CN101481995A - 一种高钢级石油套管和油管制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种高钢级石油套管和油管制造工艺方法，涉及一种石油套管和油管的制造方法，钢管的制造采用热轧板卷为原料，经过纵剪分条、带钢成型、高频焊接、焊缝内外毛刺清理、焊缝探伤、中频焊缝退火、定径、切断、矫直等工艺，先生产出ERW焊管料；再经过焊后精整、管端加厚(加厚油管需要经过该工艺)、整体调质、中温矫直、管端探伤、管端螺纹加工、接箍拧接、水压试验、通径试验、管体探伤、测长称重涂油等工艺，生产出高钢级成品套管和油管。钢管的钢级可以达到API 5CT标准中规定的适用于焊接方法制造的N80Q、L80、C95、P110、Q125等钢级。采用本发明生产高钢级石油套管和油管，具有生产效率高，生产成本低、成材率高及产品质量高的优点。

Description

一种高钢级石油套管和油管制造工艺

技术领域：

本发明涉及一种石油套管和油管的制造方法，特别是指使用热轧卷板生产API5CT标准中规定的N80Q、M65、L80-1、C95、P110、Q125等高钢级套管、油管的工艺方法。

背景技术：

近几年国内出现了多条ERW焊管生产线，是通过ERW焊管生产线生产一些低钢级的石油套管，钢级仅限于H40、J55、K55等，而对于API5CT标准中的N80Q、M65、L80-1、C95、P110、Q125国内的ERW焊管厂还无法生产，这些高钢级产品全部被无缝管所垄断。国内外高钢级的石油套管和油管常规制造方法是：采用无缝钢管作为原料，经过管端加厚、整体调质、管加工等工序。产生上述情况的原因有很多，但是有一个不争的事实是：一般的ERW焊管厂只有ERW焊管生产线，没有管加工生产线，也没有钢管的管端加厚和调质生产线。而具备钢管整体调质和管加工成套生产线的，目前只有无缝钢管厂。

传统生产高钢级石油套管和油管的主要生产工艺为，使用合适合金元素成分的无缝钢管，经过管端加厚(加厚油管需要经过该工艺)、钢管整体调质(油淬调质或水淬调质)、钢管无损检验、螺纹加工等工艺过程，最终产出高钢级的成品套管和油管。

目前普遍使用中碳系列的调质钢热轧无缝钢管为原料，通过对无缝钢管的调质热处理以使钢管强度达到高钢级强度的要求。为了能提高热处理后钢种的抗拉强度，保证钢种的在调质后能得到合乎要求的淬硬层，获得理想的淬硬层深度。钢中的含碳量一般为0.3～0.5％，相对于低合金高强钢而言(含碳量为0.08～0.25％)，含碳量偏高。材料中除添加Si、Mn、Cr等常用的合金元素外，还需要增加一定量的Mo、V、Ti、Nb等细化晶粒元素，使奥氏体原始晶粒度变得更细小，同时由于合金元素的增加，抑制了奥氏晶粒的长大，钢管淬火后既能获得细小的马氏体淬硬层又能保证强度、塑性等力学指标。由于钢种的合金含量偏高，必然导致原料冶炼成本升高，同时因为合金元素含的增加，钢的奥氏体均匀化温度升高，在热处过程中钢管整体加热温度高，为了防止淬火过程中因为冷却速度太快，钢因淬火应力而产生开裂，一般采用油淬调质方式。

以上述工艺生产的高钢级石油套管和油管，原材料的成本高，生产过程中需要对管坯和钢管进行二次整体加热，其中：管坯需要加热到1200～1250℃，二次加热的温度为900～1000℃，能耗高，且工艺过程复杂导致生产的高钢级套管和油管生产成本高。另外，在无缝管的生产工艺过程中有管坯准备切损、二次整体加热烧损、轧制过程的轧废、荒管轧制后和张力减径的头尾切除等，无缝钢管的材率低，一般只有82～87％左右。因此，市场上高钢级的石油套管和油管售价普遍很高。另外，由于无缝管在轧制工艺的原因也使得无缝管壁厚精度低，成品管的长度变化范围大，市场匹配性较低。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种高钢级石油套管和油管的制造工艺。

本发明解决技术问题采用的技术方案是：

一种高钢级石油套管和油管制造工艺包括以下几部分：纵剪生产线、ERW焊管生产线、管端加厚生产线、钢管调质生产线、管加工生产线。

其特征在于：利用目前国内钢材市场上低合金高强度钢热轧板卷供大于求，价格较低的有利环境，使用低合金高强度钢热轧板卷作为高钢级套管和油管的原料。热轧板卷经过纵剪分条、先进的带钢成型和高频焊接工艺，生产出适合后续加工的ERW焊管；再经过焊后精整、管端加厚(加厚油管需要经过该工艺)、钢管整体调质热处理、焊缝和管体探伤、管端螺纹加工、水压试验、通径试验等工艺，生产出高钢级成品套管和油管。

所述低合金高强度钢是在普通的碳钢的基础上，填加少量的合金元素来提高钢的机械性能和工艺性能。为保证后续的加工工艺性能(焊接性、冷弯性、冷冲压性)，钢的含碳量一般为0.08～0.25％，这类钢在热轧或简单热处理(正火)后，可以直接在冷态下使用。钢中主要的强化元素为Si和Mn，一般Si≤0.55％、Mn≤1.8％，为了增加钢种的强度、韧性等机械性能，适当添加Cr、Mo、V、Ti、Nb等合金元素，但元素含量较中碳调质钢低，合金元素总量一般不超过3％。钢的碳当量一般低于0.35，钢种的可焊性能好及冷弯性能较好。同时钢材原始强度低、轧制应力小，淬火过程中不容易开裂，一般可以通过水淬调质处理，材料的强度就可以达到N80Q、M65、L80-1、C95、P110、Q125等高强度等级。因为合金元素总量的减少，使得原料冶炼成本整体下降。

本发明的有益效果是用上述的工艺过程生产的高钢级石油套管和油管，工艺简单，产品成材率高，ERW焊管的成材率一般达到90～95％，产品的生产成本低。焊管相对于无缝管有着壁厚均匀、表面光洁、便于定尺、尺寸精度高等优点。使用焊管做原料来生产高强度石油套管、油管与传统使用无缝管做原料相比有较大的优势。

附图说明：

图1为无缝管生产石油套管和油管流程图；

图2为ERW焊管生产石油套管和油管流程图。

具体实施方式：

下面结合附图以及其具体实施对本发明做进一步的说明。

如图1所示，整个钢管生产流程包括以下几部分：纵剪生产线、ERW焊管生产线、管端加厚生产线、钢管调质生产线、管加工生产线。

其中纵剪生产线的原料为正规大型钢铁企业生产的热轧卷板，对钢管的成份要求很严，特别是有害元素的含量控制，虽然API 5CT标准中对P、S的要求不高，≤0.03％即可，但是实际生产中，对P、S的控制很严，要求：P≤0.01％、S≤0.008％。并对夹杂物的形态有一定的要求，一般在炼钢工序中有炉外精炼，并增加喂丝工序，以便改善硫化物形状，提高低温冲击韧性。要求用板面宽度大于1000mm的特定厚度和材质卷板作为原料，经过纵剪分条成为所需要的宽度，并切边，不得使用普通中宽带或窄带作为原料。

如图2所示，生产高强度石油套管和油管的ERW焊管生产线至少须经过开卷、剪切对焊、螺旋活套、钢板探伤、带钢铣边(或刨边)、带钢成型、高频焊接、焊缝内外毛刺清理、焊缝探伤、中频焊缝退火、定径矫直、切断等工艺，才能生产出符合API 5CT的ERW焊管料。ERW焊管生产线必须采用连续式焊管生产线，其生产速度、焊缝质量易于控制，工艺参数稳定。还必须对进入ERW焊管生产线的钢板进行探伤，防止带钢有开裂、分层、结疤等缺陷的存在，并对带钢边部进行铣边或刨边处理，清理边部缺陷。由于生产高强度石油套管和油管用的带钢强度和硬度都很高，特别是油管和小直径的套管都处于厚壁管范畴，对ERW焊管生产线的成型主机要求很高，无论是采用何种成型方式，带钢的边部必须成型充分，且不得有边部拉伸，才能保证焊接质量。高频焊机一般采用固态高频焊机，频率为200～400KHz，使用感应焊接方式；焊接后在线即时对内外毛刺进行清理，内焊缝余高进行严格控制，对于油管须内焊缝余高≤0.38mm，对于套管须内焊缝余高≤1.14mm；对于壁厚小于7.64mm的套管和油管，内外毛刺清理后的剩余壁厚不得小于基板厚度0.38mm，壁厚大于7.64mm的套管和油管的剩余壁厚不得小于基板厚度95％。清理完内外毛刺后对焊缝进行在线超声波探伤，对有缺陷的焊缝进行标记，并在精整线上把缺陷位置切除。对经过高频焊接后的焊缝进行中频焊缝退火，中频的频率为1000～3000KHz，焊缝退火的加热温度为950～1000℃。要求焊缝的内外表面温度差小于50℃，焊缝退火的区域包括热影响区，一般要求大于25mm。然后焊缝进行空冷，焊缝空冷的时间不少于90秒钟，在焊缝温度空冷到400℃以下时喷水冷却到80℃以下时进行定径和矫直。最后把连续生产的ERW焊管进行同步定尺切断，切断的方式有很多，常用的有锯切、铣切、车切、剪切等方式；同步跟踪的方式也有很多种，常用的有直流调速、交流变频、交流伺服、电液伺服等。

对于加厚油管来说，还要经过管端加厚工艺。上述工艺生产的ERW焊管，对管端进行中频感应加热，加热温度为1000～1250℃，加热长度为400～600mm，为了加快生产节奏，一般采用多套中频感应加热炉，加厚过程可以采用一次成型，也可以采用2次成型。加厚机一般为液压式，一般夹紧力为400～800吨，锻压力为200～500吨。管端加厚完成后需要对加厚过程中产生的飞边毛刺进行修磨。

生产高强度石油套管和油管必须对钢管整体做调质热处理。本方法是使用水淬冷却的方式进行。钢管整体调质热处理生产工艺至少应包括：(1).使用步进式钢管淬火加热炉，把钢管加热到奥氏体化温度，并保温得到均匀的温度，一般加热温度为900～950℃，保温时间一般为10～40分种，步进式加热炉的齿距一般大于步进距离，使钢管每步进一次就滚动一个弧度，在保证钢管被均匀加热的同时，又可防止钢管不均匀受热变弯，实现高质量加热的要求。(2).再用内喷外淋式钢管淬火机床，钢管在到达水冷工位时被压辊夹紧后，开始高速旋转，以防止钢管在急冷过程中产生严重弯曲，对钢管的外表面喷淋冷却水，同时对钢管的内部也喷冷却水，并要求使用大水量急冷钢管，达到所需要的冷却速度，以达到奥氏体到马式体的组织转变比例95％以上的效果；一般外淋水的流量为600～2000m³/h，内喷水的流量达到300～1000m³/h，冷却钢管的热水通过冷却塔散热后成为冷水回流到冷水池再循环使用。(3).经水冷后的钢管进入步进式回火加热炉，把钢管加热到特定温度，加热到A_C1温度以上，一般为600～750℃，通过高温回火，钢的组织成为回火索氏体，使钢管的综合机械性能提高，并保温一定的时间，一般保温时间为15～60分种，以得到均匀的温度，并使C原子在铁素体中充分扩散。(4).出回火炉后的管子到旋转式冷床进行空冷，钢管冷却过程中不停地旋转，防上钢管不均匀冷却产生弯曲。(5).当钢管的温度降到400～550℃时，进行旋转矫直，过低的矫直温度会产生残余应力，矫直机一般要求为带液压快开式中温矫直机，钢管头部进入矫直机时矫直辊抬起，以防止管端在矫直时产生压扁变形影响后续的管加工；当矫直加厚油管时，管子头尾部不能矫直，矫直辊需要快速抬起，经矫直后的钢管在旋转冷床上冷却到80℃以下后再收集。通过调质工艺，钢管的强度提高，能够达到API 5CT标准要求的N80Q、M65、L80-1、C95、P110、Q125等的套管和油管强度要求。

经过ERW焊接、管端加厚、整体调质的钢管，再进行管端螺纹加工，成为成品套管和油管。管加工生产线至少应包括：管端探伤、数控螺纹加工、螺纹检查、接箍拧接、水压试验、通径、管体(焊缝)探伤、测长、秤重、喷印、涂油、晾干等工序。管加工生产线的生产工艺与无缝管生产石油套管管油管工艺并无太大区别。

采用本发明，可以实现用ERW焊管代替无缝管生产高钢级石油套管和油管，并具有生产效率高，生产成本低、成材率高及产品质量高的优点。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (1)

1.一种高钢级石油套管、油管制造工艺方法，其特征在于以热扎卷板为原料通过以下工艺与过程最终生产出高钢级套管、油管；

所述的工艺和流程是：

(1)、纵剪生产线用板面宽度大于1000mm的特定厚度和材质卷板作为原料，纵剪分条成为所需要的宽度，并切边；

(2)、ERW焊管生产线用分剪的钢带生产焊管，其工艺包括：开卷、剪切对焊、螺旋活套、钢板探伤、带钢铣边(或刨边)、带钢成型、高频焊接、焊缝内外毛刺清理、焊缝探伤、中频焊缝退火、定径、切断、矫直工艺，其中高频焊接用高频焊机一般为固态高频焊机，频率为200～400KHz，经过高频焊接后的焊缝需进行中频焊缝退火，中频的频率为1000～3000KHz，焊缝退火的加热温度为950～1000℃，再进行焊缝空冷，在焊缝温度空冷到400℃以下时喷水冷却到80℃以下时进行定径和矫直；

(3)、对于加厚油管，要经过管端加厚工艺，对管端进行中频感应加热，加热温度为1000～1250℃，加热长度为400～600mm，加厚过程可以采用一次成型，也可以采用2次成型，加厚机一般为液压式，一般夹紧力为400～800吨，锻压力为200～500吨，管端加厚完成后对加厚过程中产生的飞边毛刺进行修磨；

(4)、生产高强度石油套管和油管还要对钢管整体做调质热处理，本方法是使用水淬冷却的方式，调质热处理生产装置与工艺包括：步进式钢管淬火加热炉，把钢管加热到奥氏体化温度，并保温得到均匀的温度，一般为900～950℃；内喷外淋式钢管淬火机床，钢管高速旋转，同时用大水量外淋和内喷钢管，急冷钢管以得到马式体组织；步进式钢管回火加热炉，把钢管加热到特定温度，并保温得到均匀的温度，一般为600～750℃；出炉后在旋转式冷床进行冷却，钢管冷却过程中不停地旋转，防止钢管不均匀冷却产生弯曲；带液压快开式中温矫直机矫直钢管，矫直温度为400℃～550℃，钢管头部进入矫直机时矫直辊抬起，以防止管端在矫直时产生压扁变形现象；

(5)、最后对焊管进行管加工，管加工生产线的生产工艺包括：管端探伤、管端数探螺纹加工、螺纹检查、接箍拧接、水压试验、通径试验、管体探伤、测长、秤重、喷印、涂油、晾干，ERW焊管经加工成为成品套管、油管。

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