邵國(guó)棟，杜學(xué)斌，徐能惠，馬 輝

(金屬材料擠壓與鍛造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安 710032)

鋼管外淋內(nèi)噴式淬火工藝及結(jié)構(gòu)

邵國(guó)棟，杜學(xué)斌，徐能惠，馬 輝

(金屬材料擠壓與鍛造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安 710032)

本文論述了鋼管整體淬火的概況，特別介紹了采用“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝對(duì)鋼管進(jìn)行整體淬火的外淋內(nèi)噴式淬火設(shè)備工藝及結(jié)構(gòu)，給出了鋼管整體淬火主要工藝參數(shù)的計(jì)算依據(jù)，為外淋內(nèi)噴式淬火設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

整體淬火;鋼管;外淋;內(nèi)噴

近年來油氣田勘探的難度進(jìn)一步增大，鉆井深度的增加(最深達(dá)5000 m以上)以及海洋油氣田開采力度的加大，對(duì)石油用管的品種、質(zhì)量及其相應(yīng)的加工工藝提出了更高的要求。

鋼管整體性能的提高必須通過熱處理來實(shí)現(xiàn)，而熱處理工藝的優(yōu)劣將影響鋼管的性能。

淬火裝置是伴隨著無縫鋼管的發(fā)展而出現(xiàn)的新型設(shè)備，是提高鋼管機(jī)械性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鋼管進(jìn)行淬火的目的是為了獲得要求的硬度和力學(xué)性能，以強(qiáng)化鋼管的整體性能，滿足鋼管的使用工況。

中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司對(duì)鋼管淬火的研究起始于二十世紀(jì)八十年代，研發(fā)并推廣使用的外淋內(nèi)噴式淬火設(shè)備，在石油鋼管行業(yè)占據(jù)了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化大批量生產(chǎn)方面取得巨大成就。

1 外淋內(nèi)噴式淬火原理

淬火的關(guān)鍵是“快速冷卻”，為了提高鋼管的淬火質(zhì)量就必須快速打散鋼管內(nèi)、外表面的蒸汽膜，加快鋼管的冷卻速度，增加鋼管淬火后馬氏體的含量。

“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝不僅打散了鋼管內(nèi)表面的蒸汽膜，也打散了鋼管外表面的蒸汽膜，保證了鋼管的冷卻速度。

1.1 外淋

外淋就是對(duì)鋼管外表面進(jìn)行噴淋，采用了多個(gè)噴淋管，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙排外淋管Fig.1 Double row tube in outside shower

噴淋時(shí)，淬火液從一級(jí)管進(jìn)入，由連通管上的閥門、二級(jí)管接口處的撓性接頭進(jìn)入噴頭，通過調(diào)節(jié)每路噴淋管路上的閥門控制進(jìn)入噴頭的淬火水流量。在對(duì)小直徑鋼管進(jìn)行淬火時(shí)，可以關(guān)閉相鄰的一個(gè)閥門，調(diào)整另一個(gè)閥門開度，以便小流量均勻噴液。

外淋水落在鋼管上時(shí)，鋼管上半部屬于強(qiáng)冷，下半部是空氣弱冷，冷卻速度相差很大，不僅會(huì)造成鋼管的彎曲變形，而且會(huì)造成鋼管圓周方向性能的差異，為了保證鋼管在整個(gè)圓周方向冷卻均勻，鋼管應(yīng)邊噴淋邊以鋼管中心線旋轉(zhuǎn)。

1.2 內(nèi)噴

內(nèi)噴是水泵站提供水源，通過管道系統(tǒng)給鋼管內(nèi)部充滿淬火水。根據(jù)鋼管規(guī)格的不同，設(shè)計(jì)內(nèi)噴水的流量和壓力，用于打破鋼管內(nèi)壁的蒸汽膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管內(nèi)表面的冷卻。

采用內(nèi)噴噴嘴在鋼管一端沿鋼管軸向方向噴射冷卻水，對(duì)鋼管內(nèi)表面進(jìn)行冷卻時(shí)，冷卻水從一端流入另一端流出，冷卻水在流動(dòng)過程中不斷地進(jìn)行熱交換，溫度不斷升高，就會(huì)造成鋼管在軸向方向上冷卻速度不一致，甚而機(jī)械性能出現(xiàn)較大差距。這樣必須研究?jī)?nèi)噴水流速和流量對(duì)鋼管淬火性能的影響程度。經(jīng)過試驗(yàn)，內(nèi)噴水的流速控制在8～15 m/s之間，壓力≥0.6 MPa時(shí)，可以保證鋼管淬火后馬氏體的含量≥90%，滿足鋼管的機(jī)械性能。

2 外淋內(nèi)噴式淬火設(shè)備結(jié)構(gòu)

外淋內(nèi)噴式淬火設(shè)備結(jié)構(gòu)多有論述，這里僅論述不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。其布置圖如圖2所示。

圖2 外淋內(nèi)噴式淬火設(shè)備平面布置圖Fig.2 The layout drawing of the outside shower and inner spray type quenching equipment

2.1 進(jìn)料輥道

輥道的尾部即接近擋板處裝有鋼管位置的檢測(cè)元件，使鋼管實(shí)現(xiàn)快速送進(jìn)、慢速接近和停止，避免鋼管沖擊。

2.2 上料裝置

上料裝置采用變頻調(diào)速控制，以適應(yīng)鋼管規(guī)格和節(jié)奏的變化。

2.3 旋轉(zhuǎn)裝置

旋轉(zhuǎn)裝置的主要技術(shù)參數(shù):空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)10 r/min;鋼管工作轉(zhuǎn)速15～120 r/min;鋼管轉(zhuǎn)速變化采用變頻調(diào)速。

為了克服鋼管在旋轉(zhuǎn)時(shí)的軸向竄動(dòng)，設(shè)計(jì)有整體底座，安裝方便、調(diào)整簡(jiǎn)單。

2.4 翻料鉤

翻料鉤的功能是將淬火完成的鋼管逐根輸送到斜臺(tái)架上，由油缸驅(qū)動(dòng)。

2.5 外淋、內(nèi)噴裝置

主要由壓緊裝置、外淋裝置、內(nèi)噴裝置、機(jī)架、擋水機(jī)構(gòu)、固定擋水板組成。

壓緊裝置的控制采用雙減壓閥結(jié)構(gòu)，取消了比例減壓閥，調(diào)整方便、易于維修。

外淋裝置設(shè)計(jì)有雙排外淋管，針對(duì)不同規(guī)格的鋼管通過開閉一組閥門實(shí)現(xiàn)。在對(duì)大直徑鋼管進(jìn)行淬火時(shí)，閥門全開;在對(duì)小直徑鋼管進(jìn)行淬火時(shí)，可以關(guān)閉一組閥門，以便小流量均勻噴液。

內(nèi)噴裝置通過液動(dòng)三通截止閥實(shí)現(xiàn)，液動(dòng)三通截止閥采用比例閥控制。

2.6 斜臺(tái)架與擋料裝置

斜臺(tái)架用于接收淬火后的鋼管并存放待回火的鋼管，由型鋼焊接而成，傾斜一定的角度，使鋼管滾到擋料裝置處。

擋料裝置由油缸驅(qū)動(dòng)，以減少鋼管滾動(dòng)時(shí)的沖擊。

2.7 步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)

步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)升降采用油缸驅(qū)動(dòng)，前進(jìn)后退采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)速。

2.8 水泵站系統(tǒng)

水泵站系統(tǒng)是提供淬火用水的動(dòng)力源。由葉片泵、過濾器、碟閥、閘閥及管道、法蘭等組成。通過對(duì)不同泵、閥的開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的外淋與內(nèi)噴。不同數(shù)量?jī)?nèi)噴泵的組合，可以實(shí)現(xiàn)不同直徑鋼管對(duì)內(nèi)噴流量的需求。

2.9 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)昰實(shí)現(xiàn)功能元件運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)采用了泵直接傳動(dòng)的型式，控制更加可靠。

該系統(tǒng)采用了泄壓回路、減壓回路、安全保護(hù)回路和循環(huán)冷卻過濾回路等。

2.10 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)是該設(shè)備的“大腦”，通過PLC對(duì)設(shè)備的動(dòng)作進(jìn)行連鎖控制，用于保證設(shè)備安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)全線自動(dòng)化。

3 外淋內(nèi)噴式淬火設(shè)備工藝流程

外淋內(nèi)噴式淬火設(shè)備的工藝流程為:淬火爐→進(jìn)料輥道→上料裝置→旋轉(zhuǎn)裝置→夾緊裝置壓緊鋼管→旋轉(zhuǎn)裝置快速旋轉(zhuǎn)→外淋開始(同時(shí)內(nèi)噴開始)→淬火結(jié)束→外淋結(jié)束(同時(shí)內(nèi)噴結(jié)束)→夾緊裝置松開鋼管→翻料鉤→斜臺(tái)架→擋料裝置→步進(jìn)上升→步進(jìn)前進(jìn)→步進(jìn)下降→空水(步進(jìn)后退、吹氣)→步進(jìn)→出料輥道→完成淬火工藝。

淬火時(shí)液動(dòng)三通閥的開啟往往會(huì)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，在內(nèi)噴水進(jìn)口處應(yīng)設(shè)計(jì)安裝水錘吸納器。

4 主要工藝參數(shù)的確定

4.1 淬火水量

鋼管內(nèi)外流量的配比一般為(0.5～1.0):(1.5～2.0)，具體系數(shù)根據(jù)實(shí)際情況而定，小規(guī)格、薄壁管選小值，大規(guī)格、厚壁管選大值。

為了滿足噴淋管內(nèi)能充滿淬火水，當(dāng)鋼管直徑≤139.7 mm時(shí)，外淋水量為1200 m3/h;當(dāng)鋼管直徑≥139.7 mm時(shí)，外淋水量為2400 m3/h。

經(jīng)過試驗(yàn)，內(nèi)噴水的流速控制在5～15 m/s之間，外淋水的流速控制在2～6 m/s之間。

內(nèi)噴水水量可通過以下公式計(jì)算:

式中:Q為內(nèi)噴水流量，m3/h;d1為鋼管內(nèi)直徑，m;v1為內(nèi)噴水流速，m/s。

外淋水水量可通過以下公式計(jì)算:

式中:Q為外淋水流量，m3/h;d2為噴淋管內(nèi)直徑，m;v2為噴淋水流速，m/s;n為噴淋管的數(shù)量。

4.2 鋼管旋轉(zhuǎn)速度

鋼管的旋轉(zhuǎn)速度與鋼管的規(guī)格相關(guān)，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(shè)計(jì)為15～120 r/min，電機(jī)控制設(shè)置變頻調(diào)速，可滿足不同直徑鋼管的速度要求。

4.3 鋼管夾緊力

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)量的前提下夾緊力越大越好，一般液壓系統(tǒng)壓力取3～5 MPa。

鋼管淬火時(shí)夾緊缸的夾緊數(shù)量應(yīng)根據(jù)鋼管的長(zhǎng)度調(diào)整，保證鋼管夾緊充分，減少夾緊裝置的損壞。

5 結(jié)論

近年來我院為國(guó)內(nèi)外用戶提供了30多臺(tái)套鋼管外徑φ60.3～533 mm的外淋內(nèi)噴式淬火設(shè)備，為我國(guó)鋼管行業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。

［1］杜學(xué)斌，徐能惠，毛成斌，等.浸淬式鋼管淬火裝置的研制［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2007，28(3):39-42.

［2］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1997.

［3］杜學(xué)斌，徐能惠，韓炳濤，等.鋼管整體淬火研究［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2013，34(6):54-57.

［4］徐能惠，杜學(xué)斌，雷剛，等.雙排外淋管［P］:中國(guó)，ZL200720031743.0.2008.

The Outside Shower and Inner Spray Type Quenching Process and Structure for Steel Pipe

SHAO Guo-dong，DU Xue-bin，XU Neng-hui，MA Hui
(State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology，China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi'an Shanxi 710032，China)

In this paper，the profile of overall quenching for steel pipe is discussed，and process and structure of the outside shower and inner spray type quenching device are particularly described using the overall quenching process of“outside shower+inner spray+rotation”.For the whole steel pipe，the calculation basis for the main process parameters of through quenching is given，and the theory for designing the outside shower and inner spray type quenching equipment is provided.

overall quenching;steel pipe;outside shower;inner spray

TG155.3+3

A

1673-4971(2014)05-0047-03

2014-06-19

邵國(guó)棟(1963-)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事油氣輸送裝備與工藝、鍛壓設(shè)備與工藝研究。

聯(lián)系電話:029-86322249;E-mail:13679295583@163.com

陜西省重點(diǎn)新產(chǎn)品(2014XCP-04)