1? 石油套管熱處理性能可靠性的研究?[摘要]石油套管的熱處理大多采用連續(xù)自動的方式生產，熱處理后產品性能檢驗通過抽檢方式進行，不可能100％產品性能得到驗證，嚴格控制熱處理生產過程的各個相關因素是保證鋼管性能穩(wěn)定可靠的關鍵。通過采取有效措施，從熱處理生產線的性能特點、維護和使用、熱處理工藝和質量管理、生產人員管理等方面進行嚴格控制，確保了產品性能可靠，得到用戶充分認可。石油套管在下井和服役過程中要承受內壓、外壓、彎曲、旋轉、磨損、腐蝕等苛刻條件”，因此對于鋼管性能(包括機械性能、抗擠毀、內屈服、抗腐蝕和其它使用性能)有著很高的可靠性要求。特別是近年來深井、超深井、深海以及含硫化氫、二氧化碳等復雜地質油氣田的勘探開采，對于N800和P110鋼級以上高鋼級產品的需求越來越普遍，而這些鋼級按照標準規(guī)定必須進行全長熱處理。熱處理工序在石油套管的整個生產過程中屬于“特殊工序”團，因為鋼管熱處理后的性能控制只能通過控制熱處理工藝參數(shù)間接實現(xiàn)，且只能抽檢而不能100％驗證性能。套管和油管規(guī)范ISO?11960(API?5cT)也將熱處理工序定義為“需要確認的工序”。鑒于熱處理工序的重要性和特殊性，石油套管的制造廠必須對工序進行細致控制和確認，才能保證鋼管性能的可靠和穩(wěn)定。當前天津鋼管集團股份有限公司(以下簡稱天管)，有7條鋼管熱處理生產線，產能超過100萬噸。經過近20年的生產、研發(fā)，天管集團對石油套管的熱處理生產積累了較豐富的經驗。本文結合天管集團的生產經驗，對石油套管的連續(xù)熱處理生產的可靠性進行系統(tǒng)分析，圍繞石油套管的熱處理相關環(huán)節(jié)闡述保證熱處理性能可靠的措施。? 主要熱處理設備的技術特點和使用要求石油套管熱處理多采用自動連續(xù)生產方式，不僅生產效率高、產量大，而且為產品質量穩(wěn)定提供了堅實基礎。通常一條鋼管熱處理生產線的產量可達5~25萬t，主體設備包括熱處理爐和淬火冷卻等。為了得到最高的生產效率，熱處理爐通常采用步進式連續(xù)熱處理爐，淬火采用內外同時冷卻的臥式淬火機構，可保證鋼管淬火后整體性能均勻。熱處理設備的可靠性為產品性能穩(wěn)定提供了良好的保障，設備的功能為產品質量控制提供了方法和手段，生產中必須對設備的功能和穩(wěn)定性足夠重視。下面根據(jù)天管集團的熱處理經驗，歸納主要設備應具有的功能。? 2．1熱處理爐? 鋼管熱處理爐是整個熱處理生產過程的關鍵設備。其中有效加熱區(qū)的溫度均勻性、準確性和穩(wěn)定性，生產節(jié)奏的準確性(節(jié)奏反應了鋼管的加熱和保溫時間)、加熱區(qū)的氧化氣氛控制等特征參數(shù)都會對鋼管質量產生重要影響。石油套管熱處理性能可靠性的研究鋼管加熱溫度，API石油套管性能要求嚴格，熱處理爐控溫精度應達到±5℃，滿足II類加熱爐的要求，均熱后鋼管全長及周向溫差≤10℃，溫度按照設值自動或手動控制，具有控溫報警功能來保證溫度處于工藝要求范圍。鋼管加熱時間，步進式熱處理爐? ? 3? 屬于快速加熱爐，低合金鋼管最大升溫速度可達40℃/min。鋼管爐內加熱時間T加熱=T升溫+T保溫，鋼管升溫時間主要受鋼管有效尺寸和布料方式影響，不同規(guī)格所需時間存在一定差異，鋼管保溫時間根據(jù)鋼種和產品要求設計。新建或改造的熱處理爐生產前適宜采用的“黑匣子測溫”（通過黑匣子測溫實驗確定鋼管在長度和圓周方向上的溫度分布，確定不同爐窖的熱處理溫度的均勻性為改進熱處理操作工藝和爐窖設計提供依據(jù)）圈的方法對熱處理爐的有效加熱區(qū)進行動態(tài)測試，通過分析測試數(shù)據(jù)得到熱處理爐的一系列特性參數(shù)，例如鋼管的溫度均勻性、實際升溫速度、實際保溫時間、熱處理爐的加熱系數(shù)等，來驗證設備是否滿足設計和工藝要求。加熱時間，鋼管在高溫爐內進行淬火加熱的實際升溫過程氣流量等參數(shù)的功能，以實現(xiàn)產品質量的可追溯。2．2淬火機構? 鋼管淬火可采用內外同時冷卻的臥式淬火方式，應能達到鋼種淬火所需要的臨界冷卻速度，并使鋼管．產生最小淬火應力。圖3鋼管旋轉內噴外淋臥式淬火設備示意圖蘸交淬火用水溫度嚴格控制在32℃以下，以保證水淬冷卻效果。淬火用水量，鋼管淬火時內外冷卻速度盡可能接近，以保證鋼管內外壁組織轉變的同步，減輕鋼管淬火變形、避免鋼管出現(xiàn)淬火裂紋。設備應具有自動生產并記錄淬火介質的溫度、內、外冷卻介質的流量、冷卻介質的壓力等參數(shù)的功能，用于追溯產品生產過程。下面列舉了水淬設備應具有的部分關鍵功能和參數(shù)，見表1。?? ? 4? 2．2設備正常運行的維護和改進? 鋼管的熱處理屬于特殊工序，必須嚴格控制設備維護和升級改造，保障設備運轉正常以滿足工藝的要求。所有設備的儀器儀表應符合對應質量體系文件的要求，新建設備、改造或大修后均應按技術條件驗收，鑒定合格后才可使用。要盡可能地避免由于工裝誤差穢。引起質量波動，設備檢修維護后的首批產品也須密切跟蹤，并將生產結果存檔。正常使用的設備還應定期按照石油套管的要求進行工藝和設備的確認。熱處理爐除達到驗收的技術條件外還應及時完熟善工藝試驗，通過鋼管熱處理后的性能試驗數(shù)據(jù)最終驗證設備的穩(wěn)定性，例如：鋼管兩端、中部、周向的性。能分布、淬透性試驗、工藝性能試驗、金相組織、殘余奧氏體、應力等多方面。各主要設備生產所需的環(huán)境條件，例如燃氣的壓力、熱值，冷卻介質的溫度、壓力等應嚴格滿足工藝技術文件的要求，當出現(xiàn)不滿足情況時應停止生產。同種規(guī)格產品的設備運行參數(shù)應基本保持不變，當發(fā)生較大變化時要及時記錄存檔，避免因為設備運行參數(shù)? 1?鋼管熱處理設備應具備的功能匯總的變化造成產品質量的波動。鋼管熱處理自動生產線屬于流水線作業(yè)，任何一臺套設備問題都會對生產質量造成沖擊。因此，對設備進行預防性維修是必要的，制定并嚴格遵守設備點檢定修制度，避免由于一個小的部件故障造成整個生產線物料的返工。? 3鋼管熱處理質量控制?? ? 5? 關鍵設備的運行可靠為產品質量提供了一個前提，而要保證鋼管性能穩(wěn)定可靠則需要更加關注鋼管熱處理過程的各個質量控制環(huán)節(jié)。見圖4石油套管的熱處理可靠性分析繪出的因果圖? 通過因果分析圖，從人、機、料、法、環(huán)幾個方面加強質量控制。? 3．1生產材料的確認? 生產前必須對原料的規(guī)格、材質、技術要求等進行核實，從源頭保證整個生產過程的可追溯性。生產前應仔細核實材料的化學成分，根據(jù)化學成分對生產? 工藝參數(shù)進行適當調整? 同牌號材料不同的冶煉方式、不同爐號的鋼管熱處理后性能都會存在一定差異，不可交替混合生產。生產組織應滿足石油套管的可追溯性要求，整個生產過程中的物料和熱處理狀態(tài)應有明顯的標記。嚴格管理熱處理性能不合格品，對重新熱處理的鋼管進行記錄存檔。? 3．2熱處理的質量管理? 除了通過嚴格控制設備和工藝來保證石油套管的熱處理質量外，有效的質量控制手段也非常重要。生產過程設專人進行工藝檢查，對工藝執(zhí)行的原始記錄情況進行監(jiān)督，這些原始記錄包括加熱溫度、生產節(jié)奏、冷卻方式、冷卻介質及溫度、鋼管出爐溫度等，并對操作過程的標準化符合情況進行監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)問題督促糾正，排除質量隱患。另外定期對質量記錄和理化檢驗結果進行分析，各種控制分析圖表按歸檔制度整理保管處于受檢狀態(tài)?？刹扇《喾N分析方法對生產過程進行分析評價，例如通過工序過程能力分析發(fā)現(xiàn)問題。? 3-3熱處理生產參與人員控制鋼管熱處理性能，而設備運行參數(shù)有時不能完全鋼管的熱處理生產通過控制設備運行參數(shù)間接反映鋼管的實際情況，所以操作人員除監(jiān)視設備參數(shù)外還必須定時巡視設備運行情況，觀察鋼管在爐內的實際加熱效果和淬火冷卻情況。操作人員必須熟練掌握設備的控制要點，和生產質量控制點，所有生產參與人員包括工藝制定人員、現(xiàn)場管理人員、操作、檢驗人員必須經過定期考核和培訓。關鍵崗位人員須由專業(yè)考核合格，有現(xiàn)場質量控制知識的人員擔任。? 3．4熱處理工藝?3．4．1鋼管加熱控制? 通常選擇的淬火加熱溫度在Ac3以上50℃。100℃(除非標準要求)，較高的淬火溫度可保證鋼管得到充分的奧氏體化，實現(xiàn)快速加熱，穩(wěn)定淬火質量。當淬火工藝溫度接近鋼種相變溫度Ac3時，應提高溫度控制要求，以穩(wěn)定奧氏體組織減小淬火性能差異。介紹鋼管的亞溫淬火工藝可以改善鋼種的高溫回火脆性，但Ac3以下的淬火加熱會因鋼管周向和管長溫差導致內部組織出現(xiàn)明顯的不均勻，淬火后鋼管內部組織差異明顯而導致鋼管拉伸性能的不穩(wěn)定，這種亞溫淬火工藝對于熱處理爐的生產能力有更高的要求，類似的工藝不推薦在石油套管的生產上采用，但可按照文獻【8l介紹的低溫淬火工藝避免淬火組織差異來獲得更好的可靠性。眾所周知熱處理的溫度和保溫時間都會對材料的性能造成一定的影響，所以熱處理的加熱時間也必須得到控制，通過“黑匣子測溫試驗”可獲得爐子特性參數(shù)，用于核算鋼管熱處理生產節(jié)奏，使鋼管的加熱和保溫時間得到準確控制。? 3．4．2鋼管淬火控制? 鋼管的淬火操作至關重要，淬火介質的溫度、內外淬火介質的流量必須達到工藝要求，以保證足夠的淬火冷卻速度。淬火冷卻時間要保證鋼管淬火后達到工藝要求的溫度。然而僅控制淬火工藝參數(shù)不能充分保證淬火效果，還要控制鋼管出爐等待淬火的時間，保證淬火前的實際溫度滿足淬火要求，鋼管整個淬火冷卻過程必須在操作人員的嚴密監(jiān)視下進行。針對設備能力統(tǒng)計各個品種的淬透性數(shù)據(jù)，用于規(guī)范鋼種的應用，以保證產品的質量。淬火時為保證高質量的一致性，低淬透性鋼種生產厚壁產品時淬火水量選擇上限，當高淬透性鋼種生產薄壁產品時淬火水量選擇下限，這樣可以保證低淬透性鋼種的淬火效果也可以避免高淬透性鋼種出現(xiàn)脆裂現(xiàn)象。? 3．4．3工藝的確認? 處理工藝必須得到充分的驗證才能進行大規(guī)模生產。鋼管正式批量生產前均應進行小規(guī)模的試驗生產，新工藝經確認后方可正式應用。這種驗證應該包含多種項目：淬透性、拉伸強度(兩端和管體)、硬度、組織、晶粒度等等。當出現(xiàn)因為鋼管的材料特殊? ? 8? 性對生產設備提出了更高的要求時，要保證鋼管性能穩(wěn)定，熱處理過程應該得到更加嚴格的關注，制定適用可行的措施，當所采取的措施不能充分保障產品性能可靠時，要及時尋找可替換的材料或繼續(xù)深入研究。? 3．5試樣的抽取和追溯? 石油套管規(guī)范要求試驗用管隨機抽取，當多次試驗時抽樣要能代表該熱處理檢驗批的始、末及管子的兩端。但僅按照標準的要求去抽取試樣驗證整批鋼管的性能還存在很大的檢驗盲區(qū)，所以要嚴格制定取? 樣規(guī)程，根據(jù)實際生產條件完善取樣制度。例如：生產p110鋼級套管時，如一個生產批次只生產了一批數(shù)量的鋼管，則也應該取兩個試樣驗證鋼管兩端及生產始末(標準只要求取一個試樣)。鋼管加熱采用步進式連續(xù)熱處理爐，每個生產周期入爐的前、中、后鋼管的加熱狀態(tài)會存在一定差異，主要體現(xiàn)在開始和結束階段，爐底強度的不穩(wěn)定造成控制系統(tǒng)響應不及時，因而爐溫波動較大，而加熱差異即可能導致鋼管性能的差異，鋼管淬火時由于鋼種淬透性的影響以及鋼管壁厚尺寸造成的質量效應的影響兩端會存在一定的性能差異，并且淬火時鋼管與設備的接觸也會可能造成接觸點的淬火不充分，取樣時對各種因素都應充分考慮，抽取試樣要具有充分的代表性，絕不能簡單的隨機抽檢。? 4結束語? 天管集團近20年內得到快速發(fā)展，當前熱處理能力已經超過100萬以，產品涵蓋了IS011960規(guī)范中的全部鋼級和規(guī)格，并獨立開發(fā)自主知識產權的TP系列產品滿足用戶對于復雜地質條件下油井的需求，得到了全球用戶的充分認可。熱處理生產工序的穩(wěn)定可靠為產品內在性能提供了堅實的基礎，更依賴于對生產環(huán)節(jié)相關因素的嚴格控制，對于工藝及設備的可靠性和穩(wěn)定性的不斷追求。