CN109423549A - 钢管加厚端补水冷却装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢管加厚端补水冷却装置与方法。该加厚端补水冷却方法是：第一，在不同的压力下对钢管加厚端补水冷却装置进行开度和流量的标定，控制器对其进行存储；第二，根据钢管是否加厚判断是否使用所述加厚端补水冷却装置；第三，根据钢管加厚端的长度确定所述补水冷却装置使用的内腔数量；第四，根据加厚端的厚度确定补水冷却的压力和流量，根据标定结果，控制器将流量调节阀打开到与设定流量相对应的开度位置；第五，钢管进入旋转台架后，打开相应补水冷却段的开关阀，对钢管加厚端进行补水冷却；第六，根据流量计的实测流量，控制器对流量调节阀进行闭环控制，确保流量稳定；第七，冷却结束后，关闭相应补水冷却段的开关阀。

Description

钢管加厚端补水冷却装置与方法
技术领域
本发明涉及一种钢管热处理技术，尤其涉及一种钢管加厚端补水冷却装置与方法。
背景技术
随着石油工业的发展, 对油管的需求量越来越大。油管螺纹连接部位是最薄弱的环节, 不加厚油管螺纹连接部位只能承受相当于管体强度60% ~ 80% 的拉伸载荷, 油管的失效事故80% 左右发生在螺纹连接处。经过管端加厚后, 其螺纹部分的连接强度与管体本身的强度相一致, 消除了螺纹部分连接强度低于管体强度的不足。钢管加厚，就是将钢管的端部经过局部加热后，通过挤压使其长度缩短，壁厚增加的工艺，目的是提高钢管连接处的强度。加厚钢管的加厚部分称为加厚端，根据加厚端的内外径变化情况, 加厚钢管可以分为：外加厚、内加厚和内外加厚3 种（如图4所示）。
仅仅将钢管加厚，不一定能满足强度和韧性要求，反而由于加厚端在锻造后组织粗大，韧性不佳，必须要进行适当的热处理。
就淬火工序而言，由于加厚端与管体部分存在厚度差异，在冷却水量的选择上就存在较大的难度：如果以管体厚度为基准设定冷却水流量，则加厚端的冷却速率较低，强度不足，同时淬火所需时间长，使得生产效率低下；如果以加厚端厚度为基准设定冷却水流量，虽然可以确保加厚端强度，减少淬火时间，提高生产效率，但是管体部分可能会由于冷却速率过大，强度过大，韧性不足，同时对水资源也是极大的浪费。
目前使用的水淬外冷设备，尚无专门针对加厚端的补水冷却设计，难以满足加厚钢管的整体淬火需求。虽然部分冷却装置采用了多个冷却喷箱对钢管全长进行分段冷却，理论上可以对加厚端增加冷却水量，但是一旦管体设定流量达到或接近上限，加厚端增加的流量就非常有限，甚至无法增加；并且，即使增大了加厚端的流量，但由于冷却水与钢管的接触面积几乎保持不变，所以加大的冷却速率也非常有限，对于改善加厚端性能质量，缩短淬火时间作用不大；同时，由于各规格钢管的加厚端长度差异，会对外冷设备的设计和标定增加很大的难度，也难以确保冷却过程中水系统的稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢管加厚端补水冷却装置与方法。本发明能根据钢管不同加厚端长度实施分段冷却，实现对钢管加厚端的快速均匀冷却，并大大缩短钢管整体淬火工序的水淬时间，提高生产效率。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种钢管加厚端补水冷却装置，包括喷箱，该喷箱设置于放置钢管的旋转台架侧上方，喷箱前端设置有多排喷嘴，喷箱前端对着下面的钢管头部或尾部，喷箱内包括多个内腔，每个内腔连接有进水管路，进水管路上装有流量计和流量调节阀，流量计和流量调节阀连接控制器，进水管路连接进水集管，进水集管通过变频水泵加压供水，变频水泵接控制器；所述喷箱沿钢管截面的垂直中心线偏有一个角度对着钢管。
所述内腔长度根据钢管加厚段的过渡段长度Lg和加厚端长度Lj设置。
所述喷箱内有内腔为1至6个。
所述喷箱前端的喷嘴为多排错列排布。所述喷嘴为1至6排。
所述喷箱分别设置在钢管方向的头部和尾部两端。
所述喷箱在钢管头部或尾部的一端有两个，沿钢管截面的垂直中心线对称设置。
一种钢管加厚端补水冷却方法，其步骤是：
第一，在不同的压力下对钢管加厚端补水冷却装置进行开度和流量的标定，控制器对其进行存储；
第二，根据钢管是否加厚判断是否使用所述加厚端补水冷却装置；
第三，根据钢管加厚端的长度确定所述补水冷却装置使用的内腔数量；
第四，根据加厚端的厚度确定补水冷却的压力和流量，根据标定结果，控制器将流量调节阀打开到与设定流量相对应的开度位置；
第五，钢管进入旋转台架后，打开相应补水冷却段的开关阀，对钢管加厚端进行补水冷却；
第六，根据流量计的实测流量，控制器对流量调节阀进行闭环控制，确保流量稳定；
第七，冷却结束后，关闭相应补水冷却段的开关阀。
第八，若下一根钢管为同一批次，则重复上述冷却过程第五至第六步。
本发明钢管加厚端补水冷却装置与方法通过采用流量和压力可调的斜喷冷却结构，根据不同加厚端长度实施分段冷却，实现对钢管加厚端的快速均匀冷却，不仅简化了管体外冷设备的设计难度，而且确保了钢管淬火后加厚端性能满足强度和韧性要求，并大大缩短钢管整体淬火工序的水淬时间，提高生产效率。
本发明钢管加厚端补水冷却装置与方法采用对加厚端进行补水冷却的方式，还可以减小管体外喷冷却装置的设计难度，简化流量标定过程，确保冷却过程中水系统的稳定高效。在冷却非加厚钢管时又无需开启，非常经济高效。
附图说明
图1为本发明钢管加厚端补水冷却装置的补水冷却原理图（喷箱沿钢管截面示意图）；
图2为本发明钢管加厚端补水冷却装置的钢管加厚端补水冷却配置图；
图3为本发明钢管加厚端补水冷却装置结构示意图；
图4为钢管加厚方式，图4（a）外加厚端，图4（b）内加厚端，图4（c）内外同时加厚端；
图5为钢管加厚端的形状示意图；
图6为本发明钢管加厚端补水冷却方法流程图；
图7为实施例的全长屈服强度波动曲线。
图中：1加压直喷装置，2钢管加厚端补水冷却装置，3钢管，4支撑旋转轮，5压紧轮，6流量计，7调节阀，8进水管路（进水口），9喷嘴，10喷箱（补水冷却喷箱），11安装板；Lg：过渡段长度，Lj：加厚端长度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
由于钢管加厚端长度并非固定不变的，加厚的起始位置也不同，在钢管外部冷却设备上设计针对加厚端的特殊冷却喷箱有很大的难度：若设计成一体式喷箱容易造成部分管体部分按照加厚端水量进行冷却，造成过冷；设计成多段式喷箱对于非加厚钢管又非常没有必要，反而会给整个外部冷却装置的标定和流量调节造成很大的扰动，不利于水系统的稳定。
本发明的钢管加厚端补水冷却装置是在统一设计的外部冷却装置的基础上，根据不同管径和壁厚的产品生产大纲需求，设计流量和压力可调的加压多排（1～6排）错列排布喷嘴的斜喷冷却装置，喷箱箱体根据加厚端长度规格划分为多个（1～6个）内腔，并设计独立的进水口连接进水管路和流量计和流量调节阀，如图3所示。进水管路连接进水集管，进水集管通过变频水泵加压供水，变频水泵接控制器，通过变频水泵控制供水压力，其供水压力范围为0.1～0.5MPa。各内腔长度根据过渡段长度Lg和产品规格中不同的加厚端长度Lj进行设计，参见图5。具体来说：
参见图1至图3，一种钢管加厚端补水冷却装置2，包括喷箱10，该喷箱10设置于放置钢管3的旋转台架的侧上方，钢管3下被支撑旋转轮4托住，上被压紧轮5压住。喷箱10前端设置有多排喷嘴9，喷箱10前端对着下面的钢管3头部或尾部，喷箱10内包括多个内腔，每个内腔连接有进水管路8，进水管路8上装有流量计6和流量调节阀7，流量计6和流量调节阀7连接控制器，进水管路8连接进水集管，进水集管通过变频水泵加压供水，变频水泵接控制器。所述喷箱10沿钢管3截面的垂直中心线偏有一个角度对着钢管3，参见图1，图1中：钢管加厚端补水冷却装置2即为喷箱10，外部冷却设备为加压直喷装置1正对着钢管3。
参见图3，所述内腔长度根据钢管加厚段的过渡段长度Lg和加厚端长度Lj设置；喷箱10内有内腔为1至6个。所述喷箱10前端的喷嘴9为多排错列排布，喷嘴为1至6排。喷箱10两端设置有安装板11，用于安装于支架上。
所述喷箱10分别设置在钢管方向的头部和尾部两端，参见图2，左右对称布置，对钢管3加厚端进行补水冷却。喷箱10在钢管头部或尾部的一端有两个，沿钢管截面的垂直中心线对称设置，参见图1。如果产品大纲中的加厚端厚度不大，也可以单侧布置或者对称布置单侧喷水冷却。
由于钢管加厚端补水装置是在外部冷却装置的基础上进行补水冷却，流量需求小，易于控制和调节，在冷却非加厚钢管时无需开启，减少阀组损耗，是一种非常经济高效的冷却装置。
一种钢管加厚端补水冷却方法，其步骤是：参见图6，
第一，在不同的压力下对钢管加厚端补水冷却装置进行开度和流量的标定，控制器对其进行存储；
第二，根据钢管是否加厚判断是否使用所述加厚端补水冷却装置；
第三，根据钢管加厚端的长度确定所述补水冷却装置使用的内腔数量；
第四，根据加厚端的厚度确定补水冷却的压力和流量，根据标定结果，控制器将流量调节阀打开到与设定流量相对应的开度位置；
第五，钢管进入旋转台架后，打开相应补水冷却段的气动开关阀，对钢管加厚端进行补水冷却；
第六，根据流量计的实测流量，控制器对流量调节阀进行闭环控制，确保流量稳定；
第七，冷却结束后，关闭相应补水冷却段的气动开关阀。
第八，若下一根钢管为同一批次，则重复上述冷却过程第五至第六步。
第九，在当前批次钢管冷却结束后，若有后续批次钢管需要冷却，则根据下一批次的钢管设定的压力和流量重复上述冷却过程第二至第六步。
实施例
1）加厚端补水装置设计为三排错列分布的喷嘴，分三段，如图3所示，采用圆柱形喷嘴。
2）加厚端补水喷箱长度设计为1500mm，分为各500mm的三段。
对C110钢管进行外淋内喷调质淬火，外径为88.9mm，管体壁厚为6.45mm，加厚端壁厚为15mm，长度900mm，设定参数如下：
转速：90rpm ，
内喷流量：418m3/h ，
外喷压力：0.2MPa ，
外喷总流量：1500m3/h ，
加厚端补水装置开启两段，长度1000mm ，
加厚端补水压力：0.3MPa ，
加厚端补水总流量：50m3/h 。
从图7的全长屈服强度波动曲线（C110 88.9*6.45 全长屈服强度波动曲线）中可以看出，采用本发明的加厚端补水冷却装置与方法，调质后钢管加厚端与管体的屈服强度和抗拉强度差别很小。并且，水冷时间从11S缩短到9S以下，加厚管节拍可提升2S，效率提升约10%。
本发明钢管加厚端补水冷却装置与方法在钢管离线淬火时，对钢管加厚端喷射比管体更多的冷却水，增加冷却水接触面积，实施快速均匀冷却，不仅使得钢管加厚端性能满足强度和韧性要求，而且不影响管体的正常冷却过程，从而大大缩短瓶颈工序--水淬的时间，提高生产效率。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种钢管加厚端补水冷却装置，其特征是：包括喷箱，该喷箱设置于放置钢管的旋转台架侧上方，喷箱前端设置有多排喷嘴，喷箱前端对着下面的钢管头部或尾部，喷箱内包括多个内腔，每个内腔连接有进水管路，进水管路上装有流量计和流量调节阀，流量计和流量调节阀连接控制器，进水管路连接进水集管，进水集管通过变频水泵加压供水，变频水泵接控制器；所述喷箱沿钢管截面的垂直中心线偏有一个角度对着钢管。
2.根据权利要求1所述的钢管加厚端补水冷却装置，其特征是：所述内腔长度根据钢管加厚段的过渡段长度Lg和加厚端长度Lj设置。
3.根据权利要求1或2所述的钢管加厚端补水冷却装置，其特征是：所述喷箱内有内腔为1至6个。
4.根据权利要求1所述的钢管加厚端补水冷却装置，其特征是：所述喷箱前端的喷嘴为多排错列排布。
5.根据权利要求4所述的钢管加厚端补水冷却装置，其特征是：所述喷嘴为1至6排。
6.根据权利要求1所述的钢管加厚端补水冷却装置，其特征是：所述喷箱分别设置在钢管方向的头部和尾部两端。
7.根据权利要求1所述的钢管加厚端补水冷却装置，其特征是：所述喷箱在钢管头部或尾部的一端有两个，沿钢管截面的垂直中心线对称设置。
8.一种根据权利要求1所述的钢管加厚端补水冷却装置的钢管加厚端补水冷却方法，其特征是：
第一，在不同的压力下对钢管加厚端补水冷却装置进行开度和流量的标定，控制器对其进行存储；
第二，根据钢管是否加厚判断是否使用所述加厚端补水冷却装置；
第三，根据钢管加厚端的长度确定所述补水冷却装置使用的内腔数量；
第四，根据加厚端的厚度确定补水冷却的压力和流量，根据标定结果，控制器将流量调节阀打开到与设定流量相对应的开度位置；
第五，钢管进入旋转台架后，打开相应补水冷却段的开关阀，对钢管加厚端进行补水冷却；
第六，根据流量计的实测流量，控制器对流量调节阀进行闭环控制，确保流量稳定；
第七，冷却结束后，关闭相应补水冷却段的开关阀。
9.根据权利要求8所述的钢管加厚端补水冷却方法，其特征是：第八，若下一根钢管为同一批次，则重复上述冷却过程第五至第六步。
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