CN103128108A - 一种提高hfw焊管热轧后强韧性的在线控冷方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷方法及装置，首先将HFW焊管加热到奥氏体化相变温度以上80~200℃，然后进行热轧减径得到所需规格的管坯，随后使仍在相变温度以上的管坯旋转通过在线控冷装置快冷至所需温度。所述在线控冷装置包括变频水泵、喷水器、喷嘴和传动装置；所述喷水器呈环形结构，且其进水管与变频水泵的出水口连接，喷水器内壁沿周向均布喷嘴；所述传动装置设置在喷水器之间，驱动HFW焊管以一定速度旋转前进。本发明实现了沿钢管周向、轴向及壁厚方向的冷却均匀性，使焊管的微观组织得到细化，提高全管体的强韧性，获得良好的综合性能，同时节约成本、降低资源及能源消耗。

Description

一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷方法及装置

技术领域

本发明属于高频直缝焊管制造技术领域，具体涉及一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷方法及装置。

背景技术

在油井管制造工艺中，无论是无缝管还是HFW（High Frequency Welding）焊接管，为了提高生产效率，使管径和壁厚改变易于控制，一般要采用热张力减径工艺技术，对毛坯管进行加热状态下的热机械轧制和拉拔，由于热轧后组织重新发生奥氏体化，其后的相变若不加以控制，便会造成管体内部组织粗大，导致强度和韧性大幅下降，难以满足油气钻采现场使用要求。为了解决这个问题，除采用合金化之外，还需要将轧制成的成品管进行离线热处理，如淬火及回火处理，这样必将增加庞大的热处理设备，同时需要消耗大量的资源及能源。例如，对于常规的热轧无缝J55，一般采用较高碳含量的37Mn5圆钢坯（0.35~0.40%C、1.2~1.5%Mn）经穿孔、热轧及张力减径而直接制得，但由于含碳量高，虽然保住了强度却牺牲了韧性；对于热轧HFW J55，由于37Mn5碳含量过高、可焊性差而须采用更低碳含量的原料，其HFW焊接母管经热轧减径后虽然保住了韧性却牺牲了强度，仅勉强达到H40水平，若后续通过离线调质热处理提升强韧性则会导致大幅增加成本、产品竞争力下降。

为了解决这个矛盾，节约资源及能耗，降低成本，可考虑充分利用钢管热轧后的余热进行在线热处理（在线控制冷却甚至在线淬火），将变形强化和相变强化结合进行，实现管材热轧后的组织转变和性能有效调控，降低能耗及生产费用。虽然控轧控冷技术已成功应用到板带材及线棒材领域，但迄今为止，仍未见HFW焊管热轧后在线控冷甚至淬火的可靠装置及成熟工艺的相关报道。存在的难题，首先是冷却均匀性控制，由于钢管截面形状的特殊性导致冷却过程中难以确保沿钢管轴向、周向及壁厚方向的冷却均匀性；其次，冷却工艺控制，由于控制冷却的工艺窗口窄，而不同规格的HFW焊管热轧减径后管坯的走速范围宽（0.9m/s~3.6m/s），在此速度范围内要将所有规格的热轧减径管坯快速、均匀在线冷却到指定的温度区间，这对在线控冷装备冷却能力及其精确控制要求非常严格。因此，钢管在线控冷技术被普遍认为是工程界难题。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷方法及装置，在降低碳及合金元素含量的前提下，将HFW焊接母管经热轧减径后、仍在管材相变温度A_c3以上的管坯经过在线控冷装置，进行控制冷却，不但实现了沿钢管周向、轴向及壁厚方向的冷却均匀性，而且通过合理的冷却工艺控制，有效控制管材组织转变，实现晶粒细化及抑制带状偏析，得到所需的组织，如贝氏体、甚至马氏体等，提高了全管体的强度和韧性，获得良好的综合性能，同时节约成本、降低资源及能源消耗。

本发明的技术解决方案：一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷方法，首先采用中频感应加热方式，将HFW焊管快速、均匀加热到奥氏体化相变温度A_c3以上80~200℃，然后进行热轧减径得到所需规格的管坯，随后使仍在相变温度A_c3以上的管坯旋转通过在线控冷装置，以≥15℃/s的平均冷却速率快冷至所需温度，使HFW焊管的微观组织得到细化，提高全管体的强韧性，获得良好的综合性能。

所述HFW焊管以0.30~3.30m/s的速度旋转通过在线控冷装置，并控制HFW焊管以15~45℃/s的冷却速率快冷至所需温度，随后进入链式冷床实施空冷到室温。

所述在线控冷装置的冷却速率≥50℃/s，实现HFW焊管在线淬火处理。

一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷装置，包括变频水泵、喷水器、喷嘴和传动装置；所述喷水器呈环形结构，喷水器的进水管与变频水泵的出水口连接，喷水器内壁沿周向均布喷嘴；所述传动装置设置在喷水器之间，驱动HFW焊管以一定速度旋转前进。

所述喷嘴为直线型空心锥形喷嘴, 喷嘴的喷射区域呈圆环形,通过可调球形接头沿喷水器内壁周向均布两排,且喷嘴喷射方向的垂直夹角为10~20°，使喷嘴的喷射方向与钢管前进方向呈一定夹角。

所述喷水器以不小于1.2米的间距均匀布置，使钢管以多级“冷却-快速回温-再冷却-再快速回温”的阶梯式冷却方式快冷到所需温度，减小钢管内外壁的冷速梯度，确保钢管壁厚方向的冷却均匀性。

所述传动装置通过控制传动电机和可调倾角的V型斜辊控制钢管旋转前进的速度和转速。

本发明具有的优点和效果：

1、本发明在降低碳含量及合金元素含量的前提下，通过对在相变点温度以上的经济型HFW焊管，实施在线控冷处理，提高HFW焊管的综合力学性能。在确保获得优异的综合性能的前提下降低了成本、节约了资源。

2、本发明通过控制钢管通过方式、调整喷淋水压力和流量、合理选择喷水器开启策略、调整喷嘴喷射角度等多种方式，实现全管体均匀冷却且满足不同钢种、规格及冷却工艺要求，实现连续化批量生产。

3、本发明环形结构的喷水器以一定间距均匀排布，使钢管以多级“冷却-快速回温-再冷却-再快速回温”的阶梯式冷却方式冷到所需温度，减小钢管内外壁的冷速梯度，确保钢管壁厚方向的冷却均匀性。

4、本发明喷嘴的喷射区域呈圆环形，使冷却过程中钢管直接受冷却水喷淋区域能够快速回温，实现整个钢管外壁不同部位冷速梯度小，同时喷射方向与钢管前进方向呈一定夹角，避免管端进水致使仍在A_c3以上温度的钢管头部相对于管体中、尾部冷速过快，引起钢管头部过冷与中尾部奥氏体固态相变程度不一致的问题，确保钢管轴向的冷却均匀性。

5、本发明通过控制传动电机和可调倾角的V型斜辊控制钢管旋转前进的速度和转速，确保钢管周向的冷却均匀性。

附图说明

图1为本发明的在线控冷装置结构示意图；

图2为本发明喷水器结构示意图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为本发明喷嘴结构示意图；

图5为中碳钢材质HFW焊管热轧后直接空冷到室温的金相组织；

图6为中碳钢HFW焊管热轧后在线控冷后的金相组织；

图7为低碳钢（Q345材质）HFW焊管热轧后直接空冷到室温的金相组织；

图8为低碳钢（Q345材质）HFW焊管热轧后在线控冷后的金相组织。

具体实施方式

结合附图1、2、3、4，本发明所述在线控冷装置包括变频水泵1、喷水器2、喷嘴3和传动装置4；所述喷水器2呈环形结构，喷水器2的进水管与变频水泵1的出水口连接，喷水器2内壁沿周向均布喷嘴3；所述喷嘴3为直线型空心锥形喷嘴，保证喷嘴3的喷射区域呈圆环形，喷嘴3通过可调球形接头5沿喷水器2内壁周向均布两排，喷嘴3的喷射方向与喷水器2径向的垂直夹角为10~20°，进而使喷嘴3的喷射方向与钢管前进方向呈一定夹角。所述传动装置4设置在喷水器2之间，驱动HFW焊管以一定速度旋转前进。所述喷水器2以不小于1.2米的间距均匀布置，使钢管以多级“冷却-快速回温-再冷却-再快速回温”的阶梯式冷却方式冷到所需温度，减小钢管内外壁的冷速梯度，确保钢管壁厚方向的冷却均匀性。所述传动装置4通过控制传动电机和可调倾角的V型斜辊控制钢管旋转前进的速度和转速。

所述在线控冷装置安装在热轧减径机组和链式冷床之间，通过控制钢管通过方式、调整喷淋水压力和流量、合理选择喷水器开启策略、调整喷嘴喷射角度等多种方式，实现全管体均匀冷却且满足不同钢种、规格及冷却工艺要求，实现连续化批量生产。

所述在线控冷装置技术参数：水压≤0.8MPa，流量≤1100m³/h，进水温度≤30℃。

实施例1：Ф193.7×7.34mmHFW焊管（中碳钢材质）热轧后在线控冷。

HFW焊管化学成分（wt.%）：C 0.30，Si 0.25，Mn 1.28，P 0.011，S 0.005，其余为Fe和不可控制的夹杂物。A_c3为830℃。

首先，HFW焊管热轧减径。将Ф193.7×7.34mm的HFW焊管经中频加热炉快速加热到1000℃，进入热张力减径机组热轧减径到Ф139.7×7.72mm的管坯，然后进入旋转热锯锯成定长10m左右的钢管。

其次，热轧管坯在线控冷。热锯后的钢管温度为880℃，以0.93m/s的速度经过一段空冷辊道使温度降至820℃，随即进入V型斜辊道使钢管以0.93m/s的速度旋转通过整个控冷段，喷淋水压力0.31MPa，流量330m³/h，喷水器开启8组，冷后温度为650℃，冷却速率为20℃/s，然后钢管进入链式冷床空冷到室温。

最后，无损探伤及管端丝扣加工。

性能特点：中碳钢材质的HFW焊管，由Ф193.7×7.34mm热轧减径到Ф139.7×7.72mm后，若直接空冷到室温，则得到多边形铁素体加珠光体的正火组织，铁素体和珠光体的体积百分比约为1:1，且铁素体晶粒粗大（平均晶粒尺寸约19μm）、带状偏析明显（见图5），其力学指标较低，即屈服强度、抗拉强度和冲击吸收功（0℃、全尺寸试样）分别为410MPa、640MPa和29J；若该规格材质的HFW焊管热轧后实施上述控冷工艺，则得到少量先共析铁素体加大量细层片状珠光体团为主的组织，铁素体和珠光体的体积百分比约为1:5~6，铁素体晶粒明显细化（平均晶粒尺寸约8μm）且带状偏析消除（见图6），在细化铁素体晶粒、抑制先共析铁素体析出和增加珠光体含量的作用下，其屈服强度、抗拉强度和冲击吸收功（0℃、全尺寸试样）分别为540MPa、735MPa和71J，可见管体的强韧性得到显著提高。

实施例2：Ф193.7×5.51mmHFW焊管（低碳钢Q345材质）热轧后在线控冷。

HFW焊管化学成分（wt.%）：C 0.16，Si 0.26，Mn 1.31，P 0.013，S 0.004，其余为Fe和不可控制的夹杂物。A_c3为840℃。

首先，HFW焊管热轧减径。将Ф193.7×5.51mm的HFW焊管经中频加热炉快速加热到980℃，进入热张力减径机组热轧减径到Ф139.7×6.20mm的管坯，然后进入旋转热锯锯成定长10m左右的钢管。

其次，热轧管坯在线控冷。热锯后的钢管温度为860℃，以1.08m/s的速度经过一段空冷辊道使温度降至795℃，随即进入V型斜辊道以1.08m/s的速度使钢管旋转通过整个控冷段，喷淋水压力0.33MPa，流量412m³/h，喷水器开启10组，冷后温度为410℃，冷却速率为30℃/s，然后钢管进入链式冷床空冷到室温。

最后，无损探伤及管端丝扣加工。

性能特点：低碳钢材质的HFW焊管，由Ф193.7×5.51mm热轧减径到Ф139.7×6.20mm后，若直接空冷到室温，则得到大量等轴状铁素体为主的组织且铁素体晶粒较粗（平均晶粒尺寸约22μm）、带状偏析明显（见图7），其力学指标较低，即屈服强度、抗拉强度和冲击吸收功（0℃、全尺寸试样）分别为365MPa、518MPa和59J；若该规格材质的HFW焊管热轧后实施上述控冷工艺，则获得更细的针状铁素体和低碳贝氏体为主的组织（见图8），在细晶强化和相变强化的作用下，其屈服强度、抗拉强度和冲击吸收功（0℃、全尺寸试样）分别为475MPa、680MPa和103J，管体的强度和韧性提高效果显著。

实施例3：HFW焊管热轧后的快速冷却淬火工艺。对热张减后的小规格、薄壁厚钢管，如果加大水流量和压力，当冷速≥50℃/s时（最大冷速可达到90℃/s），可以实现HFW焊管热轧后在线淬火的能力，为今后开发更低成本、更高钢级的HFW焊管提供一种新的工艺途径。

上述实施例，只是本发明较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等同变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷方法，其特征是：首先采用中频感应加热方式，将HFW焊管快速、均匀加热到奥氏体化相变温度A_c3以上80~200℃，然后进行热轧减径得到所需规格的管坯，随后使仍在相变温度A_c3以上的管坯旋转通过在线控冷装置，以≥15℃/s的平均冷却速率快冷至所需温度，使HFW焊管的微观组织得到细化，提高全管体的强韧性，获得良好的综合性能。

2.根据权利要求1所述的一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷方法，其特征是：所述HFW焊管以0.30~3.30m/s的速度旋转通过在线控冷装置，并控制HFW焊管以15~45℃/s的冷却速率快冷至所需温度，随后进入链式冷床实施空冷到室温。

3.根据权利要求1所述的一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷方法，其特征是：所述在线控冷装置的冷却速率≥50℃/s，实现HFW焊管在线淬火处理。

4.一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷装置，其特征是：所述在线控冷装置包括变频水泵（1）、喷水器（2）、喷嘴（3）和传动装置（4）；所述喷水器（2）呈环形结构，喷水器（2）的进水管与变频水泵（1）的出水口连接，喷水器（2）内壁沿周向均布喷嘴（3）；所述传动装置（4）设置在喷水器（2）之间，驱动HFW焊管以一定速度旋转前进。

5.根据权利要求4所述的一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷装置，其特征是：所述喷嘴（3）为直线型空心锥形喷嘴，喷嘴（3）的喷射区域呈圆环形，通过可调球形接头（5）沿喷水器（2）内壁周向均布两排，且喷嘴（3）的喷射方向的垂直夹角为10~20°，使喷嘴（3）的喷射方向与钢管前进方向呈一定夹角。

6.根据权利要求4或5所述的一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷装置，其特征是：所述喷水器（2）以不小于1.2米的间距均匀布置，使钢管以多级“冷却-快速回温-再冷却-再快速回温”的阶梯式冷却方式快冷到所需温度，减小钢管内外壁的冷速梯度，确保钢管壁厚方向的冷却均匀性。

7.根据权利要求6所述的一种提高HFW焊管热轧后强韧性的在线控冷装置，其特征是：所述传动装置（4）通过控制传动电机和可调倾角的V型斜辊控制钢管旋转前进的速度和转速。

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