無縫鋼管熱處理工藝及設(shè)備選型

荊長安

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶401122）

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無縫鋼管熱處理工藝及設(shè)備選型

荊長安

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶401122）

摘要：介紹了無縫鋼管熱處理的目的、常用熱處理工藝和熱處理制度，以及熱處理工藝流程、平面布置的選擇方法和設(shè)備選型的基本原則；分析了熱處理設(shè)備的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍。為企業(yè)投資者和從事相關(guān)專業(yè)的技術(shù)人員提供參考。根據(jù)熱處理產(chǎn)品大綱來確定熱處理工藝平面布置及設(shè)備選型；根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有條件進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使熱處理工藝制度、工藝設(shè)備配置達(dá)到最佳。

關(guān)鍵詞：無縫鋼管；熱處理工藝；設(shè)備選型；產(chǎn)品大綱；優(yōu)化設(shè)計(jì)

荊長安（1980-），男，工程師，主要從事鋼管工藝設(shè)計(jì)與咨詢工作。

無縫鋼管的質(zhì)量與其制造方法、化學(xué)成分及金相組織密切相關(guān)，在不改變制造方法及化學(xué)成分的前提下，要提高無縫鋼管使用性能則需要改變無縫鋼管的組織形態(tài)，采用熱處理工藝可改變無縫鋼管的組織結(jié)構(gòu)和性能，滿足無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定或采購方的特殊技術(shù)要求。

1　無縫鋼管熱處理目的

（1）保證產(chǎn)品的使用性能：如管線鋼管、石油油管、石油套管、鉆桿、高壓鍋爐用無縫鋼管等經(jīng)過熱處理的鋼管，可直接用于設(shè)備或工程中。

（2）滿足產(chǎn)品繼續(xù)加工要求：如軸承鋼管、氣瓶用無縫鋼管、機(jī)械用管等，用戶根據(jù)用途對此類鋼管進(jìn)行二次加工。

（3）提高鋼級的性能參數(shù)：通過熱處理工藝，使某些低鋼級無縫鋼管達(dá)到較高鋼級無縫鋼管的使用性能，此方式可節(jié)省合金元素用量，降低無縫鋼管的生產(chǎn)成本。

2　常用的無縫鋼管熱處理工藝

鋼管品種眾多，所使用的鋼級（種）也不盡相同，同一品種的鋼管其化學(xué)成分也可能存在一定差異，但經(jīng)過熱處理后鋼管都能達(dá)到相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或采購方的技術(shù)條件。依據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，鋼管熱處理工藝主要有以下5類［1-4］。

（1）淬火＋高溫回火（Q+T，又稱調(diào)質(zhì)處理）：將鋼管加熱至淬火溫度，使鋼管內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，再以大于臨界淬火速度快速冷卻，使鋼管內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，再配合高溫回火，最終使鋼管組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻幕鼗鹚魇象w組織。淬火＋回火不僅可以提高鋼管的強(qiáng)度和硬度，還可以將鋼管的強(qiáng)度、塑性、韌性有機(jī)結(jié)合起來，滿足采購方對鋼管性能的要求。

（2）正火（N，又稱?；簩摴芗訜岬秸饻囟?，使鋼管內(nèi)部組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織之后，以空氣為介質(zhì)進(jìn)行冷卻的熱處理工藝。正火后可得到不同的金屬組織，如珠光體、貝氏體、馬氏體或者它們的混合組織［1］。正火不僅可以細(xì)化晶粒、均勻成分、消除應(yīng)力，還可以提高鋼管的硬度并改善其切削性能。

（3）正火＋回火（N+T）：將鋼管加熱至正火溫度，使鋼管內(nèi)部組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織之后，在空氣中冷卻，再配合以回火工藝。鋼管組織為回火鐵素體+珠光體，或鐵素體+貝氏體，或回火貝氏體，或回火馬氏體，或回火索氏體［1］。正火＋回火熱處理工藝制度可以穩(wěn)定鋼管內(nèi)部組織，提高鋼管塑性和韌性。

（4）退火：將鋼管加熱到退火溫度并保溫一定時(shí)間以后，隨爐緩慢冷卻到一定溫度后再出爐冷卻的一種熱處理工藝。鋼管退火工藝可分為：球化退火、完全退火、去應(yīng)力退火等。鋼管退火的主要作用：①降低鋼管的硬度，提高其塑性，以方便后續(xù)的切削加工或冷變形加工；②細(xì)化晶粒，消除組織缺陷，均勻內(nèi)部組織和成分，改善鋼管的性能或?yàn)楹罄m(xù)工序做準(zhǔn)備；③消除鋼管的內(nèi)應(yīng)力，以防止變形或開裂。

（5）固溶處理（主要應(yīng)用于18-8型奧氏體不銹鋼的生產(chǎn)）：將鋼管加熱到固溶溫度，使碳化物和各種合金元素充分均勻地溶解于奧氏體中，再快速冷卻，使碳和合金元素來不及析出，獲得單一奧氏體組織的熱處理工藝［2］。固溶處理的主要作用：①均勻鋼管的內(nèi)部組織，均勻鋼管的成分；②消除加工過程中的硬化，以方便后續(xù)的冷變形加工；③恢復(fù)不銹鋼的耐腐蝕性能。

3　常用無縫鋼管熱處理制度

無縫鋼管品種眾多，不同鋼級（種）的無縫鋼管對熱處理制度要求各不相同，為了使新建熱處理線實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品大綱中規(guī)定的每一個(gè)品種的生產(chǎn)，需了解常用無縫鋼管熱處理制度。

本文對常用無縫鋼管的熱處理制度進(jìn)行了歸納整理，其余無縫鋼管品種的熱處理制度由鋼管生產(chǎn)企業(yè)與采購方協(xié)商確定。常用的無縫鋼管熱處理制度見表1［5-8］。

4　熱處理工藝流程及平面布置、設(shè)備選型

4.1工藝流程及平面布置

在熱處理生產(chǎn)線規(guī)劃或建設(shè)中，要根據(jù)熱處理產(chǎn)品大綱中鋼管的品種、規(guī)格、年產(chǎn)量及場地情況綜合考慮熱處理生產(chǎn)線的工藝流程及平面布置。

無縫鋼管熱處理的工序包括加熱、冷卻和精整，熱處理工藝流程如圖1所示。

熱處理的每個(gè)工序是由功能設(shè)備來完成的，每一種功能設(shè)備看成是一臺單體設(shè)備。熱處理工藝平面布置主要有兩種形式：第一種布置適合小批量生產(chǎn)，是將單體設(shè)備按照工藝順序獨(dú)立布置，單體設(shè)備完成自身工序后通過行車將鋼管吊運(yùn)到另一臺單體設(shè)備完成下一個(gè)工序；第二種布置適合規(guī)?；a(chǎn)，即將各個(gè)單體設(shè)備通過連接設(shè)備依次串聯(lián)在一起形成一條完整的生產(chǎn)線。熱處理工藝平面布置應(yīng)視熱處理鋼管品種結(jié)構(gòu)、熱處理類型、鋼管年產(chǎn)量等選擇。如某項(xiàng)目產(chǎn)品大綱為Φ139.7～339.7 mm的石油套管、管線鋼管、高壓鍋爐用管，年熱處理量18萬t，其熱處理工藝平面布置如圖2所示。

4.2設(shè)備選型

根據(jù)無縫鋼管熱處理制度及無縫鋼管檢驗(yàn)、檢測等要求，熱處理生產(chǎn)線的設(shè)備一般有加熱爐、冷卻系統(tǒng)、矯直機(jī)、探傷機(jī)、切斷機(jī)、檢查裝置、標(biāo)記機(jī)、打捆包裝裝置等。對于規(guī)模化生產(chǎn)的品種，如石油用管（OCTG）、高壓鍋爐用管等，選擇設(shè)備連線布置工藝，其熱處理工藝是淬火+高溫回火、正火、正火+回火，選擇的主要設(shè)備有淬火加熱爐、高壓水除鱗裝置、淬火裝置、回火加熱爐、定徑機(jī)、熱矯直機(jī)、冷床、冷矯直機(jī)、吸灰裝置、管體探傷機(jī)、管端探傷機(jī)、鋸斷機(jī)、測長/稱重/噴印裝置等。

4.2.1加熱爐（淬火爐、回火爐）

在鋼管熱處理工藝中，對鋼管加熱質(zhì)量要求為：淬火爐加熱溫差±10℃，回火爐加熱溫差±5℃，并根據(jù)工藝需求、鋼級（種）要求進(jìn)行不同溫度的加熱及保溫。常用的加熱爐有步進(jìn)橫移式加熱爐、縱向通過式加熱爐。

表1　常用的無縫鋼管熱處理制度

圖1　熱處理工藝流程示意

圖2　某項(xiàng)目熱處理工藝平面布置

（1）步進(jìn)橫移式加熱爐：采用帶弧度的耐熱鑄鋼梁來支托鋼管，鋼管在爐內(nèi)的每一次動(dòng)作均能轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，步進(jìn)梁在運(yùn)動(dòng)過程中具有輕托輕放功能，并設(shè)有停中位和“踏步”功能，從而保證鋼管加熱溫度均勻，并可避免鋼管在保溫或等待時(shí)間較長時(shí)產(chǎn)生較大的彎曲變形，可減少鋼管在加熱過程中的黑印。

連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線可采用步進(jìn)橫移式加熱爐作為淬火、正火加熱，燃料可采用天然氣、混合煤氣或高爐煤氣等，其產(chǎn)量較高。

（2）縱向通過式加熱爐：在輥道空隙中布置中頻感應(yīng)加熱裝置，鋼管在輥道的輸送過程中由中頻感應(yīng)加熱裝置對鋼管進(jìn)行加熱、保溫。

中頻感應(yīng)加熱裝置可將普通交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l電源，當(dāng)鋼管通過中頻感應(yīng)加熱裝置時(shí)，在鋼管中將形成感應(yīng)電流，利用感應(yīng)電流流過鋼管產(chǎn)生的熱量對鋼管進(jìn)行加熱。

將中頻感應(yīng)裝置作為鋼管熱處理加熱爐，具有工程投資低、建設(shè)周期短、加熱速度快、氧化脫碳少、加熱均勻、溫度精度高等優(yōu)點(diǎn)［9］。在國外發(fā)達(dá)國家，中頻感應(yīng)加熱已作為一種成熟的工藝，應(yīng)用于鋼管熱處理加熱爐［10］；在國內(nèi)，感應(yīng)加熱爐多用于中、小規(guī)格鋼管的連續(xù)熱處理生產(chǎn)線，其產(chǎn)能一般較低。

4.2.2高壓水除鱗裝置

為保證鋼管淬火均勻，鋼管在淬火前須用高壓水除去外表面氧化鐵皮。高壓水安裝在淬火加熱爐出口處。

4.2.3淬火裝置

淬火裝置是熱處理生產(chǎn)線必不可少的工藝設(shè)備之一，選擇合適的淬火工藝和設(shè)備可使鋼管具有較好的淬透性，從而獲得良好的組織性能。對淬火裝置的要求是：淬火后鋼管無明顯彎曲，馬氏體含量≥95%、溫度∧70℃、硬度均勻性≤3 HRC且不能新增加任何缺陷，各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對這些數(shù)值的規(guī)定略有差異。

常見的淬火設(shè)備型式有以下2種。

（1）內(nèi)噴外淋方式：采用內(nèi)噴外淋方式淬火時(shí)，鋼管邊旋轉(zhuǎn)、邊淬火，鋼管不僅淬火均勻，也可防止鋼管冷卻不均產(chǎn)生應(yīng)力變形。內(nèi)噴水為軸流水，最大壓力0.8 MPa；外淋水為層流水，最大壓力0.2 MPa。內(nèi)噴外淋方式適用于中薄壁鋼管的淬火處理，其淬火效果好、生產(chǎn)效率高［11］。

（2）槽淬方式：槽淬又稱浸淬，鋼管在流動(dòng)的水中進(jìn)行淬火，浸淬時(shí)鋼管在槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)一端進(jìn)行軸向噴水，淬火水流經(jīng)鋼管內(nèi)表面后排入淬火槽，淬火水循環(huán)使用。槽淬方式主要用于大規(guī)格、厚壁鋼管的淬火，內(nèi)噴水為軸流水，最大壓力0.8 MPa。槽淬時(shí)，可通過增大槽內(nèi)淬火水循環(huán)量、調(diào)整鋼管旋轉(zhuǎn)速度等措施來提高鋼管淬火效果［12-13］。

淬火介質(zhì)主要有水及淬火液。水介質(zhì)具有環(huán)保、冷卻速度快、水處理設(shè)施簡單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)；淬火液對淬火溫度要求嚴(yán)格，使用它會使生產(chǎn)環(huán)境變差、廢油處理工序復(fù)雜、生產(chǎn)成本高，某些鋼級（種）對淬火介質(zhì)有特殊要求時(shí)，需采用淬火液進(jìn)行淬火。

4.2.4定徑機(jī)

鋼管在加熱時(shí)，管體的直徑和圓度會發(fā)生變化，為保證鋼管外徑及圓度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，需要對回火后的鋼管進(jìn)行定徑，定徑機(jī)型式為3機(jī)架三輥定徑機(jī)。

定徑機(jī)布置在回火爐后，鋼管定徑溫度在500 ～680℃，定徑后鋼管外徑精度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4.2.5冷床

冷床是對鋼管表面質(zhì)量、管體直線度影響較大的輔助設(shè)備，熱處理生產(chǎn)線冷床有以下4類。

（1）步進(jìn)式冷床：冷卻均勻、運(yùn)行平穩(wěn)、對鋼管有矯正作用，鋼管外表面損傷小并具有停中位和“踏步”等優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)后工序出現(xiàn)故障時(shí)，冷床可進(jìn)行原地“踏步”操作，保證在冷床上冷卻的鋼管不發(fā)生彎曲變形。

但步進(jìn)式冷床存在設(shè)備質(zhì)量大、設(shè)備基礎(chǔ)深、投資大等缺點(diǎn)，在熱處理生產(chǎn)線中只作為正火、正火+回火工藝高溫段冷床使用。

（2）雙鏈?zhǔn)嚼浯玻孩匐p向雙鏈?zhǔn)嚼浯灿烧蜻\(yùn)行帶爪鏈與反向運(yùn)行平鏈組成，鋼管在冷卻過程中旋轉(zhuǎn)前進(jìn)；②單向雙鏈?zhǔn)嚼浯惨嘤蓭ё︽溑c平鏈組成，兩者以不同速度同向運(yùn)行，速度差使鋼管在前進(jìn)過程中旋轉(zhuǎn)、冷卻。

雙鏈?zhǔn)嚼浯草^步進(jìn)式冷床投資小，其冷卻效果與步進(jìn)式冷床冷卻效果基本相當(dāng)，在處理工序故障時(shí)，不如步進(jìn)式冷床。雙鏈?zhǔn)嚼浯部勺鳛檎?、正?回火、淬火＋高溫回火工藝各溫度段冷卻使用。

（3）單鏈?zhǔn)嚼浯玻簽閱蜗驇ё︽溊浯玻溥\(yùn)行方向與鋼管前進(jìn)方向相同，為保證鋼管在冷卻過程中保持旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，爪鏈與鋼管前進(jìn)方向傾斜一定角度。單鏈?zhǔn)嚼浯怖鋮s效果比步進(jìn)式冷床、雙鏈?zhǔn)嚼浯膊睿渚哂性O(shè)備質(zhì)量小、設(shè)備基礎(chǔ)簡單、投資低等優(yōu)點(diǎn)，多作為低溫段冷床使用。

（4）螺旋桿冷床：以螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)實(shí)現(xiàn)鋼管冷卻，螺桿易造成鋼管外表面劃傷、壓痕，影響成品鋼管質(zhì)量，可在低溫區(qū)冷卻時(shí)采用。4.2.6矯直機(jī)

鋼管在加熱或冷卻過程中會產(chǎn)生彎曲變形，為保證鋼管的直度滿足標(biāo)準(zhǔn)或訂貨要求，熱處理后的鋼管必須進(jìn)行矯直。根據(jù)矯直溫度的不同，分為熱矯直與冷矯直。對鋼管直度的通用要求：管端1 m內(nèi)≤1/1 000 mm、管體≤1/1 500 mm、橢圓度不超過外徑公差的80%，各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對此數(shù)值的規(guī)定略有差異。

石油油管、石油套管類鋼管對鋼管矯直溫度有特殊要求，在熱處理生產(chǎn)線矯直機(jī)的選型（矯直機(jī)數(shù)量、型式、安裝位置）上尤為重要。熱處理生產(chǎn)線產(chǎn)品方案中有石油用管類產(chǎn)品時(shí)，矯直機(jī)宜以熱矯直機(jī)為主，冷矯直機(jī)為輔，在工程投資總額受限的情況下，可將冷矯直機(jī)作為預(yù)留設(shè)備考慮，熱矯直機(jī)布置在回火加熱爐出口處；產(chǎn)品方案中沒有石油用管時(shí)，可只考慮布置冷矯直機(jī)。矯直機(jī)選擇立式斜置六輥全傳動(dòng)液壓快開機(jī)型。

4.2.7吸灰裝置

鋼管在進(jìn)行管體探傷前必須清除鋼管內(nèi)表面氧化鐵皮，以避免氧化鐵皮影響探傷精度及探傷信號。

吸灰裝置有兩種形式：①吸灰方式；②吹灰+吸灰方式。

4.2.8管體探傷機(jī)

為保證鋼管熱處理后的質(zhì)量，必須對鋼管表面、內(nèi)部進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查方式為鋼管全長探傷。常用無縫鋼管探傷方法見表2［3-6］。

表2　常用無縫鋼管探傷方法

探傷機(jī)對鋼管技術(shù)要求：鋼管無油、無毛刺、溫度≤50℃、彎曲度≤1.5 mm/m、外徑公差≤±1%、壁厚公差≤±12.5%、橢圓度≤±0.8%D、管端切斜度偏差≤3 mm。

對探傷機(jī)的通用要求：漏報(bào)率0、誤報(bào)率∧1%、信噪比≥12 dB、管端檢測盲區(qū)≤200 mm、剩磁≤10 Gs、不同類別缺陷用不同顏色自動(dòng)噴涂標(biāo)志等。

由以上論述可知，為保證熱處理鋼管性能滿足標(biāo)準(zhǔn)或采購方特殊要求，根據(jù)熱處理產(chǎn)品大綱中鋼管品種情況，管體探傷裝置一般采用以下兩種方式：

（1）產(chǎn)品大綱中有石油用管類鋼管時(shí)，管體探傷裝置可采用超聲波+漏磁探傷方式組合或采用超聲波+渦流探傷方式組合；

（2）產(chǎn)品大綱無石油用管類鋼管時(shí)，管體探傷裝置可采用單一的超聲波、漏磁或渦流中的任何一種。

4.2.9管端探傷機(jī)

管體無損探傷機(jī)對鋼管進(jìn)行探傷時(shí)，鋼管兩端將各有長度200～300 mm的管端盲區(qū)，管端盲區(qū)只能縮短不能消除。為保證整支鋼管的質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)或采購方要求，必須對管端盲區(qū)進(jìn)行探傷［14-15］。管端探傷方式根據(jù)熱處理產(chǎn)品大綱中鋼管品種進(jìn)行配置：①產(chǎn)品大綱中有石油用管類鋼管時(shí)，采用磁粉探傷方式；②產(chǎn)品大綱無石油用管類鋼管時(shí)，可采用磁粉探傷方式或電磁超聲探傷方式。

4.2.10鋸斷機(jī)（取樣鋸）

為檢測熱處理鋼管性能，需要對鋼管進(jìn)行取樣，取樣按生產(chǎn)批次進(jìn)行。為節(jié)約工程投資，取樣鋸可選擇帶鋸機(jī)。取樣鋸也可用于切除檢查出的不合格部分和矯直機(jī)故障時(shí)對管端造成的壓扁缺陷部分。

4.2.11測長/稱重/噴印裝置

為使熱處理成品鋼管在存放、運(yùn)輸和使用過程中不發(fā)生混批，且方便查詢鋼管生產(chǎn)信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性，需要對鋼管進(jìn)行測長、稱重、噴印。

對于需要在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行進(jìn)一步加工的鋼管，則只需噴印，以方便上下工序之間物料的識別。出廠交貨的鋼管則需要測長、稱重、噴印，噴印內(nèi)容包括：鋼管規(guī)格、長度、重量、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、鋼級（種）、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)企業(yè)等信息。

5　結(jié)　語

鋼管通過熱處理可改變鋼管的組織，提高鋼管使用性能并可節(jié)約合金元素用量，為鋼管生產(chǎn)企業(yè)提高產(chǎn)品收益?？筛鶕?jù)不同的品種、不同的鋼級、不同的用途選擇不同的熱處理制度。

企業(yè)投資者或?qū)I(yè)技術(shù)人員需根據(jù)熱處理產(chǎn)品大綱來確定熱處理工藝平面布置及設(shè)備選型，以使產(chǎn)品達(dá)到最終使用要求。

在確定熱處理制度及熱處理工藝平面布置后，尚需根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有條件進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使熱處理工藝制度、工藝設(shè)備配置達(dá)到最佳，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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●信息

Heat Treatment Process and Equipment Selection for Seamless Steel Tube

JING Chang’an
（CISDI Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China）

Abstract：Described in the article are the main aspects of heat treatment of the seamless steel tube，including the purpose，the common-used processes and schemes，the process flow，methods for layout determination as well as the general principle for equipment type selection，etc. Analyzed are the work principles，advantages and disadvantages，and application scopes of different pipe heat treatment facilities，offering references for investors and professionals engaged in such field. The layout and equipment type selection of the steel pipe heat treatment line should be determined according to the product mix. Based on the actual production conditions，the pipe maker should further optimize the design plan so as to get the best process scheme and process equipment configuration of the pipe heat treatment line.

Key words：seamless steel tube；heat treatment process；equipment type selection；product mix；optimization design

收稿日期：（2015-10-15；修定日期：2015-11-26）

中圖分類號：TG155；TG156搖

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B搖

文章編號：1001-2311（2016）01-0035-06