1  石油套管热处理性能可靠性的研究 [摘要]石油套管的热处理大多采用连续自动的方式生产，热处理后产品性能检验通过抽检方式进行，不可能100％产品性能得到验证，严格控制热处理生产过程的各个相关因素是保证钢管性能稳定可靠的关键。通过采取有效措施，从热处理生产线的性能特点、维护和使用、热处理工艺和质量管理、生产人员管理等方面进行严格控制，确保了产品性能可靠，得到用户充分认可。石油套管在下井和服役过程中要承受内压、外压、弯曲、旋转、磨损、腐蚀等苛刻条件”，因此对于钢管性能(包括机械性能、抗挤毁、内屈服、抗腐蚀和其它使用性能)有着很高的可靠性要求。特别是近年来深井、超深井、深海以及含硫化氢、二氧化碳等复杂地质油气田的勘探开采，对于N800和P110钢级以上高钢级产品的需求越来越普遍，而这些钢级按照标准规定必须进行全长热处理。热处理工序在石油套管的整个生产过程中属于“特殊工序”团，因为钢管热处理后的性能控制只能通过控制热处理工艺参数间接实现，且只能抽检而不能100％验证性能。套管和油管规范ISO 11960(API 5cT)也将热处理工序定义为“需要确认的工序”。鉴于热处理工序的重要性和特殊性，石油套管的制造厂必须对工序进行细致控制和确认，才能保证钢管性能的可靠和稳定。当前天津钢管集团股份有限公司(以下简称天管)，有7条钢管热处理生产线，产能超过100万吨。经过近20年的生产、研发，天管集团对石油套管的热处理生产积累了较丰富的经验。本文结合天管集团的生产经验，对石油套管的连续热处理生产的可靠性进行系统分析，围绕石油套管的热处理相关环节阐述保证热处理性能可靠的措施。  主要热处理设备的技术特点和使用要求石油套管热处理多采用自动连续生产方式，不仅生产效率高、产量大，而且为产品质量稳定提供了坚实基础。通常一条钢管热处理生产线的产量可达5~25万t，主体设备包括热处理炉和淬火冷却等。为了得到最高的生产效率，热处理炉通常采用步进式连续热处理炉，淬火采用内外同时冷却的卧式淬火机构，可保证钢管淬火后整体性能均匀。热处理设备的可靠性为产品性能稳定提供了良好的保障，设备的功能为产品质量控制提供了方法和手段，生产中必须对设备的功能和稳定性足够重视。下面根据天管集团的热处理经验，归纳主要设备应具有的功能。  2．1热处理炉  钢管热处理炉是整个热处理生产过程的关键设备。其中有效加热区的温度均匀性、准确性和稳定性，生产节奏的准确性(节奏反应了钢管的加热和保温时间)、加热区的氧化气氛控制等特征参数都会对钢管质量产生重要影响。石油套管热处理性能可靠性的研究钢管加热温度，API石油套管性能要求严格，热处理炉控温精度应达到±5℃，满足II类加热炉的要求，均热后钢管全长及周向温差≤10℃，温度按照设值自动或手动控制，具有控温报警功能来保证温度处于工艺要求范围。钢管加热时间，步进式热处理炉    3  属于快速加热炉，低合金钢管最大升温速度可达40℃/min。钢管炉内加热时间T加热=T升温+T保温，钢管升温时间主要受钢管有效尺寸和布料方式影响，不同规格所需时间存在一定差异，钢管保温时间根据钢种和产品要求设计。新建或改造的热处理炉生产前适宜采用的“黑匣子测温”（通过黑匣子测温实验确定钢管在长度和圆周方向上的温度分布，确定不同炉窖的热处理温度的均匀性为改进热处理操作工艺和炉窖设计提供依据）圈的方法对热处理炉的有效加热区进行动态测试，通过分析测试数据得到热处理炉的一系列特性参数，例如钢管的温度均匀性、实际升温速度、实际保温时间、热处理炉的加热系数等，来验证设备是否满足设计和工艺要求。加热时间，钢管在高温炉内进行淬火加热的实际升温过程气流量等参数的功能，以实现产品质量的可追溯。2．2淬火机构  钢管淬火可采用内外同时冷却的卧式淬火方式，应能达到钢种淬火所需要的临界冷却速度，并使钢管．产生最小淬火应力。图3钢管旋转内喷外淋卧式淬火设备示意图蘸交淬火用水温度严格控制在32℃以下，以保证水淬冷却效果。淬火用水量，钢管淬火时内外冷却速度尽可能接近，以保证钢管内外壁组织转变的同步，减轻钢管淬火变形、避免钢管出现淬火裂纹。设备应具有自动生产并记录淬火介质的温度、内、外冷却介质的流量、冷却介质的压力等参数的功能，用于追溯产品生产过程。下面列举了水淬设备应具有的部分关键功能和参数，见表1。     4  2．2设备正常运行的维护和改进  钢管的热处理属于特殊工序，必须严格控制设备维护和升级改造，保障设备运转正常以满足工艺的要求。所有设备的仪器仪表应符合对应质量体系文件的要求，新建设备、改造或大修后均应按技术条件验收，鉴定合格后才可使用。要尽可能地避免由于工装误差秽。引起质量波动，设备检修维护后的首批产品也须密切跟踪，并将生产结果存档。正常使用的设备还应定期按照石油套管的要求进行工艺和设备的确认。热处理炉除达到验收的技术条件外还应及时完熟善工艺试验，通过钢管热处理后的性能试验数据最终验证设备的稳定性，例如：钢管两端、中部、周向的性。能分布、淬透性试验、工艺性能试验、金相组织、残余奥氏体、应力等多方面。各主要设备生产所需的环境条件，例如燃气的压力、热值，冷却介质的温度、压力等应严格满足工艺技术文件的要求，当出现不满足情况时应停止生产。同种规格产品的设备运行参数应基本保持不变，当发生较大变化时要及时记录存档，避免因为设备运行参数  1 钢管热处理设备应具备的功能汇总的变化造成产品质量的波动。钢管热处理自动生产线属于流水线作业，任何一台套设备问题都会对生产质量造成冲击。因此，对设备进行预防性维修是必要的，制定并严格遵守设备点检定修制度，避免由于一个小的部件故障造成整个生产线物料的返工。  3钢管热处理质量控制     5  关键设备的运行可靠为产品质量提供了一个前提，而要保证钢管性能稳定可靠则需要更加关注钢管热处理过程的各个质量控制环节。见图4石油套管的热处理可靠性分析绘出的因果图  通过因果分析图，从人、机、料、法、环几个方面加强质量控制。  3．1生产材料的确认  生产前必须对原料的规格、材质、技术要求等进行核实，从源头保证整个生产过程的可追溯性。生产前应仔细核实材料的化学成分，根据化学成分对生产  工艺参数进行适当调整  同牌号材料不同的冶炼方式、不同炉号的钢管热处理后性能都会存在一定差异，不可交替混合生产。生产组织应满足石油套管的可追溯性要求，整个生产过程中的物料和热处理状态应有明显的标记。严格管理热处理性能不合格品，对重新热处理的钢管进行记录存档。  3．2热处理的质量管理  除了通过严格控制设备和工艺来保证石油套管的热处理质量外，有效的质量控制手段也非常重要。生产过程设专人进行工艺检查，对工艺执行的原始记录情况进行监督，这些原始记录包括加热温度、生产节奏、冷却方式、冷却介质及温度、钢管出炉温度等，并对操作过程的标准化符合情况进行监督，发现问题督促纠正，排除质量隐患。另外定期对质量记录和理化检验结果进行分析，各种控制分析图表按归档制度整理保管处于受检状态。可采取多种分析方法对生产过程进行分析评价，例如通过工序过程能力分析发现问题。  3-3热处理生产参与人员控制钢管热处理性能，而设备运行参数有时不能完全钢管的热处理生产通过控制设备运行参数间接反映钢管的实际情况，所以操作人员除监视设备参数外还必须定时巡视设备运行情况，观察钢管在炉内的实际加热效果和淬火冷却情况。操作人员必须熟练掌握设备的控制要点，和生产质量控制点，所有生产参与人员包括工艺制定人员、现场管理人员、操作、检验人员必须经过定期考核和培训。关键岗位人员须由专业考核合格，有现场质量控制知识的人员担任。  3．4热处理工艺 3．4．1钢管加热控制  通常选择的淬火加热温度在Ac3以上50℃。100℃(除非标准要求)，较高的淬火温度可保证钢管得到充分的奥氏体化，实现快速加热，稳定淬火质量。当淬火工艺温度接近钢种相变温度Ac3时，应提高温度控制要求，以稳定奥氏体组织减小淬火性能差异。介绍钢管的亚温淬火工艺可以改善钢种的高温回火脆性，但Ac3以下的淬火加热会因钢管周向和管长温差导致内部组织出现明显的不均匀，淬火后钢管内部组织差异明显而导致钢管拉伸性能的不稳定，这种亚温淬火工艺对于热处理炉的生产能力有更高的要求，类似的工艺不推荐在石油套管的生产上采用，但可按照文献【8l介绍的低温淬火工艺避免淬火组织差异来获得更好的可靠性。众所周知热处理的温度和保温时间都会对材料的性能造成一定的影响，所以热处理的加热时间也必须得到控制，通过“黑匣子测温试验”可获得炉子特性参数，用于核算钢管热处理生产节奏，使钢管的加热和保温时间得到准确控制。  3．4．2钢管淬火控制  钢管的淬火操作至关重要，淬火介质的温度、内外淬火介质的流量必须达到工艺要求，以保证足够的淬火冷却速度。淬火冷却时间要保证钢管淬火后达到工艺要求的温度。然而仅控制淬火工艺参数不能充分保证淬火效果，还要控制钢管出炉等待淬火的时间，保证淬火前的实际温度满足淬火要求，钢管整个淬火冷却过程必须在操作人员的严密监视下进行。针对设备能力统计各个品种的淬透性数据，用于规范钢种的应用，以保证产品的质量。淬火时为保证高质量的一致性，低淬透性钢种生产厚壁产品时淬火水量选择上限，当高淬透性钢种生产薄壁产品时淬火水量选择下限，这样可以保证低淬透性钢种的淬火效果也可以避免高淬透性钢种出现脆裂现象。  3．4．3工艺的确认  处理工艺必须得到充分的验证才能进行大规模生产。钢管正式批量生产前均应进行小规模的试验生产，新工艺经确认后方可正式应用。这种验证应该包含多种项目：淬透性、拉伸强度(两端和管体)、硬度、组织、晶粒度等等。当出现因为钢管的材料特殊    8  性对生产设备提出了更高的要求时，要保证钢管性能稳定，热处理过程应该得到更加严格的关注，制定适用可行的措施，当所采取的措施不能充分保障产品性能可靠时，要及时寻找可替换的材料或继续深入研究。  3．5试样的抽取和追溯  石油套管规范要求试验用管随机抽取，当多次试验时抽样要能代表该热处理检验批的始、末及管子的两端。但仅按照标准的要求去抽取试样验证整批钢管的性能还存在很大的检验盲区，所以要严格制定取  样规程，根据实际生产条件完善取样制度。例如：生产p110钢级套管时，如一个生产批次只生产了一批数量的钢管，则也应该取两个试样验证钢管两端及生产始末(标准只要求取一个试样)。钢管加热采用步进式连续热处理炉，每个生产周期入炉的前、中、后钢管的加热状态会存在一定差异，主要体现在开始和结束阶段，炉底强度的不稳定造成控制系统响应不及时，因而炉温波动较大，而加热差异即可能导致钢管性能的差异，钢管淬火时由于钢种淬透性的影响以及钢管壁厚尺寸造成的质量效应的影响两端会存在一定的性能差异，并且淬火时钢管与设备的接触也会可能造成接触点的淬火不充分，取样时对各种因素都应充分考虑，抽取试样要具有充分的代表性，绝不能简单的随机抽检。  4结束语  天管集团近20年内得到快速发展，当前热处理能力已经超过100万以，产品涵盖了IS011960规范中的全部钢级和规格，并独立开发自主知识产权的TP系列产品满足用户对于复杂地质条件下油井的需求，得到了全球用户的充分认可。热处理生产工序的稳定可靠为产品内在性能提供了坚实的基础，更依赖于对生产环节相关因素的严格控制，对于工艺及设备的可靠性和稳定性的不断追求。