硕士学位论文-石油管材热处理淬火系统的设计.pdf

中国石油大学（华东） 硕士学位论文 石油管材热处理淬火系统的设计 姓名：肖红利 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：齐明侠;董振高 20090401 摘要 随着经济的快速发展，石油需求同益增加，采油行业蓬勃发展，对石油管材的需求 也不断增加，为提高管材钢级，普遍作法是对扎制管材进行全长热处理( 淬火+ 高温回 火) 。根据多年的生产经验和心得体会，以及为节约成本和锻炼培育人才，有必要自行 设计建造石油管材热处理生产线新厂，本文为该生产线中淬火系统的设计，使之能 够处理油管、套管、钻杆等石油管材，管径范围从 6 0 3 m m 到3 4 0 m m 均适用。该系 统包括：淬火装置、液压系统、自动控制( P L C ) 系统、淬火液循环冷却系统。以现有 机构系统为基础，去除其缺点和不足，并且转变思维方式，改变了原有系统的进料方式 ( 该方式为国内首创) ，即钢管出料后直接进入淬火机构进行淬火，无需进行钢管的取 料过程，这种方式更科学合理，机构系统运行更稳定可靠。该项目已建成投产，通过生 产使用和产品试验验证，说明该设计合理、先进，满足连续生产作业要求。 关键词：热处理，石油管材，淬火系统，液压系统，P L C 控制 D e s i g no fP e t r o l e u mT u b i n gH e a tT r e a t m e n t Q u e n e h i n gS y s t e m X i a oH o n g l i ( M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ) D i r e c t e db yP r o f Q iM i n g x i a A b s t r a c t A st h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ec o n s u m p t i o no fp e t r o l e u mi n c r e a s i n g ，o i li n d u s t r y b o o m i n g ，t h ed e m a n df o ro i lp i p eh a sb e e ni n c r e a s e d T oi m p r o v et h eg r a d eo fs t e e lp i p e ，t h e g e n e r a lp r a c t i c ei sh e a tt r e a t m e n tt oat o t a ll e n g t ho fp i p e ( q u e n c h i n ga n dh i g h t e m p e r a t u r e t e m p e r i n g ) B a s e do ny e a r so fp r o d u c t i o ne x p e r i e n c ea n de x p e r i e n c e s ，a sw e l la sc o s ts a v i n g s a n di n v e s t i n ga n dt r a i n i n gi nh u m a nc a p i t a l ，i th a sb e e nd e c i d e dt od e s i g nt h ec o n s t r u c t i o no f o i lp i p eh e a tt r e a t m e n tp r o d u c t i o nl i n e - an e wp l a n t I nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no ft h e p r o d u c t i o nl i n ei nt h eq u e n c h i n gs y s t e mi ss h o w e d ，t oe n a b l et h e mt od e a lw i t ht u b i n g ，c a s i n g ， d r i l lp i p ea n do t h e ro i la n dd i a m e t e ra p p l i e dr a n g i n gf r o m0 6 0 3 m mt o0 3 4 0 m m T h es y s t e m i n c l u d e s ： q u e n c h i n gd e v i c e ，t h eh y d r a u l i cs y s t e m ，a u t o m a t i cc o n t r o l ( P L C ) s y s t e m s ， q u e n c h i n gl i q u i dc y c l ec o o l i n gs y s t e m S y s t e mi sb a s e do ne x i s t i n gi n s t i t u t i o n s ，a n dr e m o v e d i t ss h o r t c o m i n g sa n dd e f i c i e n c i e s ，a n dc h a n g ei nw a y so ft h i n k i n g ，c h a n g et h eo r i g i n a lf e e d s y s t e mt h ew a y ( t h ew a yf o rd o m e s t i cf i r s t ) ，n a m e l yt h em a t e r i a ld i r e c t l yi n t oq u e n c h i n g i n s t i t u t i o n sa f t e rp i p ew i t h o u tt h en e e df o rp i p em a t e r i a ls e l e c t i o np r o c e s s I ti sm o r e s c i e n t i f i ca n dr a t i o n a li nt h i sw a y , a n di tc a nb es e e nt h a ti n s t i t u t i o n ss y s t e mo p e r a t i o nm o r e s t a b l ea n dr e l i a b l e ，t o o T h e p r o je c th a sb e e nc o m p l e t e da n dp u ti n t op r o d u c t i o n ，t h e p r o d u c t i o na n dp r o d u c tu s i n gt e s tw i l ls h o w st h a tt h er a t i o n a ld e s i g ni sa d v a n c e dt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fc o n t i n u o u sp r o d u c t i o n K e yw o r d s ：H e a tt r e a t m e n t ，O i lp i p e ，Q u e n c h i n gs y s t e m ，H y d r a u l i cs y s t e m ，P L C l l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：叠竺墨兰 日期：年月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盔2 笙) 指导教师签名：妄邀 日期： 日期： 年月日 年月日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百T 匕 石油是一种关系到国计民生的重要战略资源，是影响各国乃至世界经济发展的重要 因素。我国石油资源的地理分布很广，从陆地到海上，目前石油探明，大庆、胜利、辽 河、大港、吉林、河南、长庆油田，在近海大陆架勘探中，发现了渤海、南黄海、东海、 南海珠江口、北部湾、莺歌海等含油盆地，尤其是南沙海域石油资源更为丰富。 1 1 石油管材的加工工艺 随着采油行业的不断发展壮大，石油管材的需求量也越来越大，本文涉及的石油管 材一般为油管、套管和钻杆，一般要求为热轧无缝钢管，其制造过程为：炼钢( 根据不 同配方炼制出钢锭) ，轧管( 其工艺为：钢锭加热一穿孔一轧制一定径一正火一矫直一 定尺) ，钢管的后续加工，包括：管端加厚、管材的全长热处理、车丝、焊接等。 石油管材全长热处理生产线，其工艺为：淬火加热一淬火一回火加热一矫直一回火 一检测。本文涉及的是该生产线中淬火工序的淬火系统设计 1 2 金属热处理淬火技术简介 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改 变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面 的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不 是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合 理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。 在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认 识。早在公元前7 7 0 前2 2 2 年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和 加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。 公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发 展。1 8 6 3 年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织， 证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种 较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁 第一章绪论 碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。 冷却是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控 制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。 但还因钢种不同而有不同的要求。 金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加 热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同 一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织。整体热处理是对工件整体加热， 然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。淬火是将工件加热 保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬， 但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于6 5 0 的某一适 当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。 淬火时，最常用的冷却介质是盐水，水和油。盐水淬火的工件，容易得到高的硬度 和光洁的表面，不容易产生淬不硬的软点，但却易使工件变形严重，甚至发生开裂。而 用油作淬火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢工 件的淬火。 1 3 液压传动简述 在动力源方面，液压传动和气压传动称为流体传动，是根据1 7 世纪帕斯卡提出的 液体静压力传动原理而发展起来的- I - J 新兴技术，1 7 9 5 年英国约瑟夫布拉曼( J o s e p h m a n ，1 7 4 9 1 8 1 4 ) ，在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞 生了世界上第一台水压机。1 9 0 5 年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。 液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机 械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁 工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装 置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用 的甲板起重机械( 绞车) 、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控 制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞 行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。 2 中国石油人学( 华东) 工程硕十学位论文 机械制造业与机械自动化技术密切相关。机械自动化技术的应用与发展是机械制造 业技术改造、技术进步的主要手段和技术发展的主要方向。机械自动化，主要指在机械 制造业中应用自动化技术，实现加工对象的连续自动生产，实现优化有效的自动生产过 程，加快生产投入物的加工变换和流动速度。机械自动化技术的应用与发展，是机械 制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术发展的主要方向。机械自动化的技术水准， 不仅影响整个机械制造业的发展，而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影 响。 1 4P L C 自动控制简述 自动控制( a u t o m a t i cc o n t r 0 1 ) 是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或 装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自 动控制是相对人工控制概念而言的。自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、 繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。自动控制是工程科学的一个分支。它 涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响，以使得输出值接近我们想要的值。 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器( P r o g r a m m a b l eL o g i cC o n t r o l l e r ， P L C ) 取代传统继电器控制装置以来，P L C 得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应 用。同时，P L C 的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技 术的不断发展和用户需求的不断提高，P L C 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和 运动控制等功能。今天的P L C 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也 发挥着十分重要的作用。 P L C 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的P L C 年增长 率保持为2 0 - - 3 0 。随着工厂自动化程度的不断提高和P L C 市场容量基数的不断扩 大，近年来P L C 在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家P L C 的 增长十分迅速。 P L C 是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的P L C 只有开关 量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、 计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。 用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入P L C 的用户程序存储器 3 第一章绪论 中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。P L C 的C P U 内 有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加 1 ，程序从起始步( 步序号为零) 起依次执行到最终步( 通常为E N D 指令) ，然后再返 回起始步循环运算。P L C 每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号 的P L C ，循环扫描周期在1 微秒到几十微秒之间。P L C 用梯形图编程，在解算逻辑方面， 表现出快速的优点，在微秒量级，解算1 K 逻辑程序不到1 毫秒。它把所有的输入都当 成开关量来处理，1 6 位( 也有3 2 位的) 为一个模拟量。大型P L C 使用另外一个C P U 来完成模拟量的运算。把计算结果送给P L C 的控制器。 相同I O 点数的系统，用P L C 比用D C S ，其成本要低一些( 大约能省4 0 左右) 。 P L C 没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比D C S 要低很多。 一个P L C 的控制器，可以接收几千个I O 点( 最多可达8 0 0 0 多个I O ) 。如果被控对象 主要是设备连锁、回路很少，采用P L C 较为合适。P L C 由于采用通用监控软件，在设 计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 通用P L C 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但P L C 相对一般 嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来 采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用P L C 或定制P L C 取代嵌入式控制器。 近1 0 年来，随着P L C 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设 备开始采用P L C 进行控制，P L C 在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发 展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内P L C 在我国仍将保持高速增长势头。 1 5 本文研究思路和结构安排 石油管材的热处理，属于整体热处理，热处理工艺为调质处理，即淬火+ 高温回火， 其难点是管材长，一般为8 1 2 米，且种类繁多，对淬火系统的要求就是：必须适合于 管材的长度和一定的管径范围，当然，对于连续生产作业线来说，热处理系统还必须满 足连续生产作用，且自动控制。 由于管材长度长，在淬火过程中随着钢材组织变化，将及容易引起管材的变形，特 别是弯曲变形，给后续加工、检测带来相当的难度，甚至出现不合格品、废品。国内外 的淬火装置均采用将管材置于旋转机构上旋转，且用压紧轮压紧，再进行淬火，需说明 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 的是，不同的管材的旋转速度和压紧力是不同的，在生产前必须进行工艺试验和工艺评 定。对于淬火的方式主要有两种，第一种方式：将旋转装置和压紧装置作为一个机械臂 型式，钢管旋转后将其整体( 包括机械臂) 放入淬火槽中淬火，这种方式机构复杂，制 造成本高，故障率也高，所以该种方式已基本淘汰。第二种方式：钢管旋转后，采用内 喷( 往钢管管内喷液) N # I - 淋( 往钢管外表面淋液) ，这种方式机构简单，制造成本也 低，维护保养简单，得到广泛应用。 1 0 年前，国内有石油管材热处理生产线的厂家只有格兰特合资公司，随着中国经济 的发展，制造业的振兴崛起，石油管材需求量的激增，具备石油管材热处理能力的厂家 不断涌现，仅东营具备热处理能力的厂家近1 0 家，如胜机集团、孚瑞特集团、威玛公 司等，但其淬火系统均委外设计制造。 2 0 0 1 年高原公司和无锡希姆莱斯钢管公司同时上马石油管材热处理生产线项目，其 生产工艺及设备基本一致，高原公司的热处理生产线( 老线) ，于2 0 0 2 年建成投产。2 0 0 6 年，高原公司拟建设第二条生产线大口径石油管材热处理生产线，使之能够热处理 生产唾，3 5 0 m m 以下的管材，以扩大公司产品类型。 高原钻杆公司一线热处理2 0 0 2 年投产以来已生产近8 年时间，已累计生产各类石 油管材产品近5 0 万吨，通过不断的摸索改进，设备稳定、技术成熟、产品质量合格稳 定、生产顺畅，且在生产中获得了很多非常有价值的工艺、设备、技术和生产经验，针 对公司技术力量雄厚，生产制造能力强大，为节约成本和锻炼科技队伍，所以公司决定 自行设计制造自己的热处理生产线。 该文为新线中的一部分热处理淬火系统的设计，以老线淬火系统为基础，分析其存 在的问题不足和在使用过程中出现的问题，通过改进其不完善、不合理的设计，去除其 缺点和不足，全新设计适合于大口径管材的淬火系统，思路上的创新设计，采用专家组 讨论通过的国内首创的淬火系统进料方式进行设计，确保管材淬火质量提高，且机构系 统运行稳定可靠，故障率大幅度降低，维护维修简单快捷。 该系统包括：淬火装置，液压动力系统，水冷循环系统和自动控制系统。 5 第二章石油管材的热处理工艺及性能 第二章石油管材的热处理工艺及性能 2 1 石油管材热处理概述 2 1 1 工程材料的力学性能 石油管材热处理的目的是获得满足需求的力学性能和制造加工等的综合性能。 力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧性等。 ( 1 ) 强度 强度是工程材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。根据材料受力的不同，可以 分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，其中以抗拉强度最为常用。材料的抗拉强度是 采用标准拉伸试棒( 条) ，由拉伸试验测定，拉伸试棒和低碳钢的应力一应变曲线如图 2 1 所示。盯表示应力，即材料内部单位面积上承受的内应力；s 表示应变，即材料原 始长度与相对变化长度的百分比；盯。为弹性极限，即材料所能产生最大弹性变形的点； 盯。为屈服强度，即从e 点到s 点无需增加拉力，材料产生塑性变形；o - 。为抗拉强度， 即从s 点到b 点需增加拉力，材料产生变形，b 点为材料所能够承受的最大外力；过b 点后，试样的局部迅速变细，产生“颈缩“ 现象，到k 点后断裂。 a E 三丰三j 廿 条形试样 图2 - 1 低碳钢的应力一应变曲线 圆棒试样 b F i g2 - 1L o w c a r b o ns t e e ls t r e s s - s t r a i nc u r v e s 6 主里互迪签堂! 兰奎! 三堡堡主堂垡笙壅 一一 -_-_一一 一 ( 2 ) 塑性 金属材料在外力作用下，产生永久变形而不至引起破坏的性能，通常由伸长率和端 面收缩率表示。 伸长率：万= 丁L I - L 0 l 。 ( 2 1 ) 式中：万材料的伸长率；厶试棒的原始标距长度( I m ) ；三。试棒受拉 伸后的杯距长度( m m ) 。 断面收缩率：= 等1 0 ( 2 - 2 ) 式中：沙材料的断面收缩率；A o 试样的原始截面积；A 1 试样拉断后 断开处的截面积。 材料的万、沙值愈大，塑性愈高，良好的塑性是金属材料能够进行塑性变形加工的 必要条件。 ( 3 ) 硬度 金属材料抵抗更硬物体压入的能力，常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度等。 布氏臁H B s = 器( N 胁2 ) ( 2 - 3 ) 洛氏硬度：H R C = 器 ( 2 - 4 ) ( 4 ) 冲击韧性 材料抵抗冲击的性能称为冲击韧性。材料的冲击韧性由摆锤冲击试验测定，冲击韧 度是由摆锤将试样一次冲断后，计算试样缺口处断面单位面积上的冲击吸收功来确定： 旷鲁= 警产 协5 ) 式中：吼为试样的冲击韧度值( J e r a 2 )A 为冲断试样所消耗的冲击吸收功( J ) ； A o 为试样缺口处的原始截面积( c m 2 ) ；G 为摆锤的重力( N ) ；H 。：摆锤的起始高度( c m ) ； 7 第二章石油管材的热处理工艺及性能 日：为试样被冲断后的摆锤的高度( c m ) 。 冲击韧度值a 。愈大，材料的韧性愈好。但需注意的是，冲击韧性是对材料一次性冲 击破坏测得的，而在实际应用中许多受冲击件，往往是较小冲击能量的多次冲击而破坏， 此种情况与高能量的较少次冲击不同，应予以区别。由于冲击韧性的影响因素较多，因 而口。值目前仅作为设计的选材参考，但作为石油管材的热处理，在美国石油协会 A P I 5 C T 标准规范里已给出了明确的最小冲击功值。 2 1 2 石油管材的合金相图分析 石油管材包括：油管、套管、钻杆均是合金钢，其主要成份为铁和碳。铁碳合金相 图如图2 2 所示。图中，L 代表液相区。A 代表奥氏体，存在于7 2 7 以上，奥氏体的 硬度不高，塑性很好，因此通常把钢加热到奥氏体状态进行锻造。F 代表铁素体，其力 学性能接近于纯铁，强度、硬度很低，塑性韧性很好，易于进行冲压等塑性变形。P 代 表珠光体，是铁素体和渗碳体两相组织的机械混合物。 瑙 赠 A L + A L 1 2 2 7 1 1 4 8 0 51 01 52 02 53 0 3 54 0 4 55 05 5 6 0 6 6 9 w c ( ) F e 3 C 图2 - 2 铁碳合金相图 F i g2 - 2 F e Ca l l o yp h a s ed i a g r a m 石油管材( 套管、油管、钻杆) 均为含碳量小于0 7 7 的亚共析钢( 如图2 2 中的 阴影部分) ，热处理过程中的淬火加热，将管材加热到奥氏体化的温度区域，得到晶粒 均匀细小的奥氏体。 8 弼挖量 6 5 5 4 3 2 1 0 ；8 7 6 5 4 3 2 1 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 1 3 钢的热处理 在固态下将钢加热到一定温度，进行必要的保温，以适当的冷却速度冷至室温，改 变钢的组织结构和性能的工艺方法称为钢的热处理，热处理的目的在于不改变材料的形 状和尺寸，只通过改变材料内部的组织结构来得到所需要的性能。不同的热处理工艺可 以分别提高材料的硬度和强度，或者增加材料的塑性、降低硬度等。 钢的热处理一般分为普通热处理( 如：退火、正火、淬火、回火) 和表面热处理( 如 表面淬火、化学热处理等) 。 该文涉及的是普通热处理中的淬火+ 高温回火，即调质处理。石油管材的全长热处 理生产工艺、工序也是按此工艺进行设计布置，且该文所涉及的是该生产线中的淬火加 热后的淬火工序，为实现该工序而设计制作的石油管材全长热处理淬火装置。 ( 1 ) 钢在加热时的组织结构转变 大多数热处理工艺都要将钢加热到奥氏体温度区域，使组织结构转变为均匀细小的 奥氏体。钢加热和冷却时的临界点如图2 3 所示。图中A q 、A 白、A 为加热线，A _ 、 A 吩、A 为冷却线，A 1 、A 3 、A 册为临界线。 图2 - 3 钢加热和冷却时的临界点 F i g2 - 3 t h ec r i t i c a lp o i n to fH e a t i n ga n dc o o l i n go fs t e e l 铁碳相图是在平衡条件下建立的，而在实际生产中的加热和冷却均有一定的速度， 组织转变温度点( 临界点) 有滞后现象。 9 第二章石油管材的热处理工艺及性能 共析钢加热到A 。时，发生珠光体向奥氏体转变，这种转变除了有形核和长大两个 过程外，还有奥氏体内部成分的均匀化过程，固态下的组织转变和均匀化需要一定的时 间才能完成，所以一般热处理工艺中需要适当的保温时间。奥氏体晶粒形成后，随着温 度的升高，晶粒会逐渐长大。粗大的奥氏体晶粒会引起室温下组织结构的粗大，对力学 性能带来不利影响，同样，奥氏体保温时间的过长也会出现晶粒粗大现象。 所以，石油管材在淬火加热工序中需制定相应的热处理工艺，以保证奥氏体的均匀 细小，而不能发生奥氏体粗大现象。 ( 2 ) 钢在冷却时的转变 在实际生产中，热处理多采用连续冷却方式，石油管材的热处理均采用连续冷却方 式，便于实现连续生产、简单、经济。 共析钢连续冷却组织变化如图2 4 所示，P s 为珠光体转变开始线，P f 为珠光体转变 终了线，V e 为马氏体冷却速度，也称为上临界冷却速度，是钢在冷却时为抑制非马氏 体转变所需的最小冷却速度，冷却速度越大越容易得到马氏体组织。 8 0 0 7 0 0 6 0 0 罡5 0 0 蟛 蛸4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 一1 0 0 照：、1 l 、l 、，I 。P泌 滋缸拯符 1 ，0 4 蜥1 4 时鳓 S 耵Y V 4 进辩滚遵降 ：0 3降 w 7j 氍綮轮j 氍鬃 S 墨甄 2 j a 铴 越科壤邋 8 3 酝到毂 群x 北麓转纷辚 。：! 恶l R S E T |特4 迸拇壤邋踞 墨到 5 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 0 510 2T l M r s 。2 3 轮鲰封门翔位 引D 1T 黼 i c 0 4 l0 2 0 峄| S E T 船劫 I ，0 0 6 l 伽， I 0 0 5 I 劓0 0 。 叩| S E T 。蠡动 I 0 0 7 l T e A l 昭 l # 4 0 0 0 0 51 ，。2 V 内麓 8 10 3 南键 。 - 撇7 ， l1 00 7 瓣闯 譬l R S E T l1 0 ，0 6 孵闯 ?1 ，o | T I M 酣21 0 0 7 时翱内喷孵翁l 拳2 0 捌 1 0 7 R , $ E T 0 0 4 R S E T 5 5 1 卿l ： 内唆船谚延孵 1 1 。 J 3 啦i t ) a 7 i 蕊旷一 ：卿1 3 婚辫寝娩醚髓 i iJ M 绷 l b i t “0 7 0 ：稿旷一 Y V 9 晦喷 【凹l 出颀陵铭婷壹翊 ，T ：k 5 纯i ： 7 3 【滋旷一 V 豫外辫 脚l 外辫内嚣钟问 ? j l 物纯“j 积0 7 5 【蕊r 一 K 节I 内唆甜孵井锶， 盯2 舛游时黼辨i 移 Y 褥外辫 w 9 内喷 K 毖艟转匏转 W 7 鲰纭轮撅鬃 弘一 糟泓 S 10 0 姬繁轮缩 劐证 豫lR 辐T ， 一1 西l 辩菇锭I 1 10 0 厂矿 I ，10 1 R S E 丫 1 0 0 3 S 了 3 3 脚 T M ll O 粕0 T 幽睁O 尊R g l 玎 Y V 6 下降l tO l 村鸸 T 黼 9 鼙3 0 霸 黼0S E T OD 1 R S E T 3 T 骱 O O # 5 0 T 嘲。0 1 1 0 R S E T w “升I 豫e ， 掰弼 鼎稼 衙j 舵 E N D 瓣” 图6 3 淬火装置的梯形图 F i g6 - 3 L a d d e r d i a g r a mo fq u e n c h i n ge q u i p m e n t 程序的相关解释和说明： 1 0 o s ， 棚 y I l 蓐幽科渣缸卿t W 5 出辩i 蠹瓠歼 “6 l 料油瓤群 Y V l 0 射门 a W 6 出辩油旋终 ：艚I j j i I * 0 0 9 f 哟t j ， d 9 ：蕊r 一 Y V 3 遗摹j 缓璐殍 住 i l 游4 ：帮l i W 3 l 拜野掰 ( T l 袖1 0 ( b l t ) a 1 0 3 ：磁旷一 W 3 逡摹毒滚滋歹 ( 1 ) 该程序需与热处理厂家结合，合并入整个热处理系统控制程序。 5 6 莹 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 2 ) 液压站的启动：运行前首先启动液压泵，为保液压泵空载启动，启动时，程 序设置为首先液压泵卸压电磁阀带电，两秒后液压泵电机供电，再延时5 秒后( 确保这 期间液压泵已正常启动) ，电磁阀断电，开始供油。( 程序：0 0 - - 4 3 1 条) ( 3 ) 该程序包括“手动“ 和“自动”方式。( 程序：0 2 条) ( 4 ) 程序中设置了“进料原位”，确保钢管正常进料，即进料时必须确保进料滚道 在最高位置、压紧轮收回位置、封水门开到位和进料滚道上无管。该原位接指示灯至操 作台，便于发现情况及时处理。( 程序：1 5 条) ( 5 ) 进料滚道的慢行靠P L C 内部时间继电器控制，出料钢管触动S Q l 后，进料滚 道的快速停止，慢速启动，由P L C 程序来实现控制，在安装调试期间，需根据实际情 况酌情修改程序里的时间继电器的设定时间，确保钢管到位准确。( 程序：1 6 1 8 条) ( 6 ) 内喷和外淋启动延时的作用：以保证淬火前，钢管已经处于生产工艺所规定 的旋转速度。( 程序：2 0 条) ( 7 ) 内喷和外淋的时间控制，内喷和外淋是对石油管材淬火影响最大的因素，其 水量的大小和淬火时间需根据不同的管材作相应的变化，水量的调节见后文的水冷循环 系统；淬火时间采用程序内部时间继电器控制和外加时间继电器控制，程序内置了一定 的时间( 在安装调试期间需确定合适的值) ，外加的时间继电器便于生产过程中，随时 根据工艺要求进行修改。( 程序：2 1 , - - 2 6 条) ( 8 ) 进料滚道机构油缸的举升，靠P L C 内部时间继电器控制，而不是由传感器控 制，在安装调试期间时，确定举升时间，确保进料滚道在最高位置。( 程序：3 3 3 4 条) ( 9 ) 该程序仅作安装调试时参考作用。 6 6 电气原理 电气原理如图6 4 所示，具体接线图和相关参数在此不赘述。图中Q S 为电源进线 空气开关；图右侧为控制及整流变压器，6 3 V A C 用于指示灯电源。2 2 0 V A C 、2 4 V D C 用于控制电器电源等。B P Q l 的作用是用来调节进料滚道的转动速度：B P Q 2 的作用是 便于根据不同管径来调节旋转轮的转速，即调节钢管的旋转速度，以达到工艺要求。 B P Q 为变频器，变频器系统可以分为主回路和控制回路两个主要部分。 给异步电动机提供变压、变频的电力变换电路称为主回路。主回路由3 部分组成， 5 7 第六章石油管材热处理淬火装置的控制系统设计 即将工频电源变换为直流电源的“整流器“ 部分；对直流电压进行稳压的“中间滤波” 部分；将直流变换为交流的“逆变器”部分。整流器部分采用三相全波整流电路将工频 三相交流电整流为直流电，再经过网侧进线电抗器和无线电干扰抑制滤波器减少变频器 谐波电流、抑制干扰电压。逆变器部分同整流器功能相反，采用三相桥式电路将直流电 变换为所要求频率的交流电。中间滤波电路对整流器的整流电压进行滤波，给逆变器提 供稳定的直流电源。 L l L 2 L 3 露F u 图6 - 4 电气原理图 F i g6 - 4 E l e c t r i c a ls c h e m a t i c 控制回路包括控制主板及其接口与检测电路、故障报警与显示电路、风机控制回路 在盘 守。 一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内 可调。用来控制电机的转数。使转数在一定的范围内可调。变频器广泛用于交流电机的 调速中，变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展， 交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启 动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。 5 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第七章石油管材热处理淬火装置的水冷循环系统设计 7 1 平面布置 水冷循环系统平面布置示意图如图7 1 所示，平面布置时需考虑以下情况： l 淬火装置集水槽 靶 j r 、 工房 此 煤气站水冷 淬火装置冷却 沉淀 过妣I l 沉淀 池 l 泵站 过滤池 l 池 图7 - 1 平面布置不恿图 F i g7 - 1L a y o u ts k e t c hm a p ( 1 ) 钢管经加热后，会发生氧化，在淬火过程中，氧化皮将与淬火液混合在一起。 所以，淬火液的回收循环使用，需经过沉淀一过滤冷却。 ( 2 ) 由于热处理生产线对钢管的连续处理，会使淬火水的稳定升高，而温度高将 影响淬火质量，所有，在冷却池的上面需安装冷却器给淬火液降温。 ( 2 ) 淬火水的回收，需在淬火装置周围设置限位槽，通过导水槽将淬火水集中后 弓l 流至0 车间夕I 、。 ( 3 ) 环保卫生。 ( 4 ) 便于集中管理，由于热处理系统中的淬火、回火加热炉，采用的是煤气供热， 对于煤气站，还有其自己的水冷系统。所以，平面布置时将淬火水系统和煤气站水冷系 统集中管理。 7 2 水循环原理图 5 9 第七章石油管材热处理淬火装置的水冷循环系统设计 水循环原理示意图如图7 2 所示。需考虑的事项有： ( 1 ) 生产保证，需考虑设备故障时，为保证生产，内喷、外淋水泵增设备用泵， 及所需控制阀门。 ( 2 ) 节约资源，改变以前的内喷泵分流浪费，前期的内喷泵，在不需内喷淬火时， 将水分流直接排到集水槽，新结构将这部分水加注到外淋水箱，这样外淋水箱的水就由 内喷泵和外淋泵同时供水，减少外淋泵的负担。 图7 - 2 水循环原理示意图 F i g7 - 2 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ew a t e rc y c l e 7 3 对水冷循环泵的要求 槽 因各水泵功率较大，对水泵的启动采用自动星三角转换启动，其电气原理图如7 3 所示。L ，、L ：、L 3 分别表示三根相线；Q S 表示空气开关；F U 。表示主回路上的保险； F U ，表示控制回路上的保险；S P 表示停止按钮；S T 表示启动按钮；K T 表示时间继电器 的线圈，后缀的数字表示它不同的触点；K M v 表示星接触器的线圈，后缀的数字表示 它不同的触点；K M 表示三角接触器的线圈，后缀的数字表示它不同的触点；K M 表示 主接触器的线圈，后缀的数字表示它不同的触点；U 1 V 1 W 1 分别表示电动机绕组的三 个同名端；U 2 V 2 W 2 分别表示电动机绕组的另三个同名端。 中国石油人学( 华东) 工程硕士学位论文 K M L l I L 铂L 3 I lll 图7 - 3自动星三角转换启动原理图 F i g7 - 3 S t a rD e l t aC o n v e r s i o na u t o m a t i c a l l ys t a r ts c h e m a t i c 合上Q S ，按下S t ，K T 、K M Y 得电动作。K M Y1 闭合，K M 得电动作；K M Y 一2 闭 合，电动机线圈处于星形接法，K M y - 3 断开，避免K M 误动作；K M l 闭合，自保启 动按钮；k M 2 闭合为三角形工作做好准备；k M 3 闭合，电动机得电运转，处于星形启 动状态。时间继电器延时到达以后，延时触点K T 一1 断开，K M Y 线圈断电，K M Y1 断 开，K M 通过K M 一2 仍然得电吸合着；K M Y 一2 断开，为电动机线圈处于三角形接法作 准备；K M y - 3 闭合，使K M 得电吸合；K M 一1 断开，停止为时间继电器线圈供电； K M 2 断开，确保I 刚Y 不能得电误动作：K l 洲一3 闭合是电动机线圈处于三角形运转 状态。 电动机的三角形运转状态，必须要按下S P ，才能使全部接触器线圈失电跳开，才 能停I 七运转。 6 1 墨! ! 垦堡坐堑型墼塑蔓焦旦! 壁坐塾墨坌堑 第八章淬火装置的调试使用与淬火效果分析 81 淬火系统的安装调试和生产使用 该淬火系统于2 0 0 7 年6 月完成安装调试，9 月份完成设计的最大( q “3 4 0 套管) 和 最小( 6 03 2 油管) 管材的试生产，现处正常生产中。已通过设备鉴定验收，到达各 项设计目标。 通过安装、调试和生产使用，有下血几个方面需完善或改进： ( 1 ) 由于工作环境恶劣，各机构锈蚀较严重，防水、防锈还有待解决。需定期除 锈防腐。 ( 2 ) 由于淬火装置的进料滚道在淬火过程中，淬火水在淋到钢管上的同时也淋到 滚道及滚道驱动电机上，虽然采用的是防水电机，但还需注意电机的防水，在调试中 因防水问题损坏了两支电机。 ( 3 ) 管线、线排等略显杂乱，整体美观性稍差。图8 1 是生产现场淬火装置的照 片。 酒j 鎏矗鬣j 懑灌j 1 j = 一 0 30 62 0 0 8 产睽 ：。 j 一 0 30 62 0 0 8 墨! ! 茎竖坐型兰盟塑至堡旦! 壁坐墼墨坌堑 晶验证 圈8 - 1 生产现场淬火装置的照片 F 垃8 “ 1Q u e n c h i n g t h ep r o d u c t i o no f d e v i c e sa t t h es c e n ep h o t o s ! 火装置投产以后已生产近两万吨合格的石油管材，生产的产品符合A P I 要求 。产品的力学性能实验报告，见附录A 。 中国石油人学( 华东) 工程硕上学位论文 结论 ( 1 ) 完成了石油管材热处理淬火装置的设计，该设计在分析总结了现有设备的基 础上，进行了很大改动，其主要特点有： 产品范围广，突破原有淬火装置的口径限制，能够热处理的各类石油管材口径从 6 0 3 2 m m 到3 4 0 m m 的大范围。 采用首创的淬火装置进料方式，该种方式取消了原有装置的取料过程，避免了因 该过程所需的时间而造成的高温管温度损失，严格了淬火工艺，提高了石油管材的淬火 质量。 o 牢固的机架结构，该装置采用“H “ 钢作机架并用混泥土预置，抗震性好。 结构合理，淬火装置的各机构部件布置科学合理。 ( 2 ) 完成了石油管材热处理淬火装置的液压系统及控制系统的设计，经使用表明， 该系统运行稳定可靠，淬火工艺参数的调整简单快捷。 ( 3 ) 完成了整机的调试，经生产表明，该机构经调试、试生产。完全达到设计要 求，设备牢固性、稳定性很好，维修维护简单，淬火质量稳定。 6 5 参考文献 参考文献 1 】张抗中国的石油资源和发展战略【J 】自然杂志2 0 0 8 ，3 0 ( 3 ) ：1 6 4 1 6 7 【2 】吴月先中国石油管材业发展良机【J 】石油矿场机械2 0 0 5 ，3 4 ( 2 ) ：5 3 5 3 3 】王罡浅谈金属材料的应用及热处理技术 J 】太原科技2 0 0 8 ，( 11 ) ：8 3 8 5 4 】谢