无缝钢管的热处理生产.docx

CL0104-无缝钢管的热处理生产案例简要说明：依据国家职业标准和金属材料及热处理技术、材料成型与控制 技术专业教学要求，归纳提炼出所包含的知识和技能点，弱化与教学目标无关 的内容，使之与课程学习目标、学习内容一致，成为一个承载了教学目标所要 求知识和技能的教学案例。该案例是轧钢生产中有关无缝钢管生产及热处理工 艺的案例，涉及了无缝钢管生产工艺及钢材热处理工艺知识点和岗位技能，与 本专业轧钢生产课程无缝钢管生产及金属材料与热处理课程热处理单元的教 学目标相对应。案例信息表:案例名称无缝钢管的热处理生产适用说明本案例适合中职、高职、职业本科等院校金属材料及热处理技术+材料成型与控制技术 专业，在金属材料及热处理或相似的综合性课程教学中使用，更适合在无缝钢管热处理 职工培训中使用。案例背景本案例来源于调研企业一一近两年新建的某大型无缝钢管厂热处理生产线的实际生产 过程，该热处理生产线主要针对石油油井管、专用管及高压锅炉管的热处理生产，采用 成熟可靠的先进工艺设备（热处理炉选用工艺成熟的步进梁式加热炉，高压锅炉管热 处理线采用保护气氛下贯通式连续辊底式炉，先进的双向链式冷床，引进“液压快开式” 六辊矫直机，引进管体超声波探伤设备等），采用新的淬火技术和装备（外淋内喷水淬 装置），可进行淬火+回火（调质处理），回火热处理，正火热处理和成品部分质量检 验，能充分保证产品的质量。案例所涉及的知识点金属热处理基础理论知识；无缝钢管热处理的产品标准要求；品种质量一一钢种质量要求、钢种生产工艺路线；钢管基本热处理方法的种类、基本原理及其工艺； 热处理加热炉加热工艺；案例所涉及的技能点无缝钢管热处理工序设备操作要点；能根据设备、原材料，选择工艺路线；能根据热处理曲线制定常规钢种热处理工艺制度；案例工作任务的分解热处理工艺路线选择；淬火、回火、正火工艺制度选择及加热温度、保温时间、冷却方式等工艺参数的确定；热处理淬火炉、回火炉加热温度、加热时间、加热速度的调整操作；淬火槽、冷床、矫直机、定径机的操作；热处理钢管检验；教学目标(1) 掌握钢管基本热处理方法的种类、基本原理及其工艺、目的；(2) 了解无缝钢管热处理的产品标准要求(品种规格标准、技术条件、验收规则和试验方法、包装标志要求)；(3) 掌握无缝钢管热处理工序设备操作要点；(4) 学习综合考虑无缝钢管品种质量保证的措施，能根据设备、原材料，选择工艺路线；(5) 能按照钢管性能的要求，选择采用合适的热处理方法，并能根据热处理曲线制定常 规钢种热处理工艺制度；(6) 全面复习所学知识，并将知识转化为能力。案例建议的教学时间1216学时案例的操作演示现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、大作业。案例点评通过案例教学可以使学生对复杂的热处理生产线有感性认识，较快实现将知识转化为能分析原因开发新品种生产，能制定不同钢级钢管热处理生产操作要点的能力。本案例可迁移为其它钢材的热处理教学，通过本案例学习，具有其它钢材热处理的能力。无缝钢管的热处理生产1. 背景介绍某大型无缝钢管厂，采用热连轧无缝钢管生产线，配套热处理生产线生产 各类品种钢管的高端产品，生产线功能多，适应多品种要求，生产灵活性高。 有油井管专用管热处理线两条，年处理量共计16万吨，拥有步进梁式热处理 淬火加热炉，外淋内喷水淬装置、回火炉、热矫直机、双向链式冷床，直度检 测、硬度检验装置、超声波探伤、管端电磁探伤、测长称重喷印装置、手动砂 轮机、手动超声探伤装置等，可进行淬火+回火（调质处理），回火热处理，正 火热处理和成品部分质量检验；高压锅炉管热处理线1条，年处理量4万吨， 拥有2座还原性保护气氛下贯通式连续辊底式炉，可进行高压锅炉管的正火、 回火热处理。热处理后生产出各类品种合格的钢管热处理成品：包括石油油管，石油套 管，合金结构管，管线管，船舶管，石油裂化管，流体管，中低压锅炉管，高 压锅炉管。2. 主要内容2.1. 热处理无缝钢管的用途和要求钢（管）的热处理是通过钢在固态下加热、保温和冷却的操作来改变钢（管） 的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。通过热处理可以获得所需综 合力学性能，充分发挥钢材（管）的潜力，提高工件（钢管）的使用性能，减 轻工件（钢管）重量，节约材料降低成本，延长使用寿命。另一方面，热处理 工序还可以改善加工工艺性能，提高加工质量减少刀具磨损。同时，一些理化 指标必须经过热处理才能获得。诸如：高抗H2S应力腐蚀性能、不锈钢钢管的 强化等。生产厂家通过热处理工序能提高钢管的强韧性等理化指标，通过热处 理来生产高附加值的钢管，特别是抗腐蚀、抗挤毁、既抗腐蚀又抗挤毁和超高 强度的非API石油专用管，可满足用户要求，提高经济效益。钢管热处理和其他钢材的热处理一样分为三类，即为了满足产品使用性能 要求的最终热处理，按用户和标准要求的以热处理状态交货的热处理，及钢管 制造过程中的工序间的热处理。钢管常用的热处理工艺主要有淬火、回火、 正火、淬火+回火（调质处理）及退火等。（一）石油专用管的热处理随着石油天然气钻探与开采和地质钻探的发展，对不同口径的高屈服强 度、高韧性无缝钢管的需求量迅速增长。油气井套管和油管承受的轴向拉力和 各类挤压力随井深的增加而增大，对套管和油管的强度与韧性的要求相应提 高，按照API标准，对套管、油管的力学性能提出了很高的要求。石油套管和油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N80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。石油专用管中的套管、油管、钻杆、管线管等，根据钢级的高低则 相应采用正火、正火加回火、淬火加回火的工艺。石油管的热处理大多采用连续自动的方式生产，热处理工序在石油套管的 整个生产过程中属于“特殊工序”，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%验证热处理后产品性能。 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。鉴于热处理工序的重要性和特殊性，石油油、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。（二）专用管的热处理无缝钢管除了石油用管材外还有高压锅炉管、石油裂化管、高压化肥管等 专用管需要进行热处理。高压锅炉管、高压化肥管道常采用正火、正火加回火、 淬火加回火（厚壁管）及奥氏体不锈钢管的固溶处理；轴承用钢管常采用球化 退火等。有些合金含量较高的钢管，为防止用户使用前产生开裂、变形等， 用户和标准通常要求生产厂以热处理状态交货，生产厂需进行如退火、正火等 热处理。石油裂化管入库前是经过高温回火热处理，这种交货状态称为高温回 火状态。高温回火的回火温度高，有利于彻底消除内应力，提高塑性和韧性， 碳结构、合金钢、保证淬透性结构钢材均可采用高温回火状态交货。某些马氏 体型高强度的石油裂化管、高速工具钢和高强度合金钢，由于有很高的淬透性 以及合金元素的强化作用，常在淬火（或回火）后进行一次高温回火，使石油裂 化管中碳化物适当聚集，得到碳化物颗粒较粗大的回火索氏体组织（与球化退 火组织相似），因而，这种交货状态的石油裂化管有很好的切削加工性能。（三）高压锅炉管的热处理高压锅炉管使用是处于高温和高压的环境中，在这样的条件下，管子会发 生氧化和腐蚀，对于钢管的材质要求要具有高的持久强度，高的抗氧化腐蚀性 能，并有良好的组织稳定性。在高压锅炉管的热处理技术方面，在不同的高温 强度下，对于钢种材质的要求也是有所不同的。高压锅炉管一般在高温高压条 件下工作，它除要求足够的高温强度外，还要有高抗氧化性，故应根据工作条 件选用相应的钢管材质。在475570°C温度工作的钢管多采用珠光体类的钼钢、 铭钢、钒钢、铭钒钢等；在570-625CX作的多采用马氏体和奥氏体类的耐热 钢；工作温度高于700C时主要用高温合金（镍基合金）。为使高压锅炉管具有 足够的高温强度、高温塑性变形抗力、低的时效和热脆倾向、足够的腐蚀稳定性和良好的工艺性能，钢管轧后要进行正火和回火热处理。2.2. 热处理生产技术要求目前国内外广泛使用的钢管采用的标准对热处理生产也提出了具体要求：一、石油专用管中的油管和套管在API标准中的分类及要求：石油专用管中的油管和套管在API 5CT标准中分类见下表，套管和油管 分为4组、19个钢级。按照制造方法，又分为无缝管和焊管两大类。除L80-9Cr、 L80-13Cr、C90-1、C90-2、T95-1、T95-2共计6钢级限定使用无缝管外，其它 钢级除可以使用无缝管还可以使用电阻焊或电感应焊接方法生产的直缝焊管。 其热处理工艺，除第1组3个钢级外，第1组N80Q类、第2、3、4组共在 API 5CT中套管和油管分为4组、19个钢级。按照制造方法，又分为无缝管和 焊管14个钢级都必须进行全长淬火+回火处理，并对第2组的8个钢级规定了 最低回火温度。对第1组、第2组M65钢级和第3组共7个钢级只规定了 S、 P含量最大值，而未规定其它主要化学成分。对第2组和第4组共12个钢级规 定了化学成分要求。组别钢级类型制造方法热处理最低回火温度（°c）123456H40_S或EWNone-J55-S或EWNone-1K55_S或EWN、N&T-N801S或EWN、N&T-N80QS或EWQ&T-M65-S或EWN、 N&T、 Q&T-L801S或EWQ&T566L809CrSQ&T593L8013CrSQ&T5932C901SQ&T621C902SQ&T621C95-S或EWQ&T538T951SQ&T649T952SQ&T6493P110-S或EWQ&T-4Q1251S或EWQ&T-Q125Q125Q125234S或EWS或EWS或EWQ&TQ&TQ&T- -S-无缝管；EW-焊管N-正火；N&T-正火+回火；Q&T-淬火+回火二、石油用管热处理生产线生产的代表钢种热处理制度:序 号品种热处理制度代表钢种或钢级技术标准淬火或者正火回火加热温度 (°C)保温时 间(min)加热温度(C)保温时 间(min)1油管管料870900560070015N80、L80 13Cr、C90、 P110API 5CT 第 8 版2油管接箍料870900560070015N80、L80 13Cr、C90、 P110API 5CT 第 8 版3套管管料870900560070015N80、L80 13Cr、C90、 P110、 Q125API 5CT 第 8 版4套管接箍料870900560070015N80、L80 13Cr、C90、 P110、 Q125API 5CT 第 8 版5管线管料920562068015X42X80API 5L 第 44 版6合金结构管84088055006501540Mn2、 27SiMn、35CrMoGB/T 8162-19997船舶管料880900560070015320、 410GB5312-19998石油裂化管 料9301035156807206012CrMo、 15CrMo、20AGB9948-2006、ASTMA335M-2005三、高压锅炉管热处理线生产的代表钢种热处理制度:代表钢级标准热处制度仅正火正火+回火或仅回火保温时间加热温度(C)加热温度(C)回火温度(C)20GGB53102006880 C940 C至少30min12Cr1MoVG980 C1 020 C720 C760 C至少30minP91ASTMA335-20051040 C1 080 C730 C800 C至少30minP921040 C1 080 C730 C800 C至少30minP1221040 C1 080 C730 C800 C至少30min(P22)不低于675C至少30minSt45.8DIN17175 1979870 C900 C至少30min15Mo3910 C940 C至少30min13CrMo44660 C730 C至少30min10rMo910700 C750 C至少1h2.3. 热处理生产工艺路线高压锅炉管热处理要求与其它专用管热处理不同，需要采取不同的生产工 艺路线，因此，钢管热处理工艺路线分两路，工艺流程见下图：（一）油井管专用管热处理线工艺路线:热轧管料淬火炉加热一水淬或正火冷床冷却一回火炉加热一矫直一冷 床 冷却一探伤一喷印一打包收集。中间库将钢管送往步进梁式淬火炉加热，加热后的钢管可选择3种热处理工艺：送往水淬设备进行水淬，之后进入步进梁式回火炉，对钢管进行调制处理。送入正火冷床冷却。O送往回火炉进行回火。经热处理后的钢 管送往矫直机矫直，正反链式冷床上冷却，吹吸灰设备进行内表面吹吸灰，超 声波探伤机探伤，单喷标进行喷印，之后打捆收集入库。热处理线工艺布置图如下:Wift MJ*iiMPini'WM主要设备有：淬火炉、高压水除鳞、淬火装置、回火炉、正火链式冷床、 热矫直机、正反链式冷床、吸灰装置、超声波探伤装置、测长称重喷标打印装 置、管端探伤装置等。（二）高压锅炉管热处理线工艺路线：热轧管料辊底式炉加热一冷床冷却（正火或回火）一收集中间需要光亮热处理的钢管由吊车成捆吊运上料，通过集排辊道送往带保护气体的辊底式连 续热处理炉进行热处理，热处理工艺分为三种：正火或正火+回火 或回火热处理。经热处理的钢管由横移运输小车移送到收集台架收集入库。主要设备有：2座贯通式保护气氛辊底式炉。高压锅炉管热处理线工艺布置图如下：3. 分析路径该案例是典型无缝钢管热处理生产线的实际生产过程，本生产案例体现了 金属材料热处理、加热炉、钢管检验等知识点和岗位技能，与轧钢专业热处理 课程教学目标相对应。热处理课程内容繁杂，结构严谨，实用性强，概念多而抽象，难于理解和掌握，课程最终目的是要使学生能够正确认识常用钢材料的成分、组织、性能 及热处理工艺之间的相互关系.培养学生正确选择材料、合理使用材料、制定 热处理工艺等方面的能力。根据国家职业标准关于热处理工种要求，对应教学目标，从此生产案例归 纳提炼出所包含的金属热处理知识和技能点，弱化与教学目标无关的内容，使 之与热处理课程学习目标、学习内容一致，成为一个承载了教学目标所要求知 识和技能的教学案例。使学生走上热处理工作岗位后，能够运用所学知识转化 为热处理工作技能能力，具备能够操作设备、分析生产原因开发新品种生产， 满足社会日益苛刻的需求，提高产品质量。采用图片、现场生产视频等手段，在经过课堂理论知识学习和现场实际生产实习教学，可激发学生学习本课 程的兴趣，利于将学校所学知识转化成能力。热处理生产操作要点既是一个典 型工作任务，也是一个代表性工作任务，现场实际生产授课，使教学直观而生 动，能增强学生感性认识和动手能力，引领学生能制定不同钢级钢管热处理制 度。下面以无缝钢管热处理生产为例，说明该生产案例教学、现场教学的经过。4. 教学目标(1) 掌握钢管基本热处理方法的种类、基本原理及其工艺、目的；(2) 了解无缝钢管热处理的产品标准要求(品种规格标准、技术条件、验收 规则和试验方法、包装标志要求)；(3) 掌握无缝钢管热处理工序设备操作要点；(4) 学习综合考虑无缝钢管品种质量保证的措施，能根据设备、原材料，选 择工艺路线；(5) 能按照钢管性能的要求，选择采用合适的热处理方法，并能根据热处理 曲线制定常规钢种热处理工艺制度；(6) 全面复习所学知识，并将知识转化为能力。5. 教学方式方法建议采用现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、大作 业等教学方式方法。具体教学过程设计如下:5.1. 课前计划(1) 学生掌握知识：钢管热处理生产的基本原理、工艺、设备；石油专用管中的油管和套管在API标准、目前国内外广泛使用的专用管采 用的标准；(2) 学生按石油专用管热处理线和高压锅炉管热处理线划分两个学习小 组，各组指定组长，统领本小组完成查询资料、记录等学习任务；(3) 与现场联系，进行现场教学准备，包括安全教育、劳保用品、行走路线， 现场兼职教师，现场教室等；(4) 安全教育，教师带领学生下厂调研，记录10种热处理钢种工艺参数， 收集生产相关资料；(5) 学生根据所学知识和实习、调研中获得的资料，总结各钢种热处理生产 工序设备的操作要点；(6 )与技术人员交流，请技术人员讲授典型钢种热处理生产工艺。(7) 教室设置成学习岛，准备投影，为每组准备2张0开白纸，大号记号笔 1支、作业纸每人2张。5.2. 课中计划(1) 学生按小组就座学习岛周围，选举记录人、发言人。(2) 采用头脑风暴法，每人总结一条操作要点，按顺时针顺序轮流发言，记 录人将操作要点在0开白纸上按淬火炉加热、淬火或正火冷床冷却、回火炉加 热、冷床冷却、热矫直矫直、冷床冷却、探伤、喷印、打包收集分工序记录。 要求每人发言，可以轮空，直到所有人员无法补充为止，时间1520分钟；(3) 整理完成后，小组发言人上台展示0开白纸上的记录，并向全体师生汇 报交流热处理工序操作要点；发言学生汇报完成后，同组学生可以补充。汇报 完成，本组自评，其它组进行点评打分，现场技术人员参与对学生汇报的操作 要点评价，指出优点和不足，每组时间15一20分钟；(4教师讲授实际生产该类钢种热处理案例，主要包括热处理钢管钢级用 途、性能要求、热处理操作工艺要求、生产操作要点等内容，时间45分钟。5.3.课后计划1、布置小组任务：利用网络资源查找并了解钢管产品标准；2、布置小组任务：利用网络资源查找并了解钢管采用不同热处理方法时加热和冷却曲线；3、布置作业，见6.36.思考题及考评6.1.课前思考题布置课前思考题，保证学生下厂调研知道找什么材料、看什么操作、思考 为什么如此操作。(1无缝钢管专用管热处理标准对质量有哪些要求？(2无冈管热处理工艺有那些？举例说明一些钢管常用的热处理工艺。(3热处理生产线有哪些关键的设备及安全操作规程？(4热处理生产线各岗位设备有哪些关键的操作要点？(5无冈管加热时应从那些方面来确定加热速度？(6) 热处理时，合金钢管缓慢加热的原因是什么？(7) 钢管淬火前应做哪些准备工作？(8) 钢管在淬火后为什么要进行回火？6.2. 课堂练习课堂提问或者集体回答，目的：及时复习、巩固知识，检查教学效果。 练习题：1、（多选）无缝钢管淬火中常用的淬火剂有（）A B C DA.水B.油C.碱水D.盐类溶液2、（多选）淬火钢进行回火的目的是（）A B DA.消除内应力，稳定尺寸；B.改善塑性与韧性；C.提高强硬度；D.使强度、硬度与塑性和韧性合理配合；3、热处理时，合金钢管需要缓慢加热。（）答案J4、根据室温组织不同，其组织为珠光体和铁素体的钢属于亚共析钢。（） 答案J5、由于水温对水的冷却特性影响很大，水温升高，高温区的冷却速度显著 下降，而低温区的冷却速度仍然很高，因此淬火时水温不应超过30°C。（）答 案J6、油的冷却能力很大但冷却特性不好；水的冷却特性较好，但冷却能力又 低。即通常有“水淬开裂，油淬不硬”的说法。（）答案X7、钢的热处理工艺曲线包括（）、（）和冷却三个阶段。（加热、保温）8、工件对（）性能要求是选择回火温度的根据。答案：力学9、一般来说，回火时的加热时间应至少不（）于工件在淬火时的加热时 间。答案：低于10、钢在回火时出现硬度回升的现象称为（）答案：二次硬化6.3. 课后作业课后作业，复习巩固知识、提升能力。（1）每人记录5个具体钢管类别（必须至少包含1个高压锅炉管）的热处理 工艺制度（包括规格、钢种、淬火炉加热温度、淬火方式、正火温度、回火温 度（包含保温时间）。（2）每人结合自己调研结果，选择某一岗位生产操作结合原理编写详细的操 作要点。（3）（附加题）结合调研详细设计一个钢种的热处理工艺制度卡。至少应包括以下内容：a）热处理工件的材料牌号；b）热处理设备及热处理种类（调质、退火等）；c）热处理工艺参数（升温、保温、出炉温度、回火温度及各温度段的加热 时间等）；d）冷却方法及冷却介质。附热处理工艺制度卡样例如下：牌号规格工艺类型热处理工艺参数淬火温 度冷却方 法冷却介 质回火温 度保温时 间正火温 度保温时 间6.4. 评价建议学生考核评价实施表评价方式评价内容评价结果得分过程性 评价（100%）学生出勤（10%）迟到一次及以下810迟到三次57缺勤0课堂参与（50%）小组评价 （20%）小组合作融洽，讨论能 达到预定的目标1620小组合作比较融洽，讨 论基本达到预定的目 标1015小组合作相对融洽或 不融洽，讨论未达到预 定的目标19展示评价 (20%)展示内容全面，条理清 楚、语言流畅420现场教学 评价(10%)遵守现场规章制度，有 良好的安全意识。010完成作业(30%)思路清晰，格式规范， 内容正确自我评价(10%)