大型石油鋼管外淋內(nèi)噴淬火裝置的研制

邵國棟　王社麗　杜學斌　徐能惠

(1.金屬材料擠壓與鍛造國家重點實驗室，陜西710032；

2.中國重型機械研究院股份公司，陜西710032；

3.慶安集團有限公司11廠，陜西710077)

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大型石油鋼管外淋內(nèi)噴淬火裝置的研制

邵國棟1，2王社麗3杜學斌1，2徐能惠2

(1.金屬材料擠壓與鍛造國家重點實驗室，陜西710032；

2.中國重型機械研究院股份公司，陜西710032；

3.慶安集團有限公司11廠，陜西710077)

摘要：介紹了大型石油鋼管外淋內(nèi)噴淬火裝置的工藝流程、結(jié)構(gòu)組成、主要工藝參數(shù)和技術(shù)改進措施，實施效果較好。

關(guān)鍵詞：石油鋼管；水淬設備；外淋內(nèi)噴

石油鋼管的整體熱處理設備可分為外淋+內(nèi)噴淬火裝置和槽內(nèi)外循環(huán)+內(nèi)噴淬火裝置。自2005年以來，中國重型機械研究院股份公司先后為用戶提供了30多臺套水淬裝置，其中外淋+內(nèi)噴淬火裝置23臺套，約占設備總數(shù)的77%。熱處理鋼管外徑范圍多數(shù)在60.3 mm~365 mm之間。

包鋼集團包鋼綜合企業(yè)(集團)公司建立的外淋內(nèi)噴水淬裝置，熱處理鋼管外徑最大達到426 mm，這對外淋供水、內(nèi)噴供水以及熱處理工藝提出了更高的要求。中國重型機械研究院股份公司開發(fā)出一套水淬裝置可水淬處理?426 mm的石油鋼管(設計最大規(guī)格?533 mm)，基本滿足了國內(nèi)市場的需求。該套石油鋼管水淬處理裝置采用了多項自主研發(fā)的新技術(shù)，具備較高的裝機水平，自動化程度高。

1產(chǎn)品范圍

主要生產(chǎn)石油油管、石油套管和大規(guī)格接箍管，產(chǎn)品規(guī)格為外徑219 mm～426 mm，壁厚7 mm～40 mm，長度6.0 m～13 m，單根最大重量3 400kg，鋼級J55、N80、L80、P110、T95、C90、Q125、 Cr13、A25、X42～X70，產(chǎn)品執(zhí)行API SPEC 5CT—2005、API SPEC 5B—2008標準。

該套淬火裝置年處理10萬t鋼管，設備負荷率22.5%。

2水淬工藝研究

該套水淬裝置的具體工藝過程為：經(jīng)淬火爐加熱的鋼管被輸送到出料輥道待機位，上料裝置舉起鋼管將其翻轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)裝置的支撐輪上，鋼管慢速旋轉(zhuǎn)，安裝在噴淋機架上的壓緊輪迅速夾緊鋼管并使其快速旋轉(zhuǎn)(采用變頻調(diào)速)。同時，接近鋼管端頭的錐形噴嘴向鋼管內(nèi)部進行噴水。這樣對鋼管內(nèi)外表面均進行了淬火處理。淬火后的鋼管通過翻料裝置及斜臺架輸送到擋料器處，通過下料翻板移到回火爐進料輥道上，完成全部的淬火工藝。在斜臺架的中部設有擋料裝置，以減少鋼管滾下時的沖擊。鋼管經(jīng)過空水裝置排完管內(nèi)積水后，再經(jīng)回火爐輸送輥道進入回火爐進行回火處理。

鋼管在進行淬火處理時，外淋擋水板快速打開，同時內(nèi)噴三通閥也打開，具有一定壓力的外淋水及內(nèi)噴水分別噴射到鋼管的內(nèi)外壁，對鋼管整體進行淬火處理。在完成淬火后內(nèi)噴水由三通閥控制進入蓄水池，外淋水通過擋水板聚集到集水槽，再通過排水管返回蓄水池。

3主要設備組成

3.1機械部分

圖1為該淬火裝置結(jié)構(gòu)剖面圖。

3.2直接供水系統(tǒng)

水泵站是提供鋼管淬火用水的動力源。供水分為兩個壓力等級，一路用來提供外淋水，壓力為0.3 MPa；另一路則用來提供內(nèi)噴水，壓力為0.7 MPa。由葉片泵、過濾器、碟閥、閘閥及管道、法蘭等組成。通過對不同泵、閥的開啟與關(guān)閉組合，提供鋼管淬火時的外淋與內(nèi)噴用水。再通過不同數(shù)量外淋、內(nèi)噴泵的組合，可以滿足不同直徑鋼管對外淋、內(nèi)噴流量的需求，實現(xiàn)有級供給。

3.3液壓控制系統(tǒng)

液壓泵站是實現(xiàn)設備動作的動力源。液壓控制系統(tǒng)采用了恒壓變量控制技術(shù)，使機械設備的動作更加可靠。內(nèi)噴三通閥采用比例控制技術(shù)，實現(xiàn)了快速開啟、高速運動、慢速接近，滿足了淬火的供水要求，同時有效解決了液壓大流量帶來的沖擊震動。該系統(tǒng)采用了泄壓回路、減壓回沖路、安全保護回路和循環(huán)冷卻過濾回路等。

1—上料輥道　2—上料裝置　3—鋼管旋轉(zhuǎn)裝置

3.4電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由上位機、可變程序控制器、電氣控制元件等組成。上位機上顯示并調(diào)節(jié)設備的生產(chǎn)工藝參數(shù)、外淋內(nèi)噴水量及壓力等參數(shù)。通過程序?qū)υO備的動作進行控制，使設備按照工藝要求操作，實現(xiàn)全線自動化生產(chǎn)，增加了可靠性。

4工藝參數(shù)

4.1淬火水量

經(jīng)試驗得出內(nèi)噴水的流速控制在10 m/s，外淋水的流速控制在(2～6)m/s之間。

內(nèi)噴水水量計算公式為：

Q=3600πd12v1/4

式中Q——內(nèi)噴水流量(m3/h)；

d1——鋼管內(nèi)直徑(m)；

v1——內(nèi)噴水流速(m/s)。

外淋水水量可通過以下公式計算為：

Q=3600nπd22v2/4

式中Q——外淋水流量(m3/h)；

d2——噴淋管內(nèi)直徑(m)；

v2——噴淋水流速(m/s)；

n——噴淋管的數(shù)量。

4.2鋼管旋轉(zhuǎn)速度

不同鋼管旋轉(zhuǎn)速度不一樣，鋼管直徑越小，抵消彎曲變形所需要的旋轉(zhuǎn)速度越快。鋼管工作轉(zhuǎn)速一般設計為(30～120)r/min，電機控制采用變頻調(diào)速，并正反向旋轉(zhuǎn)，以滿足不同直徑鋼管的速度要求。

4.3鋼管夾緊力

要使鋼管各個部分淬火的狀態(tài)盡可能保持一致，鋼管在淬火過程中必須高速旋轉(zhuǎn)，但是容易產(chǎn)生新增的彎曲，同時會出現(xiàn)甩頭甩尾現(xiàn)象。采用沿鋼管長度方向上間隔布置壓爪，每個壓爪由油缸單獨驅(qū)動，解決了鋼管本身的彎曲帶來的影響。鋼管的夾緊力直接影響鋼管淬火的直線度，夾緊力的大小取決于鋼管的規(guī)格，在不影響淬火后鋼管表面質(zhì)量的前提下選擇合適的夾緊力，對應液壓系統(tǒng)壓力為(3～5)MPa。

5技術(shù)改進

5.1外淋噴管焊接方式改進

該裝置熱處理鋼管的外徑大，需要的外淋供水量大。原來的外淋供水結(jié)構(gòu)大多為在二級管上打孔后，將外淋噴管直接與其焊接，而在工作過程中工廠給水帶有雜物，導致外淋噴管堵死后無法清理。改進后將二級管設計成焊接方管，外淋噴管焊接在方管蓋上，方管蓋可以定期打開清理。這樣設計可以清理二級管和外淋噴管，便于維護保養(yǎng)。

5.2外淋供水無級調(diào)節(jié)

為了有效合理的利用水資源，同時又要保證水淬用水量，以適用不同規(guī)格鋼管的外淋供水要求，采用旁路分流、無級電動調(diào)節(jié)的方法。

5.3內(nèi)噴供水無級調(diào)節(jié)

為了適用不同規(guī)格鋼管的內(nèi)噴供水要求，采用旁路分流、無級電動調(diào)節(jié)的方法。

5.4外淋水帶水淬火的改進

鋼管淬火過程中盡可能各處淬火條件一致，若外淋擋水不嚴，則會引起部分組織先行冷卻，造成這部分材料的淬火性能與其余部分不同，并產(chǎn)生缺陷。采用島型分水機構(gòu)能巧妙的使外淋回水有規(guī)律的分流，防止水的無規(guī)律反流，不會從壓緊油缸處流出，避免了帶水淬火的問題，有效保證了產(chǎn)品淬火質(zhì)量和組織性能。

5.5外淋擋水板的專用控制閥

外淋擋水板由于機械結(jié)構(gòu)的要求，油缸大腔的作用力和外淋擋水板自身的重量都較大。外淋擋水板是依靠擋水板油缸小腔(有桿腔)通過液壓力打開，關(guān)閉是依靠油缸大腔及外淋擋水板自身的重量，沖擊震動非常大。要減小沖擊震動，必須由擋水板油缸小腔(有桿腔)通過出口節(jié)流來調(diào)節(jié)，但由此產(chǎn)生的液壓力非常高，甚至出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。設計一個專用閥來消除擋水板油缸大腔的作用力，解決了沖擊震動大的問題。

5.6雙排外淋管

為了保證鋼管整體的熱處理性能，要求鋼管各處淬火狀態(tài)一致。由于鋼管外徑大，鋼管在淬火過程中高速旋轉(zhuǎn)，單排外淋噴管難以滿足要求。采用雙排外淋管錯位密排的布置，有效解決了外淋淬火的均勻性要求，使鋼管整體性能得到改善。

6結(jié)論

大規(guī)格石油鋼管的外淋內(nèi)噴淬火裝置，采用密排的外淋管代替槽內(nèi)水淬的槽子及外循環(huán)打散裝置，靈活設定內(nèi)噴水量及速度、鋼管旋轉(zhuǎn)速度和夾緊力，既能保證淬火鋼管的組織性能，同時也可以消除鋼管的彎曲變形及新增橢圓度。設備簡單，生產(chǎn)效率高，投資小，得到了廣泛應用。

參考文獻

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編輯杜敏

Development of Quenching Device with External Shower and Internal Spray for Large Scale Petroleum Steel Pipe

Shao Guodong, Wang Sheli, Du Xuebin, Xu Nenghui

Abstract：This paper introduces the technical process, structure composition, main process parameters and technical improvement measures for the quenching device with external shower and internal spray for large scale petroleum steel pipe.

Key words：petroleum steel pipe；water quenching device; external shower and internal spray

中圖分類號：TG155.3

文獻標志碼：B

作者簡介：邵國棟(1963—)，男，高級工程師，主要從事油氣輸送設備工藝和鍛壓設備工藝研究。電話：13679295583，E-mail:13679295583@163.com

收稿日期：2015—11—25

陜西省重點新產(chǎn)品(2014XCP-04)