬表面或內(nèi)部獲得耐磨損耐高溫性能。傳統(tǒng)的石油機(jī)械熱處理技術(shù)主要采用馬氏體強(qiáng)化、碳氮共滲、離子滲氮、高鉻耐磨鑄鐵熱處理等工藝，但是傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)工藝落后，能源耗費(fèi)較大，環(huán)境污染嚴(yán)重。整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以改變其整體力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。在石油機(jī)械產(chǎn)品中，需要進(jìn)行熱處理的部件主要包括石油鉆頭、鉆機(jī)齒輪、轉(zhuǎn)盤齒輪等，包括一些鉆探工具，如吊環(huán)、吊鉗等?？萍歼M(jìn)步促使熱處理技術(shù)不斷發(fā)展，目前較先進(jìn)的石油機(jī)械部件的熱處理技術(shù)主要有3種。

1.1 無氧化熱處理

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，無氧化技術(shù)在先進(jìn)工業(yè)國家石油機(jī)械金屬熱處理中所占比重達(dá)到80%，氧化環(huán)境下的熱處理現(xiàn)已非常稀少，較大程度上提高了石油機(jī)械設(shè)施的使用壽命。無氧化熱處理技術(shù)的主要內(nèi)容是對加工零件進(jìn)行可控氣氛熱處理和真空熱處理，并在無氧的條件下冷卻，處理過程中避免氧化脫碳，從而提高金屬部件的強(qiáng)度、硬度、耐用性及設(shè)備的使用壽命。

1.2 低壓滲碳熱處理

低碳鋼、低合金鋼采用低壓滲碳熱處理技術(shù)，是因?yàn)椴考牧现刑荚睾康?，硬度指?biāo)不夠。該技術(shù)處理方式是將加工部件放在活性炭介質(zhì)條件下，將溫度加熱到（900～950）℃，保溫一段時(shí)間，使介質(zhì)中碳原子分解滲透到加工部件，使其獲得很高的硬度和耐磨性，滿足使用標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)要求。

1.3 激光熱處理

激光熱處理技術(shù)是對石油機(jī)械設(shè)備中精細(xì)部件進(jìn)行表面熱處理，提高金屬表面硬度，使金屬表面合金化，提升精密設(shè)備表面的耐磨性能、耐腐蝕性和抗氧化性，提高設(shè)備的使用效率和壽命。因?yàn)榧庸r(shí)間短、加工性能好、表面處理結(jié)合性能高等諸多優(yōu)點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)金屬部件熱處理技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難題，使激光熱處理技術(shù)受到世界各國石油機(jī)械設(shè)備制造專家的特別關(guān)注，促進(jìn)了該技術(shù)的長足發(fā)展。

伴隨信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，單一的熱處理方式已經(jīng)難以滿足我國石油工業(yè)的需求，石油機(jī)械設(shè)備熱處理方式正朝著現(xiàn)代化、集成化、精密化、自動(dòng)化的目標(biāo)發(fā)展，不僅構(gòu)建了節(jié)能環(huán)保、優(yōu)質(zhì)高效、功能強(qiáng)大的熱處理系統(tǒng)，還實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、工業(yè)管理信息化目標(biāo)。

2 石油機(jī)械設(shè)備熱處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 熱處理設(shè)備落后

現(xiàn)階段熱處理加熱設(shè)施以二次能源電為主要?jiǎng)恿Γ植渴褂妹汉吞烊粴?，因此能源消耗高，工藝設(shè)備差，熱處理大多在有氧環(huán)境下進(jìn)行，導(dǎo)致產(chǎn)品氧化脫碳嚴(yán)重，質(zhì)量出現(xiàn)偏差，加大了后續(xù)加工作業(yè)量，造成整個(gè)工藝制造成本高。因此需要研究開發(fā)更有效的生產(chǎn)設(shè)備，降低資源能耗，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，提升產(chǎn)品的品質(zhì)，減少工作量，降低工藝制造成本。

2.2 生產(chǎn)不專業(yè)、設(shè)備使用壽命短

石油機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)行業(yè)競爭激烈，產(chǎn)品形成了“多品種、小批量”的特點(diǎn)，產(chǎn)品型號花樣繁多，生產(chǎn)規(guī)模小，難以實(shí)現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn)；反復(fù)周期的工作方式，大大增加了工人的勞動(dòng)量，同時(shí)處理不同的產(chǎn)品，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降；通常采用人工拋扔的模式裝出爐，招致熱處理爐早期損壞，縮短了設(shè)備的使用壽命。對此進(jìn)行行業(yè)整改，把控生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，加強(qiáng)專業(yè)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，普及自動(dòng)化流水線，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品量化生產(chǎn)、品質(zhì)高效的工藝流程。

2.3 忽略冷卻循環(huán)系統(tǒng)

目前多數(shù)熱處理廠缺乏對冷卻循環(huán)系統(tǒng)的深層次認(rèn)知，仍采用靜置冷卻的方式，冷卻環(huán)節(jié)投入力度小。介質(zhì)使用過程中對溫度、濃度、時(shí)間、循環(huán)模式等把控不夠精確，自動(dòng)控制和強(qiáng)制冷卻循環(huán)環(huán)節(jié)有待加強(qiáng)和提高。通過正視存在的問題，在冷卻循環(huán)系統(tǒng)下功夫，監(jiān)測控制操作流程中需要注重的指標(biāo)，保證冷卻循環(huán)系統(tǒng)的高質(zhì)、高效。

2.4 熱處理質(zhì)量控制水平低，檢測手段落后

熱處理產(chǎn)品用事后試驗(yàn)棒和產(chǎn)品表面硬度來測試產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品種類多，數(shù)量大，材料成分不一，使產(chǎn)品返工修正率增大，生產(chǎn)周期變長，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量和降低，熱處理成本因此增加。冷卻循環(huán)過程人為操作控制，冷卻介質(zhì)缺乏有效的監(jiān)測手段，很大程度上影響產(chǎn)品質(zhì)量。要保證產(chǎn)品質(zhì)量，就要對熱處理和冷卻工藝過程進(jìn)行嚴(yán)格控制，學(xué)習(xí)開發(fā)先進(jìn)的檢測手段，提升質(zhì)量檢測效率，逐漸完善熱處理產(chǎn)品控制和檢測機(jī)制，建立一套優(yōu)質(zhì)完善的處理體系。

2.5 環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重

隨著工業(yè)化程度越來越高，環(huán)境保護(hù)成為焦點(diǎn)問題。諸多熱處理工廠盲目追求產(chǎn)量和利益，忽視生產(chǎn)過程中廢料、廢氣、廢水的處理，對空氣環(huán)境、土地資源、水資源帶來了嚴(yán)重污染，造成不可估量的損失。因此要增強(qiáng)保護(hù)環(huán)境的意識，改進(jìn)和完善工業(yè)排放處理機(jī)制，達(dá)到國家規(guī)定的廢棄物排放標(biāo)準(zhǔn)，不給環(huán)境和社會造成負(fù)擔(dān)。

3 石油機(jī)械設(shè)備熱處理技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 研究推廣節(jié)能技術(shù)

各種高效的節(jié)能技術(shù)在各種工藝流程中得到應(yīng)用，比如通過遠(yuǎn)紅外技術(shù)、硅酸鋁纖維等對電阻爐進(jìn)行改造，達(dá)到節(jié)約能耗的目的；控制燃料合理充分燃燒的控制方法以及廢料、廢氣、廢水的循環(huán)利用，提高資源利用效率；利用碳素鋼的零保溫加熱、亞溫淬火、低壓滲碳、真空高溫滲碳等先進(jìn)技術(shù)，在熱處理環(huán)節(jié)中降低能耗；選用節(jié)能效果好、質(zhì)量高的熱處理設(shè)備。

3.2 推廣少無氧化熱處理技術(shù)

少無氧化熱處理技術(shù)的普及程度是評估熱處理水平的重要指標(biāo)。因此，應(yīng)著力宣傳少無氧化熱處理技術(shù)節(jié)約能源、節(jié)約材料、零件熱處理質(zhì)量穩(wěn)定、無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，深化管理層對新技術(shù)的認(rèn)知和重視。同時(shí)，加大對固定資產(chǎn)的投入力度，普及發(fā)展新技術(shù)新設(shè)備的使用，從關(guān)鍵零件入手，逐步增加我國石油機(jī)械熱處理少無氧化熱處理技術(shù)的生產(chǎn)比重。

3.3 提高專業(yè)化生產(chǎn)水平

石油機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品多品種、小批量，導(dǎo)致熱處理專業(yè)化生產(chǎn)能力處于較低的水平，熱處理專業(yè)化生產(chǎn)水平急需發(fā)展和提高。優(yōu)化石油機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)廠家的資源配置構(gòu)造，加深各個(gè)企業(yè)之間的協(xié)同管理，推陳出新，踴躍創(chuàng)造，將石油機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)規(guī)?；I(yè)化、綜合化。建立完善的生產(chǎn)流水線，構(gòu)建健全的監(jiān)測、質(zhì)檢機(jī)制，向機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化的方向全面發(fā)展。實(shí)現(xiàn)工業(yè)管理信息化、高效化，提升機(jī)械制造的精密程度。

3.4 提高控制和冷卻技術(shù)水平

在金屬熱處理過程中，控制水平尤為重要，因?yàn)楫a(chǎn)品的質(zhì)量主要依靠生產(chǎn)過程中準(zhǔn)確無誤的控制。諸多的控制操作盡量采用自動(dòng)化、機(jī)械化的方式進(jìn)行，以減少人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。不應(yīng)忽略冷卻技術(shù)的重要性，改進(jìn)熱處理技術(shù)時(shí)，加強(qiáng)對相關(guān)設(shè)備和介質(zhì)的研究和監(jiān)測，以確保條件恒定不變，不斷發(fā)展和改進(jìn)加工技術(shù)，在實(shí)踐中穩(wěn)步推廣普及。

4 石油機(jī)械設(shè)備熱處理的潛在問題及解決方案

4.1 污染問題

工業(yè)的迅速發(fā)展，帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也涌現(xiàn)出許多問題，目前，環(huán)境污染問題已經(jīng)成為全球面臨的最大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的石油工業(yè)中的熱處理技術(shù)無論在能源耗費(fèi)上還是在環(huán)境污染上都給社會造成了龐大的壓力。石油機(jī)械熱處理產(chǎn)生的廢氣、廢渣、廢水、油煙等大批量排放，需要更多的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行清潔治理，機(jī)械發(fā)出的噪聲嚴(yán)重影響著人們的身心健康。應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)環(huán)境意識，革新技術(shù)，從污染的根源進(jìn)行減排治理，從根本上降低工業(yè)制造業(yè)對環(huán)境的污染。

4.2 生產(chǎn)技術(shù)落后設(shè)備陳舊

我國石油熱處理一直延用70年代的技術(shù)，設(shè)備也沿用70年代的設(shè)備，技術(shù)和設(shè)備都缺乏創(chuàng)新，導(dǎo)致生產(chǎn)力處于世界低端水平。因此應(yīng)大力引進(jìn)國外先進(jìn)熱處理技術(shù)，在實(shí)踐中不斷摸索，研發(fā)出自己的新技術(shù)。在固定資產(chǎn)上加大投資力度，更新淘汰老舊設(shè)備，最大程度提升生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加速工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展壯大，持續(xù)創(chuàng)新，早日達(dá)到國際先進(jìn)水平。

4.3 自動(dòng)化、機(jī)械化程度較低

石油機(jī)械設(shè)備熱處理工藝流程中，人工勞動(dòng)量大的因素，嚴(yán)重影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和設(shè)備的壽命。應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)自動(dòng)化，大力開發(fā)和推廣計(jì)算機(jī)模擬仿真和控制技術(shù)在大型石油機(jī)械零件熱處理中的應(yīng)用。建立健全的數(shù)據(jù)庫，通過計(jì)算機(jī)監(jiān)測控制熱處理過程數(shù)據(jù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)石油機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)與組裝的自動(dòng)化、智能化，節(jié)省人工成本，降低產(chǎn)品制造成本。

4.4 專業(yè)技術(shù)人才匱乏

科學(xué)是第一生產(chǎn)力，而人是生產(chǎn)力中最活躍的因素。要達(dá)到國際先進(jìn)水平就要進(jìn)行技術(shù)的革新和創(chuàng)造，但技術(shù)發(fā)展需要人為推動(dòng)，培養(yǎng)和發(fā)掘新型技術(shù)人才，提高人才的職業(yè)素養(yǎng)，要堅(jiān)持以人為本，因材施教，以多種途徑和方式不斷提高熱處理職工群體的整體水平。宣傳先進(jìn)熱處理技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，吸引更多的新鮮血液融入石油機(jī)械設(shè)備制造業(yè)，彌補(bǔ)石油行業(yè)技術(shù)人才匱乏的短板，為振興石油工業(yè)做好人才儲備。