高Cr合金鋼穿孔毛管內(nèi)螺旋產(chǎn)生原因及其改善措施

陳金童，劉廣華，張明亞

（1.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243000；2.江蘇常寶普萊森鋼管有限公司，江蘇 常州 213000）

在石油行業(yè)，高Cr合金鋼主要用于生產(chǎn)抗CO2腐蝕系列油套管，典型產(chǎn)品有L80-9Cr、L80-13Cr、110-13Cr系列套管［1-4］。通常采用穿孔+冷軋工藝生產(chǎn)高Cr合金鋼管，其穿孔毛管質(zhì)量直接決定了最終冷軋成品的質(zhì)量狀況，穿孔毛管內(nèi)表面質(zhì)量主要受到穿孔頂頭質(zhì)量影響最大，也是高Cr合金鋼管穿孔過程中最容易出現(xiàn)質(zhì)量問題的“重災(zāi)區(qū)”。

普通碳鋼在生產(chǎn)過程中，頂頭容易發(fā)生早期鼻部塌陷、黏鋼變形和開裂等失效方式［5-10］。同時(shí)，頂頭的早期失效還容易造成中卡或尾卡等軋卡事故。但是在高Cr合金鋼穿孔過程中，通常采用鉬頂頭進(jìn)行穿孔，鉬頂頭失效的方式主要是磨損嚴(yán)重、開裂、黏鋼劃傷毛管等質(zhì)量缺陷［11-13］，這些缺陷對(duì)高Cr合金鋼穿孔毛管內(nèi)表面質(zhì)量影響更加嚴(yán)重。針對(duì)頂頭的失效形式，國(guó)內(nèi)外在頂頭的形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱處理工藝、頂頭材質(zhì)成分等多方面進(jìn)行了研究［13］；以改善穿孔毛管內(nèi)表面質(zhì)量為目的，對(duì)頂頭外形進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高其使用壽命。

1 研究背景及現(xiàn)狀

在無縫鋼管的生產(chǎn)中，穿孔頂頭是生產(chǎn)的關(guān)鍵工具之一，同時(shí)也是消耗最大的工具。頂頭在穿孔過程中與高溫管坯直接接觸，減徑終軋段頂頭的鼻部溫度高達(dá) 1 300 ℃［14］。在 L80-9Cr、L80-13Cr毛管穿孔生產(chǎn)過程中，由于采用鉬頂頭，頂頭無法進(jìn)行冷卻，穿孔前后頂頭溫度均很高，尤其是穿孔后溫度可以達(dá)到900℃以上，鉬頂頭在高溫狀態(tài)下磨損較快，同時(shí)還存在鉬的揮發(fā)，承受著很大的徑向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和摩擦力。在高溫高壓、交變應(yīng)力和急冷急熱的工作環(huán)境中，頂頭經(jīng)過熱疲勞和機(jī)械疲勞的綜合作用，使用一段時(shí)間之后，如圖1（a）所示，頂頭會(huì)形成明顯的圓錐形，頂頭尾部形成棱角，如圖1（b）所示，穿孔后的毛管內(nèi)表面出現(xiàn)非常明顯的螺旋形痕跡，嚴(yán)重影響了鋼管的質(zhì)量和產(chǎn)量。為了保證穿孔毛管質(zhì)量，在實(shí)際生產(chǎn)過程中往往以犧牲頂頭使用壽命為代價(jià)，但是最終造成生產(chǎn)成本的增加［15］。

圖1 穿孔頂頭與毛管內(nèi)表面

優(yōu)化穿孔頂頭的外形設(shè)計(jì)，以提高其服役壽命，有研究表明，影響鉬合金頂頭使用壽命的主要因素是鉬合金粉末配比和粒度，鉬粉的粒度應(yīng)控制在 2.5～3.2 μm，鉬合金頂頭的添加元素中 m（Ti+Zr）/m（C）的配比控制在3～5。考慮到質(zhì)量與成本的因素，鉬頂頭應(yīng)該采用氫氣燒結(jié)［16］。

2 分析與改進(jìn)

為了查找穿孔毛管內(nèi)表面螺紋形成原因，對(duì)一支穿孔中軋卡毛管試樣進(jìn)行了切割分析，如圖2所示。

圖2 穿孔中軋卡試樣

從圖2中可以看出，毛管內(nèi)表面螺旋痕跡主要是頂頭尾部在軋制過程中與毛管內(nèi)表面接觸，導(dǎo)致毛管內(nèi)壁被“雕刻”成螺旋痕跡。毛管內(nèi)表面螺旋痕跡產(chǎn)生的機(jī)理如下：

（1）鉬頂頭使用過程中，由于不斷磨損，頂頭形狀逐漸接近圓錐形狀，尾部與毛管內(nèi)表面直接接觸；

（2）頂頭尾部規(guī)圓段長(zhǎng)度偏短，導(dǎo)致磨損后頂頭尾部近似銳角形狀。

根據(jù)上述毛管內(nèi)螺紋形成原因，為了改善穿孔毛管內(nèi)表面質(zhì)量，可在頂頭設(shè)計(jì)方面采取如下措施：

（1）在頂頭總長(zhǎng)度不變的情況下，縮短穿孔錐長(zhǎng)度，增加均壁段和規(guī)圓段長(zhǎng)度，從而獲得較為“肥胖”的頂頭，增加頂頭耐磨程度。

（2）減小頂頭穿孔錐角度，進(jìn)一步增加頂頭耐磨程度，通過增加穿孔錐磨損余量，避免或降低尾部磨損，從而可以提高頂頭使用壽命，改善或減輕穿孔毛管內(nèi)表面螺旋深度，提高毛管內(nèi)表面質(zhì)量。改進(jìn)后的頂頭如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的頂頭

經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試用，生產(chǎn)Φ159 mm×12.5 mm毛管，毛管內(nèi)表面質(zhì)量有明顯改善，頂頭使用壽命也得到了一定的提高。改善后穿孔毛管內(nèi)表面質(zhì)量如圖4所示。

圖4 改善后穿孔毛管內(nèi)表面質(zhì)量

3 結(jié)果與討論

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)Φ168 mm×12.5 mm L80-9Cr毛管驗(yàn)證，改善前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果見表1。

表1 改善前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果

通過對(duì)表1數(shù)據(jù)分析可以看出，在相同的生產(chǎn)條件下，用改善后的頂頭生產(chǎn)的毛管不僅內(nèi)表面質(zhì)量較好，且在連續(xù)生產(chǎn)時(shí)工人中間過程調(diào)整次數(shù)和調(diào)整時(shí)間縮短，生產(chǎn)節(jié)奏明顯提高約50 s/支；由于使用壽命增加，頂頭更換時(shí)間在總生產(chǎn)時(shí)間的比例也有所降低，原來每個(gè)班最高產(chǎn)量從250支，提高到改善后的320支；由于毛管內(nèi)表面質(zhì)量改善，后續(xù)冷軋質(zhì)量和效率也得到了提高。

4 結(jié) 語

（1）通過縮短高Cr合金鋼穿孔頂頭的穿孔錐長(zhǎng)度，增加均壁段和規(guī)圓段長(zhǎng)度，以及減小頂頭穿孔錐角度，高Cr合金鋼穿孔毛管內(nèi)螺旋現(xiàn)象得到了明顯改善。

（2）通過頂頭形狀的優(yōu)化，頂頭使用壽命提高了約40%。

（3）由于頂頭使用壽命增加，毛管內(nèi)表面質(zhì)量的改善，生產(chǎn)調(diào)整時(shí)間縮短，生產(chǎn)效率提高了約28%。