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管道中频感应调质热处理生产线技术

2017-12-31  GXF360


刘 渊,张 娇,韩 晋,巨熔冰

(西安石油大学,陕西西安 710000)

摘要:在石油生产和运输的过程中,需要大量优质的管道来满足需求。文中详细介绍了钢质管道的中频感应调质热处理生产线技术的原理、工艺流程、设备以及实施方案。该热处理生产线加热速度快,效率高;加热温度易于控制,设备投资少;经该热处理得到的管道具有良好的冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性能。

关键词:管道;中频感应;热处理;生产线;淬火;回火

0 引言

国外工业先进国家以及电力资源丰富的国家,广泛采用中频感应加热炉对钢材和有色金属材料进行加热和热处理。20世纪70年代以来,国外感应加热热处理炉在钢管尤其是石油钢管的调质热处理中得到了应用并不断发展。隆斯塔钢铁公司、川崎钢铁公司都有中频感应热处理炉,对石油套管进行调质热处理。塔干罗格冶金厂有一条石油套管和加厚钻杆的中频感应加热调质热处理线。法国和日本的许多工厂采用中频感应加热炉对焊管进行热处理。

中频感应加热炉在国内汽车和机械零件的加热和热处理方面应用比较广泛。近年来,为了提高产品质量,降低成本,减少投资,改善劳动条件,在钢材加热和热处理方面也广泛采用中频感应加热炉,如一些锻压机和钢管挤压机及楔横轧机的坯料加热,PC钢筋的调质热处理,石油钻杆的管端加热,石油钻杆和工具接头的焊缝热处理,焊管的焊缝热处理等[1]。

1 感应加热的基本原理

在感应线圈中通以交流电,则会在线圈周围产生与电流频率相同的交变磁场,将钢管放入交变磁场中,钢管中将产生频率相同、方向相反的感应电流(即涡流)。由于趋肤效应,钢管表面的电流密度高,表面温度快速升高,数秒内达到800~1 000 ℃的高温,而钢管内部的电流密度几乎为零。当表面达到淬火温度后,立即喷淋冷却使钢管表面淬硬。

感应电流透入钢管表层的深度(即从表层100%涡流强度到内层37%涡流强度处的深度)与电流频率有关,频率越高,深度越小,加热层也就越薄。因此,只要通过改变交流电的频率,就可以得到不同厚度的淬硬层,生产中一般根据钢管尺寸大小及所需淬硬层的深度来选用感应加热的频率[2]。

由于感应加热速度很快,仅几秒到十几秒的时间就可以使钢管达到淬火温度,快速加热对组织转变有较大的影响,因此中频感应加热时的相变和常规加热相比有以下特点:

(1)奥氏体转变的临界温度升高。中频感应加热时加热速度很快,使奥氏体转变的临界温度升高,并且加热速度越快,临界温度越高,因此感应淬火温度高于一般淬火温度。

(2)奥氏体晶粒较细。感应加热时速度很快,奥氏体的晶粒变细,这是由于快速加热时热度增大,形核率和长大速度都增大,但形核率的增大速度更快,且由于加热时间短,晶粒来不及长大,因此晶粒变得很细小。

(3)奥氏体成分不均匀。加热温度升高时,奥氏体相变温度升高。从铁碳相图上可以看出,此时的奥氏体中碳的含量差增大,再加上在快速加热时扩散过程不能充分进行,因此奥氏体成分(主要是碳)不易达到均匀化,这样淬火后马氏体中的碳分布也很不均匀。

2 中频感应热处理后钢管的力学性能

(1)表面硬度和耐磨性提高。中频感应淬火后,钢管的表面硬度要比普通淬火后高2~5 HRC,耐磨性比普通淬火也要高。其原因可以归结为以下几点:感应加热时过热度很大,奥氏体晶粒细小,淬火后得到隐晶马氏体组织;钢管通过激烈的喷水冷却,冷却速度很快,使残留奥氏体量较少;中频感应淬火时,在钢管表层中产生较大的压应力[3]。

(2)疲劳强度提高。这主要是由于表面淬硬层中马氏体的比体积比内部原始组织大,使表层中形成很大的残余压应力所致。

(3)冲击韧性和强度增大。中频感应加热细化了组织,可显著提高零件的冲击吸收能量,这主要是通过降低材料的脆性转变温度而达到目的。在某一温度下,粗晶材料发生冲击脆断,而细化晶粒则可能转为韧性断裂而使冲击吸收能量提高。

(4)抗弯强度和扭转强度增大。中频感应热处理后,钢管的抗弯强度和扭转强度都提高,且随淬硬层深度的增加而增大。

3 工艺流程概述

3.1 中频感应调质热处理生产线设备

(1)晶闸管中频变频器及电热电容器。生产线采用KGPS-900/0.4淬火升温晶闸管变频器:额定输出功率900 kW、额定频率400 Hz、输入电压380 V、额定中频输出电压700 V的单整流单逆变晶闸管中频变频器;1套与900 kW、400 Hz淬火中频变频器及感应器配套的电热电容器。淬火用感应器,回火用感应器。

(2)钻铤调质热处理机床。卧式斜辊旋推淬火机床包括:感应器,手动升降机、斜辊组、变频器、环筒形淬火喷淋装置。卧式斜辊旋推回火机床包括:感应器,手动升降机、斜辊组、变频器、环筒形淬火喷淋装置[4]。

(3)机床传输机构包括:自动上料机构;进料输送辊道;淬火感应器喷淋机构输送辊道;淬火、回火过渡辊道;回火感应器喷淋机构输送辊道;回火输出输送辊道;自动下料机构。

(4)测温系统包括:红外测温仪FRIA-SF003(500~1 100 ℃);AI-708人工智能调节器。配接红外测温仪,根据测量值和设定值之差进行PID运算并控制操作输出。

(5)控制系统包括:S7-300PLC、MP277触摸屏、总控制台、分控制台、LED温度显示屏。

(6)冷却水系统包括:板式换热器、开式水池、闭式冷却塔。

3.2 加热炉工艺流程

淬火:自动上料机构→进料输送辊道→感应器→ 喷淋→过渡辊道。

回火:过渡辊道→感应器→ 喷淋→回火输送辊道→自动下料机构。

加热炉工艺流程图如图1所示。

4 具体实施方案

采用1台KGPS-900/0.4晶闸管中频变频器与1台卧式淬火机床对坯料进行淬火加热。另外采用1台KGPS-450/0.4晶闸管中频变频器与1台卧式回火机床对坯料进行回火加热?;荡洳捎帽淦档魉俣月执渥爸?。加热方式为连续式加热。上下料采用自动方式。在淬火设备中的1台KPGS-900/0.4晶闸管变频器采用3N380V进线,单整流单逆变线路;回火设备中的1台KPGS-450/0.4晶闸管变频器采用3N380V进线,单整流单逆变线路。

感应器线圈采用T2方型无氧铜管经退火处理后绕制,经酸洗、皂化、水压实验、烘烤、浸漆、干燥、装配等主要工序制做完成。感应器集分水器、水路于一体,简化了冷却水路,拆装方便。

加热辊轮安装在感应器炉体架上,淬(回)火炉体上共安装14组V型辊轮和与V型辊轮对应设置的减速机,辊轮之间设置感应加热线圈。为防止发热,此辊轮采用不锈钢材质,且每组辊轮加装旋转接头进行冷却。传动辊轮与加热辊轮的轴线与坯料轴线之间的夹角设计为15°~26°,这样制作的优点在于:采用测温系统包括:红外测温仪(采用FR1A系列双色光纤式测温仪,该测温仪能够提供精确测量,可克服被测物体周围的烟气、水雾、微小颗粒等干扰,且响应时间可达10 ms,维修方便简单);温度调节仪(AI-708人工智能调节器)。配接红外测温仪,根据测量值和设定值之差进行PID运算并控制操作输出。

图1 加热炉工艺流程图

V型斜辊使坯料在前进的同时自身旋转,即使工件与感应器加热线圈不同轴,也能使工件在感应加热中达到均匀加热的效果。制作成V型斜辊,可以增大坯料与辊轮之间的摩擦系数,使坯料前进的速度均匀平稳[5]。

控制系统采用S7-300CPU集中控制,同时配合AD/DA??榧嗫卮硭栊藕?。在触摸屏上输入的以mm/s为单位的速度值及闭环温度设定值等参数,经过DA ??榇砗?,分别直接控制变频器和中频电源的主控板,以达到速度平滑输入和电源输出功率的控制。

水冷系统由两部分组成,包括设备自身冷却系统和淬回火工艺冷却系统。淬火电源部分及回火电源部分自身冷却系统独立运行,使用板式换热器冷却电源,使电源运行更加可靠。

采用超声波探伤和漏磁探伤结合的方式对钢管管体进行检测。采用荧光磁粉探伤对钢管管端进行检测,检测钢管内外表面及内部的纵横向和分层缺陷。采用超声波测量钢管的外径、壁厚、椭圆度等几何尺寸[6]。采用漏磁方式检测运输过来的钢管里是否混有不同钢级、不同材质的钢管,从而避免混钢事故发生。

5 结论

经该生产线处理的钢管力学性能和表面质量较好,金属显微组织晶粒极细;钢材热处理后综合机械性能好,钢管断面硬度均匀。由表1可以看出,钢管的不同长度位置处断面硬度均匀。

表1 钢管正火处理后断面硬度分布值

位置/m横截面沿圆周方向测量点的硬度(HRC)12725262625272626292527182252123232326242324242423322252121222420232324242342220232521232121212323225221921212120231920202022

另外,钢管表面氧化很少,基本上不脱碳,钢管外观质量好;设备少而且简单,占地面积小,加热过程中温度很好控制;操作灵活,易于实现自动化,劳动条件好,短时间停产不消耗能量;生产成本低,感应加热热处理机组投资比普通燃气或燃油热处理机组少等[7]。

参考文献:

[1] 王三云.钢管中频感应加热热处理的优点及最新技术[J].焊管,2001(5):41-47.

[2] 赵乃勤.热处理原理与工艺[M]. 北京:机械工业出版社, 2011:249-253.

[3] 常少文.油井管中频感应加热热处理生产线的设计[J].钢管,2013(4):55-60.

[4] 蔡纪雄,沈中华,彭莉.地质钻杆中频感应加热热处理工艺的应用分析[J].探矿工程,2010(7):34-36.

[5] 井溢农,郭智韬,赵桂英.中频感应热处理线设计[J].包钢科技,2011(1):27-28.

[6] 郭智韬,李振川,宋江波.中频感应热处理线处理石油套管的实验研究[J].包钢科技,2011(10):25-27.

[7] 牟俊茂,褚荣祥.35CrMo钢管中频感应加热调质技术[J].热处理,2012(6):43-44.

Technology of Heat Treatment Production Line of Medium FrequencyInduction Quenching and Tempering Heat Treatment in Pipeline

LIU Yuan,ZHANG Jiao,HAN Jin ,JU Rong-bing

(Xian Shiyou University,Xian 710000,China)

Abstract: In the process of oil production and transportation, a large number of high quality pipeline was needed to meet the needs. The principle, process flow, equipment and implementation scheme of heat treatment production line of medium frequency induction quenching and tempering heat treatment for steel pipe were introduced . The heat treatment production line has the advantages of fast heating, high efficiency, easy control, less equipment investment. This pipeline has good impact toughness, fatigue strength and wear resistance.

Key words:pipeline; medium frequency induction; heat treatment; production line; quenching; tempering

收稿日期:2015-09-10

中图分类号:TG162

文献标识码:B

文章编号:1004-9614(2016)03-0001-03

作者简介:刘渊(1991—),在读硕士研究生,主要从事管道材料热处理生产研究工作。E-mail:597479859@qq.com

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