石油套管热处理性能可靠性的研究.pdf

≯ 氍 C 群 蚌 ，一 石 久凑； 幺 譬 石油套管热处理性能可靠性的研究 刘金海 陈建伟 天津钢管集团股份有限公司， 天津 3 0 0 3 9 1 [摘要 ] 石油套管的热处理大多采用连续 自动的方式生产 ， 热处理后产 品性能检验通过抽检方式进行 ， 不可能 1 0 0 ％产品 性能得到验证， 严格控制热处理生产过程的各个相关因素是保证钢管性能稳定可靠的关键。通过采取有效措施， 从热处理生产 线的性能特点、 维护和使用、 热处理工艺和质量管理、 生产人员管理等方面进行严格控制， 确保了产品性能可靠 ， 得到用户充分 认可 。 关键词 石油套管 热处理性能 可靠性控制 1 引 言 石油套管在下井和服役过程中要承受内压 、 外 压 、 弯曲 、 旋转 、 磨损 、 腐蚀 等苛刻条件Ⅲ ， 因此对 于钢 管性能 包括机械性能、 抗挤毁 、 内屈服 、 抗腐蚀和其 它使用性能 有着很高的可靠性要求。特别是近年来 深井 、 超深井 、 深海 以及含硫化氢 、 二氧化碳 等复杂地 质油气田的勘探开采 ，对于 N S 0 Q和 P l l 0钢级以上 高钢级产品的需求越来越普遍 ， 而这些钢级按照标准 规定必须进行全长热处理 。 热处理工序 在石油套管 的整 个生产 过程 中属 于 “ 特殊工序” 脚 ，因为钢管热处理后的性能控制只能通 过控制热处理工艺参数间接实现 ， 且只能抽检 而不 能 1 0 0 ％验 证 性 能 。套 管 和 油 管 规 范 I S O 1 1 9 6 0 A P I 5 C T 也将热处理工序定义为“ 需要确认 的工序[3 1 ” 。鉴 于热处理工序的重要性 和特殊性 ， 石油套管 的制造厂 必须对工序进行细致控制和确认， 才能保证钢管性能 的可靠和稳定 。 当前天津钢管集团股份有限公司 以下简称天 管 ， 有 7条钢管热处理生产线 ， 产能超过 1 0 0万 t ， a 。 经过近 2 0年的生产 、 研发 ， 天管集 团对石油套管 的热 处理生产积累了较丰富的经验。 本文结合天管集团的 生产经验， 对石油套管的连续热处理生产的可靠性进 行系统分析 ， 围绕石油套管的热处理相关环节阐述保 证热处理性能可靠的措施。 2主要热处理设备的技术特点和使 用要求 石油套管热处理多采用 自动连续生产方式， 不仅 生产效率 高 、 产量大 ， 而且 为产 品质量 稳定提供 了坚 实基础。通常一条钢管热处理生产线的产量可达 5 ～ 2 5万 t ， 主体设备包括热处理炉和淬火冷却等。 为了得到最高的生产效率， 热处理炉通常采用步 进式连续热处理炉， 淬火采用内外同时冷却的卧式淬 火机构， 可保证钢管淬火后整体性能均匀。热处理设 备的可靠性为产品性能稳定提供 了良好的保障， 设备 的功能为产品质量控制提供了方法 和手段 ， 生产 中必 须对设备的功能和稳定性足够重视。 下面根据天管集 团的热处理经验， 归纳主要设备应具有的功能。 2 ． 1 热处 理 炉 钢管热处理炉是整个热处理生产过程的关键设 备。 其中有效加热区的温度均匀性、 准确性和稳定性， 生产节奏的准确性 节奏反应了钢管的加热和保温时 间 、加热区的氧化气氛控制等特征参数都会对钢管 质量产生重要影响。见 图 1 。 1进出料辊道2 步进梁结构3 烧嘴和燃气管路4 钢管5 炉壳 图 1 步进粱式连续热处理炉的结构 简图 一 2 0 一 研 究 与 应 用 石油套管热处理性能可靠性的研究 钢管 加热 温度 ， A P I 石油 套管 性能 要求 严格 ， 热 处理炉控温精度应达到 5 o C，满足 I I 类加热炉的要 求 ， 均热后钢管全长及周 向温差 ≤1 0℃， 温度按照设 定值 自动或手动控制 ， 具有控温报警功 能来 保证温度 处 于工艺要求范 围。 钢管加热 时问 ，步进式 热处理 炉属 于快速 加热 炉 ， 低合 金钢管最 大升温速度可 达 4 0 C ／ m i n 。钢管炉 内加热时 间 T加 热 T升 温 T保 温， 钢管升温 时间主要受钢 管有效尺 寸和布料方式影响 ， 不 同规格所需 时间存在 一 定差异 ， 钢管保温时 间根据钢种和产 品要求设计 。 新建或改造 的热处 理炉生产前适宜采用 的“ 黑匣 子测温 ” 【5 l 的方 法对热处理炉的有效加热 区进 行动态 测试 ， 通过分析测试数据得到热处理炉的一系列特性 参数 ， 例 如钢管 的温度均匀性 、 实 际升温速度 、 实际保 温 时间 、 热 处理炉 的加热系数 等 ， 来 验证设 备是 否满 足设计和工艺要求 。见 图 2 。 l O 0 0 9 0 o 8 o 0 7 0 o 州6 o 0 器s 0 0 器4 0 o 3 0 o 2 0 o l o o 0 8 【 x 】 7 o o 6 o o 5 o O 鹭 4 o o 覆 景 3 0 o 2 【 x 1 o o 0 L ■ ‘ 爱 - ≯ _ _ - 一 一 r／ l } ， l - 一 l l 一 头 部A { { i 中间A { l } j i 尾 部A L } 均温鏖 i } j i i l 0 加热时 间 ／ mi n a 1钢管在高温炉内进行 淬火加热 的实际升温过程 b 9 2 0 o C2 0 m i n 淬火温度 _ 三 一 一 毒 - - 一 一 嘛 龋 啊 峨 一一 ； ； 冒 r 一 一 l _ - _ 韶 ； I 一审 问 。 二尾 部 A’ l _ 4 ‘ 平 均 温 l q P 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 O 6 O 7 O 加热时间 ／ mi n b 1钢管在低温炉内进行回火加热的实际升温过程 6 7 0℃2 5m i n 回火加热 图 2 热处理炉黑匣子测温曲线 热处理炉还应具备 自动记录钢管人 出炉 时间 、 炉 区温度 、 钢 管出炉管体 温度 、 炉膛压 力 、 燃气 流量 、 空 气 流量 等参数 的功 能 ， 以实现产 品质量的可追溯。 2 ． 2 淬火机 构 钢管淬 火可采 用 内外 同时冷却 的卧式淬火方式 ， 应能达 到钢 种淬火所需要的临界冷却速度 ， 并使钢管 产生最小淬火应力 。见 图 3 。 1 外淋管2旋转淬火3来料辊道4空水 台架 5 旋转装置6 挡水板7斯惠顿杠杆8 压 紧轮 图 3 钢管旋转 内喷外淋卧式淬火设备示 意图 淬火用水温度严格控 制在 3 2℃以下 ，以保证水 淬冷却效果。淬火用水量， 钢管淬火时内外冷却速度 芝 尽可 能接近 ，以保证 钢管 内外壁组织转 变的 同步， 减 轻钢管淬火变形、 避免钢管出现淬火裂纹。 鹚 设备应具有 自动生产并记录淬火介质的温度、 内 g l 外冷却介质的流量 、冷却介质的压力等参数的功能， 童 用于追溯产品生产过程。 下面列举了水淬设备应具有 藿 的部分关键功能和参数， 见表 1 。秀 2 ． 2 设备 正常运行 的维护和 改进 钢管的热处理属于特殊工序， 必须严格控制设备 嚣 维护和升级改造 ， 保 障设备 运转正常 以满足工艺 的要 求。 所有设备的仪器仪表应符合对应质量体系文件的 要求， 新建设备 、 改造或大修后均应按技术条件验收 ， 鉴定合格后才可使用。 要尽可能地避免由于工装误差 一 引起质量波动， 设备检修维护后的首批产品也须密切 馨 跟踪， 并将生产结果存档。正常使用的设备还应定期 髓 按照石油套管 的要求进行工艺和设备的确认 。 热处 理炉 除达到验 收的技 术条件 外还应及 时完 善工艺试验， 通过钢管热处理后的性能试验数据最终 管 验证设备的稳定性 ， 例如 钢管两端 、 中部 、 周向的性 能分布、 淬透性试验 、 工艺性能试验 、 金相组织 、 残余 应力等多方面。 各主要设备生产所需 的环境条件 ， 例如燃气 的压 力 、 热值 ， 冷却介质 的温度 、 压力等应严格满足工艺技 术文件 的要求 ， 当出现不满足情况时应停止生产 。同 种规格产品的设备运行参数应基本保持不变 ， 当发生 较大变化 时要及 时记录存 档 ， 避免 因为设备运行参数 z社 鞴 搿 朴 一 掰 粥} 麟 珏 搿 ； 螂 站 雕 掘 } 蕊 ’ 。 甜 搦 蝴 糖 ∥ 艘 ； 批 靛 g 鼻 ㈣ 辑 6 0 2 ． 1 ． 2 主键 的选择 一 个表 只有一个 主键 ，主键能 唯一确定 一个 实 体 ， 其他字段就是主键所确定实体的一些属性 、 特点， 它们之间没有相互依赖关系。主键将频繁地用于增 、 删、 改、 查询等 S Q L语句， 主键的选择至关重要。主键 一 般以常用的列作为主键 ， 主键尽可能短 ； 对于复合 主键 ， 需要 几个字段 联合做 主键时 ， 主键列要 尽可 能 地 少 ， 实 在不行就人 为增加 一单一 的主键列 ， 因为 主 键 的长短将 影响索引 的大小 和外建表 的大小 ， 导致增 加磁 盘的 I ／ O和表关联的难度。 2 ． 1 - 3 外键 外键的作用是建立和加强两个表数据之间的链 接， 即关系型数据库 中的表间关系， 它实现了数据库 表间的参照完整性约束， 外键约束不仅控制存储在外 键表中的数据，还可以控制对主键表中数据的修改。 如果 不通过外键建立这种表 问关系 ， 那 么在表上进行 记录的增删改时就会使数据的完整I 生 遭到破坏。 [ 5 】 刘金海， 刘怀章，孙 开明，刘 日新． 钢管热处理过程 的“ 黑匣子” 动 态温度测试f A 1 ．2 0 0 4年全 国炼钢 、 轧钢生产技术会议文集[ c 】 ． 2 0 0 4 ． [ 6 ] J B ／ T 3 7 3 6 ．7 1 9 9 4 ， 质量管理中常用 的统计工具[ s ] ． 『 7 1 张树坤 、 张利 民． 3 6 Mn 2 V钢石油套管的亚温淬火强韧化处理工 艺f J ] ．钢管， 2 0 0 5 6 2 0 ～ 2 2 ． 『 8 1 陈建伟，赵冰． 2 7 Mn C r V钢 石油套 管强韧化热处理工艺研究 [ J ] ． 天津钢管． 2 0 0 7 1 1 3 ． 作者简介 刘金海 ， 男 ，1 9 8 7年毕业于北京钢铁学院热 能工程系 ， 高级工 程师 ， 毕业后在天津钢管集团股份有 限公 司从事钢管热处理 和螺纹 加工工作 ， 现任天津钢管集团股份有 限公 司质保部部长。 一 2 5 一