在管材的標(biāo)準(zhǔn)中,規(guī)定了相應(yīng)的力學(xué)性能、物理性能、使用性能及工藝性能等指標(biāo),根據(jù)鋼級(jí)的不同,各項(xiàng)性能指標(biāo)均有較大的差別。力學(xué)性能包括:抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊功、硬度等;物理性能主要指晶粒度。使用及工藝性能包括:抗擠毀試驗(yàn)、壓扁及擴(kuò)口試驗(yàn)、抗硫化氫及抗二氧化碳腐蝕試驗(yàn)等。
一、鋼管在步進(jìn)式爐內(nèi)加熱的優(yōu)點(diǎn)
步進(jìn)式加熱爐是鋼管熱處理生產(chǎn)線應(yīng)用最多的爐型,它具有以下優(yōu)點(diǎn):
1. 產(chǎn)量高 最高小時(shí)產(chǎn)量可達(dá)50噸以上,步進(jìn)爐是一種連續(xù)生產(chǎn)的爐型,操作可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,可處理的鋼管尺寸范圍也較寬;
2. 升溫快 步進(jìn)爐使用的是氣體或液體燃料,對(duì)鋼管的傳熱方式為對(duì)流及輻射,鋼管在爐內(nèi)呈“架空”狀態(tài)均勻分布在布料梁(固定梁)上;
3. 鋼管溫度均勻 其出爐時(shí)全長(zhǎng)溫度均勻性可達(dá)到±5℃,這是由于鋼管在爐內(nèi)的布料梁上呈“架空”狀態(tài)進(jìn)行加熱,而且鋼管每前進(jìn)一步可以轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度;
4. 變形小 由于鋼管在爐內(nèi)的加熱方式較為理想,溫度均勻,因此,鋼管出爐時(shí),無(wú)論是彎曲度還是橢圓度均較小,為淬火等冷卻工序創(chuàng)造了條件;
5. 操作方便 可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化,鋼管在爐內(nèi)的加熱情況及燒嘴的工作狀態(tài)便于觀察,為及時(shí)調(diào)整創(chuàng)造了條件。
二、淬火及正火工藝加熱溫度的確定
一般用“合金結(jié)構(gòu)鋼”制造的鋼管可以進(jìn)行淬火處理,如石油專用管中的套管、油管、鉆桿、管線管;高壓鍋爐管、高壓化肥及用戶要求具有較高綜合力學(xué)性能的鋼管等品種。
“合金結(jié)構(gòu)鋼”為亞共析鋼,淬火及正火的加熱溫度也就是鋼的奧氏體化溫度,制定原則也是Ac3+30~50℃.但考慮到提高鋼的淬透性及減少加熱時(shí)間,采用較高溫度為好,即Ac3+50℃作為鋼管的奧氏體化溫度。這里提到的溫度是指鋼管的實(shí)際溫度,而熱電偶在爐膛內(nèi)的測(cè)溫點(diǎn)多在鋼管的上方,而在燃料爐的爐膛內(nèi),上部溫度高于下部溫度,為了保證鋼管的實(shí)際溫度達(dá)到預(yù)定要求,爐子的設(shè)定溫度應(yīng)略高于預(yù)定的奧氏體化溫度。
步進(jìn)式加熱爐在爐子長(zhǎng)度方向上一般分布有2~3排燒嘴,我們可稱之為保溫段、加熱段,而每一段又分為幾個(gè)區(qū),每一區(qū)包括幾個(gè)燃燒器(燒嘴)。為了提高加熱效率,可以根據(jù)鋼管的外徑適當(dāng)提高加熱區(qū)的設(shè)定溫度。
三、熱處理線上的高壓水除鱗
在鋼的熱加工工序過(guò)程中,鋼件表面將隨著加熱溫度的高低及時(shí)間的長(zhǎng)短而產(chǎn)生不同程度的氧化,并形成厚度不同的氧化皮。為了提高鋼管表面質(zhì)量及尺寸精度,在鋼管的熱軋過(guò)程中,均采用高壓水除鱗工序以去掉氧化皮。
在熱處理加熱過(guò)程中,同樣也會(huì)在鋼管表面形成氧化皮,增加高壓水除鱗工序有以下優(yōu)點(diǎn):
1. 同軋制工序一樣,高壓水除鱗工序可以顯著改善鋼管表面質(zhì)量;
2. 鋼管經(jīng)除鱗清除氧化皮后,淬火時(shí)鋼管冷卻均勻、熱量交換加快,可以起到減少鋼管淬火變形、提高冷卻速度的功效;
3. 鋼管在熱處理后的矯直過(guò)程中,鋼管對(duì)矯直輥會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力,并造成輥型磨損,在鋼管表面存在氧化皮的情況下會(huì)加快磨損過(guò)程,而除鱗就可以減輕輥型磨損;
4. 鋼管熱處理后均需進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),如果表面存在氧化皮將影響探傷效果,嚴(yán)重時(shí)探傷將無(wú)法進(jìn)行,而除鱗工房則可避免這一情況的發(fā)生。
四、淬火方式、淬火劑的選擇
選擇鋼管淬火方式主要考慮兩個(gè)因素,首先鋼管淬火時(shí)冷卻速度能夠保證得到預(yù)期的淬火組織;其次鋼管淬火時(shí)冷卻均勻,變形要小,以保證后續(xù)工序能夠正常進(jìn)行。
目前鋼管熱處理多以水為淬火劑,這是因?yàn)樵诖慊鸾橘|(zhì)中,水最為經(jīng)濟(jì)、安全,對(duì)環(huán)境無(wú)污染。但是,由于水的冷卻速度較快,鋼管淬火時(shí)容易發(fā)生變形,鋼管變形嚴(yán)重時(shí)因無(wú)法進(jìn)行下道工序而報(bào)廢。所以,在選擇淬火方式時(shí)既要使鋼管達(dá)到淬火要求,又要將變形控制在允許范圍內(nèi)。
根據(jù)上面的分析,首先鋼管以旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行淬火最為理想,同時(shí)進(jìn)行內(nèi)外冷卻。內(nèi)冷以噴嘴將水噴入管內(nèi),水的流速以不小于10m/s為佳。外冷采用噴淋或浸入淬火槽內(nèi)均可,但淬火槽內(nèi)也必須有攪動(dòng)噴管??傊?,鋼管的淬火應(yīng)該是冷卻能力達(dá)到要求,冷卻盡量均勻,這是選擇淬火方式的指導(dǎo)思想。
理想的淬火劑是在高溫區(qū)時(shí)冷卻速度快些,以避免奧氏體發(fā)生分解,提高鋼的淬透性;在低溫區(qū)時(shí)冷卻速度慢些,以降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的組織應(yīng)力,減少變形或開(kāi)裂。理想的淬火劑是不存在的,但對(duì)淬火劑的選用時(shí)應(yīng)考慮這兩方面的因素。
淬火劑的選擇應(yīng)根據(jù)鋼管的品種、技術(shù)條件要求及鋼的成分等多方面因素進(jìn)行考慮。以石油管材為例,高鋼級(jí)(強(qiáng)度)的鋼管進(jìn)行熱處理采用的是調(diào)質(zhì)工藝,即淬火加高溫回火。鋼種多選用含碳量偏低的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼,鋼管的有效厚度(壁厚)基本一致,淬火時(shí)各處的應(yīng)力分布狀態(tài)差異較小,引起開(kāi)裂的危險(xiǎn)性也相對(duì)低些,因此,可以優(yōu)先選用水為淬火劑。
水的優(yōu)點(diǎn)是冷卻速度快,可以提高鋼的淬透性,在用鋼上可以減少合金含量,降低生產(chǎn)成本。另外用水作淬火劑,在生產(chǎn)上安全、經(jīng)濟(jì)。同樣因水的冷卻速度快,造成鋼管變形大,并且在鋼管表面存在某些缺欠的情況下,淬火時(shí)會(huì)擴(kuò)展為缺陷而報(bào)廢。
如果鋼中的含碳量較高,淬火時(shí)為了減少變形或開(kāi)裂,應(yīng)選用冷卻速度較慢的快速淬火油或者水基淬火液為淬火劑。
五、淬火油及水基淬火液的特點(diǎn)
淬火中使用淬火油及水基淬火液各有其特點(diǎn)。
1. 淬火油及水基淬火液的共同點(diǎn)是冷卻速度較慢,特別是低溫區(qū),對(duì)減少或避免鋼管變形及開(kāi)裂極為有利。
2. 溫度對(duì)淬火油的冷卻速度影響較小,而對(duì)水基淬火液的冷卻速度影響較大,即隨著溫度的提高冷卻速度下降。
3. 淬火油的冷卻速度不能調(diào)整,而水基淬火液的冷卻速度可通過(guò)濃度及溫度的調(diào)整而改變,靈活性較大。
4. 在安全生產(chǎn)方面,淬火油存在火災(zāi)隱患,而水基淬火液無(wú)火災(zāi)隱患。
5. 在環(huán)保等方面,淬火油對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及大氣造成污染,并影響人體健康,而水基淬火液不存在上述問(wèn)題。
六、淬火時(shí)產(chǎn)生的變形分析
鋼管在熱處理淬火時(shí)均采取水平方式,鋼管各部位的冷卻速度很難達(dá)到均勻一致,這就不可避免產(chǎn)生淬火變形。鋼管變形主要為彎曲度和橢圓度增大,其中彎曲可表現(xiàn)為整體彎曲(大彎)、“蛇形彎”和管端彎曲,其中前兩種彎曲可通過(guò)斜輥矯直機(jī)得以矯育,而管端彎曲在矯直時(shí)很難達(dá)到理想的效果,需要用壓力機(jī)進(jìn)行矯直。因此,淬火時(shí)應(yīng)盡量避免或減少變形。
鋼管淬火時(shí)變形的根本原因是鋼管各部位冷卻不均勻,在鋼管內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力,致使鋼管產(chǎn)生變形。以下幾方面的因素是淬火變形的基本原因:
1. 原料的尺寸不理想,如壁厚偏差過(guò)大,或者彎曲及橢圓度較大等,其中壁厚偏差過(guò)大是影響淬火變形的主要因素;
2. 鋼管加熱溫度不均,或者淬火前鋼管就存在變形情況;
3. 為了使淬火內(nèi)噴水冷卻均勻,應(yīng)使水在鋼管內(nèi)達(dá)到一定的流速,而這是需要由供水量來(lái)保證的,也就是說(shuō)要有足夠的內(nèi)噴水量;
4. 鋼管的外部冷卻不均勻,如鋼管淬火時(shí)固定不動(dòng),則鋼管外部不同方位的冷卻速度就會(huì)有差別,即冷卻不均勻而產(chǎn)生變形,為了減少外部冷卻不均勻,目前廣泛采用鋼管旋轉(zhuǎn)淬火方式。
七、回火工藝
回火工藝參數(shù)主要指的是回火溫度及保溫時(shí)間,它決定了鋼管熱處理后的性能指標(biāo)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)及用戶的要求。
對(duì)于石油管材而言,力學(xué)性能中的屈服強(qiáng)度有一個(gè)范圍,因此,制定的回火溫度應(yīng)使屈服強(qiáng)度達(dá)到中限為目標(biāo),這樣,當(dāng)化學(xué)成分及回火溫度略有偏差時(shí)屈服強(qiáng)度仍能在規(guī)定的范圍內(nèi)。在API5CT中,第二組中的鋼級(jí)其屈服強(qiáng)度范圍較窄(103MPa),如果屈服強(qiáng)度的目標(biāo)值不按中限進(jìn)行控制,則生產(chǎn)中在某些情況下就有可能超出標(biāo)準(zhǔn)要求。
回火保溫時(shí)間對(duì)性能也有較大的影響,一般情況下回火保溫時(shí)間應(yīng)保證組織轉(zhuǎn)變完全、性能穩(wěn)定。生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的性能要求、鋼的化學(xué)成分及回火爐的技術(shù)參數(shù)等通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。
八、熱處理后鋼管的精整
由于熱處理后的鋼管容易發(fā)生變形,故需要對(duì)其做進(jìn)一步的精整。
在某些鋼管的熱處理生產(chǎn)線上,在回火爐出料口處設(shè)置定徑機(jī)對(duì)鋼管進(jìn)行定徑。定徑的主要作用有兩個(gè):一是保證鋼管外徑的幾何尺寸精度;二是保證鋼管具有較小的橢圓度,這對(duì)于需要進(jìn)行螺紋加工的套管及油管十分有利,為保證螺紋質(zhì)量創(chuàng)造了條件。
鋼管在熱處理后會(huì)發(fā)生變形,即彎曲及橢圓度增大,難以達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及后道工序的要求,因此,矯直工序必不可少。矯直工序可以消除或減輕這種變形,使產(chǎn)品的彎曲度及橢圓度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。
常用的鋼管矯直機(jī)為斜輥矯直機(jī)及壓力矯直機(jī),斜輥矯直機(jī)效率高、矯直效果好,不僅使鋼管的彎曲得到矯直,而且可以改善鋼管的橢圓度。但斜輥矯直機(jī)對(duì)鋼管的端部彎曲(鵝頭彎)矯直效果不理想,通常需用壓力矯直機(jī)進(jìn)行矯直。
對(duì)斜輥矯直機(jī)而言,鋼管只有在彎曲及壓扁的條件下才能達(dá)到矯直效果。影響鋼管矯直質(zhì)量的參數(shù)為各輥的壓下量、下中間輥的撓度、矯直溫度、鋼管的鋼種、規(guī)格及矯直速度等。
鋼管由彎到直的矯直過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)彈塑性變形過(guò)程,而變形力必須達(dá)到或超過(guò)鋼管的的才能產(chǎn)生塑性變形。在熱處理線上矯直機(jī)通常布量在回火爐后面,鋼管出回火爐溫度略加調(diào)整即進(jìn)行矯直,稱之為“熱矯”或“溫矯”。
鋼的強(qiáng)度隨溫度的提高而降低,而不同的鋼種同一溫度時(shí)強(qiáng)度差別也較大。所以,在調(diào)整矯直機(jī)時(shí),各輥的壓下量及中下輥的撓度因鋼種及矯直溫度的不同而有所區(qū)別。例如:Mn 系列鋼種同Cr-Mo系列鋼種相比,由于Cr-Mo系列鋼種的高溫強(qiáng)度高于Mn系列鋼種,因此,Cr-Mo系列鋼種的壓下量及中下輥的撓度要大于Mn系列鋼種。同樣,低溫或冷矯時(shí)壓下量及撓度要大于“熱矯”。也就是說(shuō),鋼種、矯直溫度是調(diào)整矯直機(jī)參數(shù)的重要依據(jù)。此外,鋼管的規(guī)格也是需要考慮的因素,通常的做法是隨著規(guī)格的減小壓下量及撓度加大。矯直速度隨著鋼管規(guī)格的增大而降低。
另外,各輥的壓下量是不同的,對(duì)六輥矯直機(jī)而言,前、后輥的壓下量遠(yuǎn)小于中間輥。同樣,鋼管與矯直輥的接觸弧線長(zhǎng)度要合適,按1/2~3/4輥長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整,中輥取上限,前、后輥取下限。
總之,影響鋼管矯直的因素是多方面的,在實(shí)際應(yīng)用中要反復(fù)試驗(yàn)以取得寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并達(dá)到預(yù)期的效果。