L80-13Cr不锈钢套管...轧穿孔工艺研究及工模具改进_高建学.pdf

技术交流不锈钢 套管热轧穿孔工艺研究及工模具改进高建学（天津钢管制造有限公司，天津 摘要：针对不锈钢热塑性差，穿孔时顶头消耗大，导板表面易黏钢，钢管内外折缺陷严重等问题，研究了穿孔工艺，改进了工模具。通过高温热模拟试验确定了不诱钢管坯的最佳均热温度为 丈；采用螺纹不锈钢顶头 和高镍铬钢旧导板解决了顶头乳制寿命低和导板表面黏钢问题；通过改进穿孔工艺参数，将咬人角由增加至，控制顶前压下率在及椭圆度系数在，显著提升了荒管表面 质量，将荒管所轧成品一次合格率由以下提升至以上。关键词：套管；不锈钢；内折；顶头；均热温度；工艺参数：开放科学（资源服务）标识码（）：（，）：，？，？：；近年来，石油和天然气的钻探已经向深层或超深层进行，由于、等的存在，开采环境更加恶化。传统的碳钢和低合金钢无缝管已经难以满足使用需求，马氏体不诱钢（）因具有良好的耐腐蚀性，在套管制造中已经被大量使用。年，天津钢管制造有限公司（简称天津钢 管）连乳管机组（简称机组）开始批量 生产不锈钢套 管。现主要分析高建学（），男，工程师，从事无缝钢管工艺研究和生产管理工作。不锈钢套管在 穿孔过程中出现典型缺陷和乳制工具（顶头、导板）寿命偏低的主要原因，并提出具体的改进措施。套管的化学成分及钢种特性套 管的化 学 成分需满足 套管和 油管规范要求，具体见表，其含量较高，具有圆坯加热温度控制区间小、塑性低、髙温热变 形抗力大等特点。研究表明，穿孔温度在 以上时，高合金钢变形抗力在以上，约 为普通碳钢的倍，因此在 穿 ，钢管年月第卷第期技术交流 温度抗拉强度一断 面 收 缩 率图钢的局温拉伸试验结果由图可以看出，不锈钢在？丈塑性较高，温度超过丈后塑性急剧下降，因此管坯开轧温度不宜过高。此外，斜乳穿孔过程中金属的温升也是制定管坯开轧温度的重要依据之一，过高的加热温度再叠加穿孔温升会大大在轧制不锈钢 时，由于其变形抗力比普通碳钢 高，穿孔效率变得较低。过低的穿孔效率使纯轧时间变长，在穿孔过程中，顶头要承受压应力、切应力以及与轧件间的摩擦力，此外还处于髙温高压、急冷急热的复杂工况，这都会加大顶头的失效速度。生产钢管初期，￥机组使用普通氧化顶头，穿轧支毛管后顶头表面就会出现黏钢、掉肉和塌鼻等现象。这种情况的发生一方面易造成后卡抱顶杆事故，另一方面由于频繁更换顶头也会大大降低生产效率。金属之间 的黏附通常是两种金属的新生面在高负荷和高摩擦的条件下通过接触而发生的，穿孔过程中导板和轧件即满足该条件，两者非 常容易发生黏咼建学：不镑钢套管热轧穿孔工艺研究及工模具改进钢管年月第卷第期孔机轧制过程中顶头和导板更容易出现黏钢、掉肉等问题，钢管出现内外表面质量缺陷 的几率增加。表钢级套管化 学成 分（质量分数）要求项目实际值 设计值？彡？矣 生产中存在的典型问题钢管内外折缺陷 问题突出机组在乳制中 规格荒管初 期，荒管所轧成品的内外折缺陷严重，一次合格率不足。钢管内折缺陷的产生原因主要有两个方面：管坯质量（内 因）与穿孔工艺制度（外因）。取圆坯试片进行 酸 浸，观察横截面未发现裂纹、缩孔、夹杂物等缺陷。此外，在钢管内折缺陷部位取金相试样，抛光磨制后进行显微观察，发现内壁折叠有分叉，在缺陷缝隙中未发现冶炼产生的夹杂物。因此，内折产生与圆坯冶金质量无关，是在 穿孔过程中产生的。宋令玺等的研究表明，钢管内表面缺陷与管坯加 热温度有直接关系，钢在以上高温时将析出铁素体。然而，铁素体的大量析出会造成钢的热塑性下降，同时降低钢的强度并恶化钢的横向靭性，最终在穿孔过程中产生内折缺陷。此外，李民的研究表明，穿孔工艺参数的调整对高铬无缝钢管内折缺陷 的产生有直接影响？钢管的外折呈螺旋状分布，与穿孔过程中毛管旋转方向一致，因此可直接判断是由导板表面黏钢或熔融缺肉造成的。穿孔工具轧制 寿命低附。因此，只有在轧件表面生成氧化膜层时才能防止黏附发生。与普通碳钢相比，管坯氧化膜层薄且髙温热变形抗力大，横向宽展与导板表面摩擦更加剧烈，因此导板更容易发生黏附。轧制工艺 改进管坯加热制 度的确定作为髙合金钢，对于加 热温度和 加热时间 的要求更为严格。断面收缩率是衡量金属材料塑性变形能力的性能指标，该值越大说明材料的塑性越好，高合金钢 在热轧穿孔过程中多因变形抗力大，变形渗透性差而造成轧卡事故或出现分层缺陷，因此要通过拉伸试验模拟 穿 孔过程的热塑性，从而确定合理的管坯加热制度。通过 热模拟试验机对不镑钢进行热模拟试验，得出高塑性区及高温变形抗力。测试热塑性的试样为中圆柱体，试验温度分别为，丈，以变形 速率对试样进行拉伸，直到拉断，测试其断面收缩率并建立变形温度与断面收缩率之间的关系。钢的高温拉伸试验结果如图所示。掛頫荽？盔技术交流增 加荒管产生内折的几率。白丽杨的研究表明，在锥形 辊斜轧穿孔过程中，不镑钢的温升可达左右，且最高温度均匀分布在荒管外表面。笔者通过实测发现，钢 管坯出炉至穿孔机人口外表面温降约 为尤，因此为 防止铁素体的析出，又能确保管坯具有较好的高温热塑性，环形加 热炉的最佳均热温度应设定为。除了均热温度以外，环形加热炉各区段的加热时间和加 热温度对管坯加热均勻性和荒管内表面质量影响也较大。一般认为，钢坯在低温段加热速度过快时易产生加热裂纹，其主要原因是钢述表面温度升高时，表面与内部金属产生了一定的温差，而温度应力的产生导致加 热裂纹的出现。与普通碳钢相比，不锈钢的导热系数更小，更容易产生加热裂纹，所以加 热管坯时应采取装空 炉方式，降低入炉温度至以下并延长在预热段的时间，同时在满足管坯加 热均匀的前提下，分别确定加 热段和均 热段的温度 与 时间。结合机组的加热炉能力 和坯型尺寸，利用德国洛伊公司的加 热数学模型生成￥管还钢特有的加 热曲线，如图所示。时间炉 气 温度上表面温度内表 面 温度下表面温度图管坯的加热曲线穿孔轧制参数设定选择合适的顶前压下率在穿孔过程中钢坯先接触轧辊，在经受反复的拉伸和压缩加工状态下沿纵向前进，直至接触到顶头。因此在穿孔热加工塑性低的钢坯时，钢坯接触顶头之前会出现内部撕裂（称为孔腔），这种金属撕裂会直接导致内折缺陷的产生。通常的调整方法是增加顶头前伸量，但顶头前伸量过大又会造成前卡事故，而顶前压下率是确定顶头位置调整的重要依据。为减少管坯在接触顶头前被压缩次数，同时要确保顺利 实现咬人，一般要从两个方面综合考虑：一是管坯在一次咬人后到二次咬人前旋转至少一周，可用自由长度来表示；二是严格控制高合金钢的顶前压下率在？。综合以上两点即可确定具体的顶前压下率，穿孔变形区如图所示。管坯直径一轧辊间距顶头前伸量中人口锥一段角度屯人口锥二段角度人口锥二段长度图斜轧穿孔变形区示意自由长度：）（）当时，顶前压下率：（，）（）当时，顶前压下率：（，）（）采取大咬人角轧制随着咬人角变小会增加变形区长度，使坯料被压缩的次数增加，加大金属中心撕裂的倾向。采用大的咬人角和辗轧角可消除轧制过程中的切向变形和扭转 变形，形 成近似于三向压应力的金属流动，改善穿孔过程中毛管的内表面质量。文献的研究表明，时穿孔毛管内壁完全没有裂纹。与此同时，日本住友集团用二辊锥形辊穿孔机试轧高合金钢管的工艺试验结果表明：采用大咬人角和大辗轧角的穿孔工艺穿乳不锈钢管坯时不会产生内裂纹缺陷。根据以上经验，机组穿孔机的咬人角设计值为？，辗轧角固定为。，轧制 规格荒管时咬人角由原增加到。选取较小的椭圆度系数整个穿孔过程是一个由圆变椭圆再规圆的过程，因此穿孔过程中在管堪横截面上存在着很大的不均匀变形，椭圆度越大，则不均匀变形也越大。根据体积不变原则可知，横向变形越大则纵向变形越小，将导致管坯中心的横向拉应力、切应力以及综合应力增加，增大了孔腔形成的向，因此在实 ，技术交流际生产时应采取较小的椭圆度系数，一般控制在？。提高轧制工具寿命的途径开发螺纹顶头针对普通材 质顶头寿命低，容易造成内折和穿孔后卡等问题，采取了以下解决方案。（）方案：通过增 加元素来提高顶头的强度，虽然顶头寿命有所提升，但使用过程中需关闭所有冷却 水，对顶杆和轧辊造成很大影响。（）方案：采用钼基顶头轧制，因钼基顶头外表面在高温下会形成氧化钼，氧化钼具有良好的自润滑效果，可有效避免黏钢问题的产生，但在使用前需要预热至，使用过程中也需要全程关闭冷却 水，同时因顶头表面温度升高导致穿孔过程中滑移变大，毛管易出现外形不规则现象。（）方案：天津钢管与某制造厂共同研发了螺纹顶头，在普通铸钢顶头的基础上添加和元素，具体成分见表。和可细化晶粒，降低钢材的过热倾向性，提高钢材的高温强度、韧性和热稳定性。该顶头另外一个特点是将主要参与变形的穿 孔锥 表面做刻槽加工，其中槽宽，槽深，节距？。将加工好的不锈钢 螺纹顶头放入加 热炉内进行特殊氧化处理，加 热温度控制在，向炉内通人氧化性介 质，保温后降温至丈，最后出炉缓冷至常温，利用氧化过程中体积膨胀使槽内充满金属氧化物，在螺纹基体的支撑作用下，可以确保氧化层不脱落。与普通顶头相比，覆盖在该螺纹顶头表面起保护作用的氧化层的厚度是增加的，能够更好地起到隔热和润滑的效果，使用过程中冷却水可正常开启，其结构和实物如图所示。表不锈钢螺纹顶头化学成分（质量分数）要求￥余量图螺纹 顶 头 示 意实践使用证明，采用方案的不镑钢螺纹顶头轧制钢管时，顶头使用寿命可 达到？支枚，是普通顶头的倍左右，该方案最优。使用髙镍铬钢旧导板当前机组穿孔机所用导板的材质主要为高铬铸铁和 高镍铬钢，其化学成分见表。高铬铸铁导板主要用于生产碳钢，使用寿命在？支对；乳制高合金钢时，导板表面极易出现熔化现象和断裂失效，使用寿命不足支对。髙镍铬钢导板主要用 于生产低、中合金钢，使用寿命在支对，因其镍含量高达左右，具备较好的耐磨性和抗热疲劳性，也适合轧制高合金钢。实践证明，用全新的高镍铬导板直 接 轧制，导板工作面会出现严重的金属黏附现象，使用寿命不足支对，而用？支表面无裂纹、无缺肉的旧导板进行生产时，则不会出现表面黏钢问题。旧导板的优势是表面已生成光滑且坚硬的氧化膜，可降低与金属之间的摩擦力，同时工作面已形成规则的椭圆带，恰好与变形区内的金属相吻合，可缓解金属对导板的横向冲击，实际使用 高镍铬钢旧导板轧制不锈钢，导板使用寿命可由支对延长到支对。表两种材质导板的化 学成分（质量分数）要求材质高铬铸铁高镍铬钢？结论（）管坯加 热制度对钢管内表面质量有直接影响，通过高温热模拟试验确定了丈是较合适的穿孔温度。（）穿 孔 时采用大咬人角和辗 轧角办，控制顶前压下率在及 椭圆度系数在？，可有效抑制套管内折的产生。（）采用螺纹不镑钢顶头 轧制，顶头的使用寿命可达到 支枚，是普通顶头的倍左右。（）选取表面无裂纹的高镍 铬钢旧导板轧制套管，可有效避免导板黏钢，解决钢管外表面螺旋外折问题，导板的使用寿命从支对延长到支对。（）通过穿孔工艺及工具装备改进，规格荒管所轧成品一次合格率高建学：不镑钢套管热轧穿孔工艺研究及工模具改进钢管年月第卷第期技术交流可以达到以上，合格率提升显著，但与机组的平均合格率相比还存在一定差距，其主要影响因素仍然是内、外折缺陷返修。下一步需要优化螺纹顶头表面的螺纹尺寸，避免螺纹槽深过大而造成毛管内壁划伤。此外，还应考虑增设导板润滑装置，向导板表面喷射专用润滑液（例如玻璃粉溶液），在 降低导板黏钢的几率的同时，减少工作面磨损，从而避免荒管外表面划伤形成外折。参考文献陈宝林日本油井管生产的最新进展钢管，（）：宋令玺，杨旭，黄英，等超级抗腐蚀油管热轧缺陷原因分析与控制钢管，（）：唐科，彭 俊，付克刚，等半马氏体不锈钢厚壁无缝管内表面裂纹缺陷分析及工艺改进特殊钢，（）：李民毛管穿孔工艺的研究钢管，（）：依滕章，阙高明，金山太郎，等用于曼内斯曼式穿孔机穿轧高合金钢延长工具寿命的技术天津冶金，（）：陈燕，张哲平，刘江成 在无缝钢管设计开发和生产过程中的应用钢管，（）：白丽杨，李胜祗，周志扬锥形辊斜轧穿孔过程温度场的研究安徽工业大学学报（自然科学版），（）：，谢林峰基于对无缝钢管内裂纹的研究武汉：武汉科技大学，田党，李群孔 腔、离层与扭转 变形关于二辊斜轧桶形辊穿孔机与锥形辊穿孔机的讨论钢管，（）：王