鋼管熱處理工藝技術(shù)（Ⅱ）
——《熱軋無縫鋼管實(shí)用技術(shù)》

3 鋼管在線?；椭苯哟慊鸸に?/h2>

3.1 在線?；?/h3>

鋼管在線常化是指將軋制后的荒管直接放在?；浯采侠鋮s到Ar1溫度以下，使其發(fā)生共析轉(zhuǎn)變（由奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+珠光體組織）之后，再送進(jìn)再加熱爐中加熱到Ac3溫度以上，并保溫一段時(shí)間，直到鋼管組織又全部轉(zhuǎn)變成奧氏體后出爐，經(jīng)定（減）徑機(jī)定（減）徑，并按一定的冷卻速度冷卻到室溫，以獲得較為細(xì)小、均勻的鐵素體+珠光體組織的一種熱處理工藝。

在線常化工藝可節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序。如果將在線?；c控制冷卻相結(jié)合，鋼管就可以得到良好的金相組織，改善其綜合性能，尤其是能大幅度提高鋼管的沖擊韌性；但在線常化工藝會(huì)影響生產(chǎn)節(jié)奏，降低軋機(jī)產(chǎn)量。

根據(jù)在線常化的工藝要求，必須注意以下3個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)。

（1）荒管進(jìn)再加熱爐之前的溫度控制?；墓茉谶M(jìn)再加熱爐之前，必須冷卻到Ar1溫度以下。為減少冷卻時(shí)間，提高生產(chǎn)效率可采用吹風(fēng)或吹風(fēng)+噴霧的方式加大鋼管的冷卻速度。

（2）再加熱爐加熱溫度和加熱時(shí)間的控制?；墓茉偌訜釡囟葢?yīng)控制在Ac3以上30～50℃，并保溫適當(dāng)時(shí)間，使鋼中奧氏體均勻化、晶粒細(xì)小。為了防止奧氏體晶粒粗化，除要嚴(yán)格控制加熱溫度和加熱時(shí)間外，還可在鋼的成分設(shè)計(jì)上，適量添加微量合金元素，如V、Ti、Nb等。這些元素與鋼中的C、N元素形成的M（C、N）化合物質(zhì)點(diǎn)，可以有效抑制晶粒長(zhǎng)大。

（3）鋼管終軋溫度和冷卻速度的控制。控制鋼管的終軋溫度并采用控冷技術(shù)，以加快鋼管定（減）徑后的冷卻速度。

在線?；に囈褟V泛應(yīng)用于油井管、鍋爐管、結(jié)構(gòu)管、流體輸送管等鋼管品種的生產(chǎn)。

3.2 直接淬火

直接淬火是指鋼管經(jīng)過定（減）徑后，利用鋼管自身的余熱進(jìn)行淬火，以獲得馬氏體組織的一種熱處理工藝。東北大學(xué)研究的鋼管定（減）徑后特快速冷卻直接淬火工藝，已成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，并取得了很好的效果。

在線淬火與離線淬火工藝沒有本質(zhì)性的差別，只是直接淬火不需要進(jìn)行再加熱，而是利用鋼管定（減）徑后的余熱，通過快速冷卻得到馬氏體組織。

鋼管定（減）徑后，其組織得到了細(xì)化，直接淬火又避免了離線淬火時(shí)因鋼管再次加熱而帶來的晶粒長(zhǎng)大。因此，鋼管直接淬火工藝，可以得到高位錯(cuò)密度的細(xì)小馬氏體和細(xì)小碳化物，這種組織經(jīng)回火后會(huì)變成均勻且細(xì)小的索氏體組織。使得鋼管具有良好的綜合力學(xué)性能，強(qiáng)度高，韌性好。直接淬火可以節(jié)約能源。

采用直接淬火工藝的最基本要求是必須保證定（減）徑后的鋼管溫度要高于鋼的奧氏體化溫度（Ac3），且整支鋼管的溫度要均勻一致。

4 鋼管熱處理缺陷與預(yù)防

鋼管熱處理的目的就是要通過加熱、保溫、冷卻這三個(gè)必不可少的過程，使鋼管得到良好的預(yù)期組織和性能。鋼管在熱處理過程中產(chǎn)生的缺陷主要包括組織性能不合格、淬火變形及開裂、嚴(yán)重氧化和脫碳、過熱或過燒、擦傷等。

4.1 組織性能不合格

鋼管在熱處理過程中，可能因?yàn)榧訜釡囟炔徽_，或保溫時(shí)間不合理，或冷卻速度太快或太慢而得不到希望獲得的組織，從而造成鋼管的性能不符合要求。

在鋼的奧氏體化過程中，一般需要經(jīng)歷奧氏體的形核與長(zhǎng)大，殘余碳化物的溶解和奧氏體的均勻化。為使這三個(gè)過程順利進(jìn)行，一是需要通過加熱來提供動(dòng)力，二是需要有一定的加熱時(shí)間給予保證，否則鋼的奧氏體化過程不完全，鋼管冷卻后的組織和性能就不會(huì)合格。

在制訂鋼管加熱工藝時(shí)，還應(yīng)充分考慮鋼中的合金元素、原始組織、鋼管規(guī)格、加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)鋼管的奧氏體化的影響。一般來講，鋼管的加熱溫度越高，奧氏體化的時(shí)間就越短；合金元素含量越高，奧氏體化的時(shí)間就越長(zhǎng)；鋼的原始組織越彌散，奧氏體化的速度就越快；而鋼管的壁厚越厚，則需要的加熱時(shí)間就越長(zhǎng)。

在制定冷卻制度時(shí)，通過選擇不同的冷卻介質(zhì)（爐冷、空冷、風(fēng)冷、霧冷、水冷、油冷、淬火液冷等）和冷卻方式（浸淬、浸淬+內(nèi)軸流、噴淋、噴淋+內(nèi)軸流）來控制鋼管冷卻速度，以保證得到淬火后所希望得到的組織。

回火溫度對(duì)鋼管性能有十分重要的影響，在淬火組織合理的前提下，回火溫度高，鋼管的強(qiáng)度和硬度會(huì)降低，韌性會(huì)提高；反之則反。

4.2 淬火變形及開裂

鋼管淬火時(shí)，當(dāng)其壁厚不均、嚴(yán)重彎曲和加熱溫度不均或冷卻速度不一致，都有可能導(dǎo)致淬火后的鋼管變形。尤其是在采用內(nèi)軸流水淬時(shí)，噴嘴中心線與鋼管中心線不一致，或噴淋時(shí)，冷卻水噴頭偏離鋼管表面軸線中心，鋼管的彎曲變形會(huì)比較嚴(yán)重。

淬火時(shí)的鋼管加熱溫度過高或冷卻介質(zhì)、冷卻方式選擇不合適而致使冷卻速度過快，鋼管容易產(chǎn)生淬火裂紋。當(dāng)鋼中含有較大尺寸的非金屬夾雜物或化學(xué)成分嚴(yán)重偏析，也會(huì)增加鋼管產(chǎn)生淬火裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

選擇合適的冷卻速度，保證鋼管加熱和冷卻均勻是防止淬火變形的主要措施。在鋼管淬火過程中，通過鋼管旋轉(zhuǎn)裝置讓鋼管一邊冷卻，一邊旋轉(zhuǎn)，能減小變形的程度。在保證能得到適宜淬火組織的前提下，適當(dāng)降低鋼管淬火溫度和冷卻速度，是減少鋼管產(chǎn)生淬火裂紋的有效措施。

4.3 嚴(yán)重氧化和脫碳

鋼管的嚴(yán)重氧化和脫碳與爐內(nèi)氣氛、加熱溫度和加熱時(shí)間有關(guān)。如果爐內(nèi)氣氛呈強(qiáng)氧化性、加熱爐密封性能不好、加熱溫度過高、加熱時(shí)間過長(zhǎng)等，都會(huì)導(dǎo)致鋼管表面嚴(yán)重氧化和脫碳。鋼管表面氧化鐵皮較厚，既增大了金屬消耗而降低成材率，又影響鋼管無損探傷檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性。另外，帶有過厚氧化鐵皮的鋼管矯直后會(huì)出現(xiàn)麻坑（點(diǎn)），影響表面質(zhì)量。

鋼管表面嚴(yán)重脫碳，使其淬火后的表面硬度、抗疲勞強(qiáng)度和耐磨性降低。

4.4 過熱和過燒

鋼管在熱處理時(shí)，由于加熱溫度過高、保溫時(shí)間過長(zhǎng)及爐內(nèi)溫度不均勻等原因，會(huì)造成出現(xiàn)混晶和晶粒粗大，致使鋼管韌、塑性顯著降低的現(xiàn)象稱為過熱。出現(xiàn)過熱的鋼管可用熱處理的方法使其恢復(fù)，如：通過完全退火可使晶粒細(xì)化。

鋼管過燒是指加熱溫度達(dá)到固相線附近時(shí)，奧氏體晶界開始出現(xiàn)部分熔化或氧化的現(xiàn)象。鋼管過燒后，其性能嚴(yán)重惡化，不能用熱處理或塑性變形加工的方法使其恢復(fù)，只能報(bào)廢。

過熱或過燒在鋼管熱處理時(shí)不易經(jīng)常出現(xiàn)。只要嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝制度并保證加熱溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，可以完全避免過熱或過燒缺陷的發(fā)生。

4.5 表面擦傷和碰傷

鋼管在熱處理過程中產(chǎn)生的表面擦傷，主要是鋼管在加熱、輸送或冷卻過程中，與其接觸的工件或工具之間發(fā)生摩擦或碰撞而形成的。

為了減輕鋼管的表面擦傷和碰傷，應(yīng)保證工件或工具表面光潔并運(yùn)行正常。

5 典型產(chǎn)品的熱處理工藝制度

不同的鋼管品種，需采用不同的熱處理工藝制度，以期獲得優(yōu)良的綜合性能。

現(xiàn)列出幾個(gè)主要鋼管品種中代表鋼級(jí)（鋼種）的熱處理工藝參數(shù)。

5.1 油套管熱處理工藝

5.1.1 油套管的主要特點(diǎn)

油套管是石油和天然氣開采所需要的重要管材，也是無縫鋼管品種中技術(shù)含量較高、使用環(huán)境較苛刻的產(chǎn)品之一。油套管的用量約占整個(gè)無縫鋼管產(chǎn)量的1/4。目前，普遍采用的生產(chǎn)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是API和ISO。API套管的規(guī)格為Φ114.3～508.0 mm共14個(gè)規(guī)格，鋼級(jí)包括H40、J55、K55、M65、N80、L80、C90、C95、T95、P110和Q125。API油管的規(guī)格為Φ26.7～114.3 mm共10個(gè)規(guī)格，鋼級(jí)包括H40、J55、N80、L80、C90、T95和P110。

除了API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的套管和油管外，為了滿足特殊服役條件下石油開采的要求，還開發(fā)了超高強(qiáng)度、高抗擠毀性能、抗各種腐蝕介質(zhì)、稠油熱采等非API套管和油管以及特殊螺紋接頭。目前，非API油、套管的用量已超過了油、套管總用量的35%。

超高強(qiáng)度的非API油套管包括V140、V150、V155等?？箶D毀的非API油套管包括80T、110T、110TT、125T、125TT、130T、130TT等。抗腐蝕的非API油套管包括80S、80SS、110S、110SS、125S等。在抗腐蝕油套管的成分設(shè)計(jì)上，常用的鋼種為3Cr、13Cr和超級(jí)13Cr等。

5.1.2 油套管的熱處理工藝

N80、P110套管熱處理工藝見表4。兩者的冷卻方式均為外噴淋+內(nèi)軸流。

表4 N80、P110套管熱處理工藝

5.2 管線管熱處理工藝

5.2.1 管線管的主要特點(diǎn)

管線管主要用于各種流體的輸送。目前，管線管生產(chǎn)和檢驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)是API、ISO、GB/T 9711等。管線管的鋼級(jí)主要包括A25、A、B、X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70、X80、X100和X120等。

因管線管需要有良好的焊接性能，故對(duì)碳當(dāng)量有嚴(yán)格的要求。碳當(dāng)量一般應(yīng)控制在0.40%左右，可由以下公式計(jì)算：

5.2.2 管線管的熱處理工藝

部分管線管熱處理工藝見表5，表中所列管線管熱處理工藝?yán)鋮s方式均為外噴淋+內(nèi)軸流。

表5 部分管線管熱處理工藝

5.3 鍋爐管熱處理工藝

5.3.1 鍋爐管的主要特點(diǎn)

鍋爐管分高壓鍋爐管和低中壓鍋爐管。壓力的分界線一般認(rèn)為是6.0 MPa。高壓鍋爐管生產(chǎn)和檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)主要包括：ISO、ASTM、EN和GB 5130等，低中壓鍋爐管的生產(chǎn)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是GB 3087，高壓鍋爐管在高溫、高壓條件下使用，是無縫鋼管中質(zhì)量要求最高的品種之一。鍋爐管的質(zhì)量要求主要包括以下幾個(gè)方面：幾何尺寸應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求；表面不允許存在裂紋、折疊、軋折、結(jié)疤等缺陷；內(nèi)部不得有超標(biāo)的夾雜物，并要進(jìn)行超聲波探傷；鋼管具有良好的強(qiáng)度（包括高溫持久強(qiáng)度）和塑性、良好的抗氧化性能和工藝性能；鋼管的化學(xué)成分、組織均勻且組織、性能穩(wěn)定。

5.3.2 鍋爐管的熱處理工藝

部分高壓鍋爐管熱處理工藝見表6。

表6 高壓鍋爐管熱處理工藝

5.4 機(jī)加工管和合金結(jié)構(gòu)管熱處理工藝

5.4.1 機(jī)加工管和合金結(jié)構(gòu)管的主要特點(diǎn)

機(jī)加工管和合金結(jié)構(gòu)管的品種繁多，用途各異，主要用作機(jī)械制造和工程結(jié)構(gòu)。因用途不同，對(duì)鋼管質(zhì)量的要求存在較大差別。如：用作機(jī)加工的液壓件管、瓦楞管等，要求鋼管具有良好的車削性能、較高的鋼質(zhì)純凈度，并要進(jìn)行裂紋塔形檢驗(yàn)；水泥泵車支架管既要求有高的強(qiáng)度，還要求鋼管內(nèi)壁有很好的耐磨性能。

5.4.2 機(jī)加工管和合金結(jié)構(gòu)管的熱處理工藝

機(jī)加工管和合金結(jié)構(gòu)管熱處理工藝見表7。

續(xù)表6

表7 機(jī)加工管和合金結(jié)構(gòu)管熱處理工藝

（待 續(xù)）