丁 煒，孫 強(qiáng)，梁海泉，丁宏鈞

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司軋管二部，天津300301）

TP110-SUP13Cr薄壁油管的熱軋生產(chǎn)

丁 煒，孫 強(qiáng)，梁海泉，丁宏鈞

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司軋管二部，天津300301）

介紹168PQF機(jī)組TP110-SUP13Cr薄壁油管的熱軋生產(chǎn)方法。采用151孔型，減小軋制力與總延伸系數(shù)；與普通碳鋼混合軋制，減輕工具粘鋼，提高產(chǎn)品內(nèi)外表面質(zhì)量；采用專用管坯加熱制度，實(shí)現(xiàn)管坯充分加熱；合理調(diào)整穿孔、連軋工藝參數(shù)，有效避免軋卡和毛管分層，提高軋制穩(wěn)定性。

熱軋；高合金；薄壁；無(wú)縫鋼管

1 引言

隨著能源需求增大，油氣生產(chǎn)廠家開(kāi)始轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)腐蝕環(huán)境較為惡劣的油田和天然氣井，過(guò)去普遍使用的碳鋼和低合金鋼鋼管難以保證足夠的抗腐蝕性能。在各油氣田的材料腐蝕方面，石油管材的腐蝕是較為突出的問(wèn)題之一，嚴(yán)重威脅著油田的正常生產(chǎn)。石油管材的腐蝕分為內(nèi)腐蝕和外腐蝕[1]。外腐蝕過(guò)去研究較多，主要是土壤腐蝕、地下水腐蝕、雜散電流腐蝕和宏觀電池腐蝕等；內(nèi)腐蝕由內(nèi)部介質(zhì)所導(dǎo)致，其顯著特點(diǎn)是存在氣、水、烴、固共存的多相流腐蝕介質(zhì)，其中CO2腐蝕為目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。圖1為典型的油管CO2腐蝕案例圖片。

API標(biāo)準(zhǔn)中可選用L80-13Cr鋼級(jí)管材進(jìn)行CO2腐蝕環(huán)境下油氣開(kāi)采，其在150℃以下具有較好的抗CO2腐蝕能力，但當(dāng)溫度高于150℃，且H2S氣體濃度較高時(shí)，L80-13Cr鋼級(jí)管材的抗局部腐蝕性能就較差。實(shí)驗(yàn)證明，在13Cr馬氏體不銹鋼中通過(guò)添加鎳元素和鉬元素，可使其在CO2環(huán)境中擁有優(yōu)良的抗點(diǎn)蝕和抗均勻腐蝕性能[2-3]。國(guó)外將含鎳5%、含鉬2%左右的13Cr馬氏體不銹鋼稱為SUP13Cr，國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)將其稱為超級(jí)13Cr，不同企業(yè)結(jié)合自身產(chǎn)品體系，又為企業(yè)編號(hào)名稱，其中天津鋼管集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)的超級(jí)13Cr鋼種稱為T(mén)P110-SUP13Cr，屬于馬氏體不銹鋼，具有優(yōu)良的抗CO2腐蝕性能。

圖1 CO2腐蝕案例圖片

與L80-13Cr管材一樣，TP110-SUP13Cr鋼級(jí)油套管只能采用無(wú)縫鋼管生產(chǎn)。由于TP110-SUP13Cr管坯的變形抗力大，穿孔、連軋工序的軋制力均高于普通碳鋼，生產(chǎn)薄壁油管時(shí)，軋制力更是超出設(shè)備設(shè)計(jì)能力，跳電停機(jī)的隱患大。同時(shí)，鋼管的內(nèi)、外表面缺陷較軋制普通碳鋼產(chǎn)品時(shí)更易出現(xiàn)，軋制工具壽命明顯縮短，導(dǎo)盤(pán)、頂頭、芯棒容易粘鋼、磨損，缺陷率很高。傳統(tǒng)的熱軋鋼管生產(chǎn)工藝很難保證TP110-SUP13Cr薄壁油管的軋制質(zhì)量與軋制效率。

天津鋼管集團(tuán)有限公司168新型鋼管廠，為三輥連軋管技術(shù)的開(kāi)拓者。自2003年投產(chǎn)以來(lái)，至今已連續(xù)生產(chǎn)10年。在生產(chǎn)高合金高鋼級(jí)產(chǎn)品方面，該機(jī)組已積累了寶貴的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。為攻克TP110-SUP13Cr薄壁油管的熱軋生產(chǎn)難題，機(jī)組的技術(shù)人員通過(guò)自主創(chuàng)新，在外方設(shè)計(jì)的185孔型基礎(chǔ)上，成功開(kāi)發(fā)出151孔型，專用于軋制變形抗力大、總延伸系數(shù)要求小的難軋產(chǎn)品及重點(diǎn)合同。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，該孔型能穩(wěn)定軋制生產(chǎn)TP110-SUP13Cr薄壁油管。

2 TP110-SUP13Cr薄壁油管的熱軋工藝

2.1 管坯準(zhǔn)備

選用TP110-SUP13Cr材質(zhì)鍛造管坯，其主要元素含量見(jiàn)表1。將TP110-SUP13Cr鑄錠快鍛為?165 mm，用機(jī)械修磨為截面規(guī)格為?150 mm的圓面柱狀管坯，管坯定尺2 500 mm，管坯端部不做中心定位孔。投料管坯計(jì)劃軋制生產(chǎn)為10.5～11.3 m的三倍尺?73.02 mm×5.51 mm目標(biāo)規(guī)格薄壁油管。同時(shí)準(zhǔn)備等數(shù)量、同規(guī)格的45#鋼連鑄管坯。

表1 TP110-SUP13Cr主要元素含量/%

2.2 環(huán)形爐裝料及加熱

據(jù)文獻(xiàn)4介紹，熱軋不銹鋼時(shí)，采用混合軋制模式，可利用混軋?zhí)间撉逑窜堓伒裙ぞ弑砻妫岣卟讳P鋼產(chǎn)品的內(nèi)外表面質(zhì)量。TP110-SUP13Cr材質(zhì)薄壁油管生產(chǎn)時(shí)采用混合軋制工藝方式，即將TP110-SUP13Cr材質(zhì)定尺管坯與普通碳鋼材質(zhì)管坯每6支一組交替裝爐，既平衡生產(chǎn)，減輕設(shè)備軋制壓力，又防止連續(xù)軋制高合金產(chǎn)品，軋輥、導(dǎo)盤(pán)、芯棒等工具表面粘鋼?；旌宪堉乒に嚬芘餮b爐示意圖見(jiàn)圖 2，普通碳鋼管坯長(zhǎng)度應(yīng)大于 TP110-SUP13Cr管坯長(zhǎng)度。

圖2 TP110-SUP13Cr材質(zhì)薄壁油管管坯裝爐示意圖

圖3為13Cr的垂直截面相圖，從圖3中看出，溫度在1 285℃左右會(huì)析出δ鐵素體，產(chǎn)生晶界熔化，在軋制過(guò)程中容易產(chǎn)生內(nèi)表面缺陷，溫度太低又會(huì)大大增加軋制抗力，容易造成穿孔咬入困難或尾端軋卡的情況。TP110-SUP13Cr雖然在13Cr鋼的基礎(chǔ)上添加了擴(kuò)大奧氏體區(qū)的Ni元素，但因Cr元素含量高達(dá)12．5%～14．5%，其加熱特點(diǎn)依然可以參考13Cr相圖。經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，較為合理的管坯加熱溫度為1 180～1 260℃。

圖3 13Cr的垂直截面相圖

根據(jù)TP110-SUP13Cr材質(zhì)特點(diǎn)，168機(jī)組開(kāi)發(fā)了專用管坯加熱制度：即環(huán)形爐加熱采用六區(qū)溫度加熱控制，加熱燃料使用天然氣，其中前三區(qū)設(shè)定溫度850℃，加熱、保溫約1．5 h，使管坯在850℃以下預(yù)熱充分，溫度沿整個(gè)金屬坯料軸向均勻分布。后三區(qū)設(shè)定溫度1 200～1 240℃，加熱、保溫1～1．5 h，使管坯在850℃以上快速加熱至目標(biāo)溫度并保溫。管坯在爐加熱總時(shí)間為2．5～3 h，出爐溫度設(shè)定為1 200～1 240℃。管坯加熱溫控曲線見(jiàn)圖4。

圖4 TP110-SUP13Cr管坯升溫曲線

要依靠熱輻射，外表能量聚集，內(nèi)外溫差較大。生產(chǎn)中，由于設(shè)備等原因造成生產(chǎn)停機(jī)超過(guò)30 min時(shí)，需將開(kāi)軋時(shí)出爐溫度降低30～50℃，依靠管坯自身的熱傳導(dǎo)，降低管坯內(nèi)外溫差，以有效避免軋輥、導(dǎo)盤(pán)的粘鋼，避免軋卡。

2.3 錐形輥斜軋穿孔

使用狄舍爾錐形輥穿孔機(jī)，將TP110-SUP13Cr管坯軋制成毛管。將軋輥距離、導(dǎo)盤(pán)距離、頂頭前伸量結(jié)合在一起調(diào)整，使穿孔機(jī)各參數(shù)組合達(dá)到最佳狀態(tài)，如設(shè)定不當(dāng)，很容易引起壁厚不均和內(nèi)外表面缺陷，而且還容易誘發(fā)軋卡等故障。

據(jù)文獻(xiàn)5介紹，當(dāng)管坯咬入位置到頂頭前端的距離（X）和管坯直徑（D）之比＜0.6時(shí)，內(nèi)表面裂紋缺陷的發(fā)生率就較低。同時(shí)還要保證導(dǎo)盤(pán)不粘鋼、不發(fā)生軋卡，要求 X/D＞0.4。為確保穿孔TP110-SUP13Cr管坯時(shí)滿足0.4＜X/D＜0.6，穿孔的頂前壓下率必須控制在4%～7%，排產(chǎn)時(shí)穿孔輥壽命控制在6 000支以內(nèi)最佳，而當(dāng)穿孔輥軋制支數(shù)超過(guò)10 000支時(shí)，無(wú)法保證0.4＜X/D＜0.6的范圍要求，造成內(nèi)表面缺陷和咬入不佳。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐認(rèn)為導(dǎo)盤(pán)距離（A）和軋輥輥距（E）比值應(yīng)控制在1.07～1.15范圍內(nèi)，軋制TP110-SUP13Cr薄壁油管時(shí)，按下限控制。

控制穿孔變形速度非常重要，變形速度越快，軋件溫升大，穿孔時(shí)容易析出δ鐵素體，造成內(nèi)表面缺陷的增加和軋制工具的磨損。生產(chǎn)實(shí)踐證明，軋輥的線速度為1.0 m/s時(shí)比線速度為0.5 m/s時(shí)內(nèi)外表面缺陷概率增加1倍。導(dǎo)盤(pán)電機(jī)的扭矩和導(dǎo)盤(pán)速度成正比，導(dǎo)盤(pán)速度過(guò)快會(huì)造成導(dǎo)盤(pán)電機(jī)扭矩增大，軋制TP110-SUP13Cr時(shí)控制導(dǎo)盤(pán)線速度為軋件速度的2.0～2.5倍。穿孔時(shí)咬入角α控制在11°≤α≤11.5°，避免軋卡和毛管分層（見(jiàn)圖5）。適當(dāng)降低穿孔機(jī)軋輥轉(zhuǎn)速，有利于減小頂頭的軸向阻力，且管坯中心易發(fā)生塑性變形，較易形成空腔，減少了內(nèi)折、分層等的產(chǎn)生；TP110-SUP13Cr在高溫下較易造成導(dǎo)盤(pán)粘鋼，粘鋼會(huì)造成管體劃傷、內(nèi)外壁凹坑等缺陷，并增加了脫棒的難度，因此穿孔過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)盤(pán)的冷卻，減少粘鋼的趨勢(shì)。穿孔后毛管的名義外徑178 mm，名義壁厚13.5 mm。

圖5 TP110-SUP13Cr材質(zhì)產(chǎn)品的分層缺陷

2.4 限動(dòng)芯棒連軋

使用5機(jī)架高精度PQF三輥限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)，將TP110-SUP13Cr毛管軋制成荒管，再經(jīng)3機(jī)架脫管機(jī)，使芯棒與荒管分離。對(duì)預(yù)穿速度、限動(dòng)速度、出口速度分別進(jìn)行合理設(shè)定，使軋制過(guò)程盡可能處于穩(wěn)定狀態(tài)，如果設(shè)定不當(dāng)，很容易因限動(dòng)載荷過(guò)高造成芯棒從襯瓦中脫離、芯棒鍍鉻層破損、產(chǎn)品內(nèi)表面缺陷等問(wèn)題，影響生產(chǎn)作業(yè)率及產(chǎn)品質(zhì)量，降低工具壽命。

軋制速度的控制非常重要，TP110-SUP13Cr材質(zhì)的變形抗力大，軋機(jī)速度較快，金屬變形速率大，連軋主電機(jī)所承受的扭矩較高，對(duì)連軋?jiān)O(shè)備的壓力增大，容易造成設(shè)備故障，甚至引發(fā)連軋主機(jī)保護(hù)性跳電停機(jī)，生產(chǎn)TP110-SUP13Cr薄壁油管時(shí)，連軋出口速度按2．5～3．5 m/s控制。限動(dòng)速度過(guò)快，限動(dòng)扭矩波動(dòng)性增大，容易發(fā)生芯棒脫離，引發(fā)抱棒；限動(dòng)速度過(guò)小，限動(dòng)力增大，容易發(fā)生襯瓦失效，生產(chǎn)時(shí)控制限動(dòng)速度在0．4～0．8 m/s，可有效平衡限動(dòng)扭矩的大小與穩(wěn)定性，提高軋制成功率。圖6為相同出口速率、不同限動(dòng)速度下的連軋軋制力圖，限動(dòng)速度的不同對(duì)連軋軋制力影響不大；圖7為相同出口速率、不同限動(dòng)速度下的連軋、限動(dòng)扭矩圖，限動(dòng)速度為0．4 m/s時(shí)的限動(dòng)扭矩比0．6 m/s時(shí)平均值增加27%，但限動(dòng)扭矩波動(dòng)性減小，軋制穩(wěn)定性明顯提高。同時(shí)，為確保脫管順利，可將脫管機(jī)的速度提高1%～3%。

軋制時(shí)共使用6支TP110-SUP13Cr專用芯棒，連軋后荒管名義規(guī)格為?143.8 mm×5.80 mm。由于TP110-SUP13Cr遇冷水極易產(chǎn)生裂紋，連軋過(guò)程中，除連軋機(jī)架、脫管機(jī)架開(kāi)啟冷卻水外，連軋區(qū)域輥道、限動(dòng)床身、入口夾送輥以及連軋后巷道冷卻水均應(yīng)關(guān)閉，以防止大量冷卻水濺到鋼管表面致其開(kāi)裂，特別注意不使用連軋前的高壓水除鱗。

2.5 再加熱爐與張力減徑

為保證張力減徑工序中荒管的初始溫度均勻，進(jìn)而保證張減后油管質(zhì)量和性能穩(wěn)定，對(duì)TP110-SUP13Cr荒管采用再加熱爐快速入爐生產(chǎn)工藝。再加熱爐設(shè)定出爐溫度980℃，采用30 s穩(wěn)定連續(xù)出料方式進(jìn)行張力減徑加工。

使用24機(jī)架張力減徑機(jī)將出再加熱爐后的荒管軋制成目標(biāo)油管。使用?143.8 mm→?73.02 mm規(guī)格的張力減徑機(jī)架，控制終軋長(zhǎng)度36.6 m左右。熱軋張減之后油管的規(guī)格即為成品規(guī)格?73.02 mm×5.51 mm，無(wú)需后續(xù)冷加工。普通碳鋼材質(zhì)管坯投料后軋制成?73.00 mm×5.50 mm結(jié)構(gòu)管。張力減徑后，TP110-SUP13Cr材質(zhì)油管與普通碳鋼管在冷床雙排布料，做好人工標(biāo)志。生產(chǎn)時(shí)關(guān)閉張減前高壓除鱗水。

圖6 相同出口速度、不同限動(dòng)速度時(shí)的連軋軋制力對(duì)比

圖7 相同出口速度、不同限動(dòng)速度時(shí)的連軋、限動(dòng)扭矩對(duì)比

3 產(chǎn)品指標(biāo)

通過(guò)上述熱軋工藝方法軋制生產(chǎn)的TP110-SUP13Cr材質(zhì)?73.02 mm×5.51 mm薄壁油管，軋制后空冷即得到馬氏體組織，需及時(shí)進(jìn)行熱處理或去應(yīng)力退火。實(shí)物產(chǎn)品經(jīng)空氣淬火、高溫回火后，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足公司內(nèi)控工藝要求，其中,屈服強(qiáng)度≥758 MPa，抗拉強(qiáng)度≥862 MPa，硬度≤32 HRC，晶粒度符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)，在天津鋼管集團(tuán)有限公司技術(shù)中心進(jìn)行的取樣壓扁試驗(yàn)測(cè)試和抗CO2腐蝕試驗(yàn)測(cè)試中，壓扁量72.37%時(shí)油管無(wú)破裂，在模擬CO2腐蝕介質(zhì)下試驗(yàn)，管材的腐蝕速率指標(biāo)合格。

經(jīng)人工檢測(cè)，軋制的TP110-SUP13Cr薄壁油管幾何尺寸滿足API標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼管的內(nèi)外表面質(zhì)量良好，熱處理后超聲波探傷合格率達(dá)90%以上。合格產(chǎn)品已在中國(guó)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司的“CO2收集與封存10萬(wàn)t示范井”項(xiàng)目中成功應(yīng)用。

4 小結(jié)

（1）天津鋼管集團(tuán)有限公司168新型鋼管廠自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的151孔型，通過(guò)采用小口徑管坯，減小總延伸系數(shù)的設(shè)計(jì)方法，成功實(shí)現(xiàn) TP110-SUP13Cr薄壁油管的穩(wěn)定熱軋生產(chǎn)。

（2）采用與普通碳鋼混合軋制的生產(chǎn)工藝，減輕工具粘鋼，提高內(nèi)外表面質(zhì)量；采用850℃以下預(yù)熱保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間，之后快速升溫至目標(biāo)溫度的專用管坯加熱制度，實(shí)現(xiàn)TP110-SUP13Cr管坯的充分加熱；合理調(diào)整穿孔輥距、導(dǎo)距、頂前壓下率，采用較小的咬入角、較低的金屬變形速度，有效避免軋卡和毛管分層；使用專用芯棒，控制連軋出口速度，合理設(shè)定限動(dòng)速度，平衡限動(dòng)扭矩的大小與穩(wěn)定性，提高軋制成功率。

（3）本文采用的方法實(shí)現(xiàn)了TP110-SUP13Cr薄壁油管的穩(wěn)定熱軋生產(chǎn)，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，已在實(shí)際工程項(xiàng)目中成功應(yīng)用。

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Hot Rolling Production of TP110-SUP13Cr Thin Wall Oil Casing

DING Wei,SUN Qiang,LIANG Hai-quan and DING Hong-jun
(The Second Division of Pipe Rolling Department,Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

The hot rolling production approach for TP110-SUP13Cr thin wall oil casing by 168PQF mill is introduced．151 pass was adopted to reduce rolling force and total elongation coefficient．Mixed rolling with carbon steel was applied to alleviate the sticking on the tool and to improve internal and external surface quality．Specified billet heating system was adopted to realize thorough heating of the billet．Process parameters for piecing and continuous rolling were adjusted reasonably to effectively avoid rolling block and blank pipe lamination and to lift rolling stability．

SUP13Cr;high alloy;thin wall;seamless steel pipe;hot rolling

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．010

2013-09-05

2013-09-29

丁煒（1985—），男，碩士，工程師，主要從事無(wú)縫鋼管生產(chǎn)工藝與理論研究工作。