在管材的標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了相應(yīng)的力學(xué)性能、物理性能、使用性能及工藝性能等指標(biāo)，根據(jù)鋼級(jí)的不同，各項(xiàng)性能指標(biāo)均有較大的差別。力學(xué)性能包括：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、沖擊功、硬度等；物理性能主要指晶粒度。使用及工藝性能包括：抗擠毀試驗(yàn)、壓扁及擴(kuò)口試驗(yàn)、抗硫化氫及抗二氧化碳腐蝕試驗(yàn)等。

一、鋼管在步進(jìn)式爐內(nèi)加熱的優(yōu)點(diǎn)

步進(jìn)式加熱爐是鋼管熱處理生產(chǎn)線應(yīng)用最多的爐型，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

  1. 產(chǎn)量高  最高小時(shí)產(chǎn)量可達(dá)50噸以上，步進(jìn)爐是一種連續(xù)生產(chǎn)的爐型，操作可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可處理的鋼管尺寸范圍也較寬；

  2. 升溫快  步進(jìn)爐使用的是氣體或液體燃料，對(duì)鋼管的傳熱方式為對(duì)流及輻射，鋼管在爐內(nèi)呈“架空”狀態(tài)均勻分布在布料梁（固定梁）上；

  3. 鋼管溫度均勻  其出爐時(shí)全長溫度均勻性可達(dá)到±5℃,這是由于鋼管在爐內(nèi)的布料梁上呈“架空”狀態(tài)進(jìn)行加熱，而且鋼管每前進(jìn)一步可以轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度；

  4. 變形小  由于鋼管在爐內(nèi)的加熱方式較為理想，溫度均勻，因此，鋼管出爐時(shí)，無論是彎曲度還是橢圓度均較小，為淬火等冷卻工序創(chuàng)造了條件；

  5. 操作方便  可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，鋼管在爐內(nèi)的加熱情況及燒嘴的工作狀態(tài)便于觀察，為及時(shí)調(diào)整創(chuàng)造了條件。

二、淬火及正火工藝加熱溫度的確定

  一般用“合金結(jié)構(gòu)鋼”制造的鋼管可以進(jìn)行淬火處理，如石油專用管中的套管、油管、鉆桿、管線管；高壓鍋爐管、高壓化肥及用戶要求具有較高綜合力學(xué)性能的鋼管等品種。

“合金結(jié)構(gòu)鋼”為亞共析鋼，淬火及正火的加熱溫度也就是鋼的奧氏體化溫度，制定原則也是Ac3+30~50℃.但考慮到提高鋼的淬透性及減少加熱時(shí)間，采用較高溫度為好，即Ac3+50℃作為鋼管的奧氏體化溫度。這里提到的溫度是指鋼管的實(shí)際溫度，而熱電偶在爐膛內(nèi)的測(cè)溫點(diǎn)多在鋼管的上方，而在燃料爐的爐膛內(nèi)，上部溫度高于下部溫度，為了保證鋼管的實(shí)際溫度達(dá)到預(yù)定要求，爐子的設(shè)定溫度應(yīng)略高于預(yù)定的奧氏體化溫度。

  步進(jìn)式加熱爐在爐子長度方向上一般分布有2~3排燒嘴，我們可稱之為保溫段、加熱段，而每一段又分為幾個(gè)區(qū)，每一區(qū)包括幾個(gè)燃燒器（燒嘴）。為了提高加熱效率，可以根據(jù)鋼管的外徑適當(dāng)提高加熱區(qū)的設(shè)定溫度。

三、熱處理線上的高壓水除鱗

  在鋼的熱加工工序過程中，鋼件表面將隨著加熱溫度的高低及時(shí)間的長短而產(chǎn)生不同程度的氧化，并形成厚度不同的氧化皮。為了提高鋼管表面質(zhì)量及尺寸精度，在鋼管的熱軋過程中，均采用高壓水除鱗工序以去掉氧化皮。

  在熱處理加熱過程中，同樣也會(huì)在鋼管表面形成氧化皮，增加高壓水除鱗工序有以下優(yōu)點(diǎn)：

  1. 同軋制工序一樣，高壓水除鱗工序可以顯著改善鋼管表面質(zhì)量；

  2. 鋼管經(jīng)除鱗清除氧化皮后，淬火時(shí)鋼管冷卻均勻、熱量交換加快，可以起到減少鋼管淬火變形、提高冷卻速度的功效；

  3. 鋼管在熱處理后的矯直過程中，鋼管對(duì)矯直輥會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，并造成輥型磨損，在鋼管表面存在氧化皮的情況下會(huì)加快磨損過程，而除鱗就可以減輕輥型磨損；

  4. 鋼管熱處理后均需進(jìn)行無損檢測(cè)，如果表面存在氧化皮將影響探傷效果，嚴(yán)重時(shí)探傷將無法進(jìn)行，而除鱗工房則可避免這一情況的發(fā)生。

四、淬火方式、淬火劑的選擇

  選擇鋼管淬火方式主要考慮兩個(gè)因素，首先鋼管淬火時(shí)冷卻速度能夠保證得到預(yù)期的淬火組織；其次鋼管淬火時(shí)冷卻均勻，變形要小，以保證后續(xù)工序能夠正常進(jìn)行。

  目前鋼管熱處理多以水為淬火劑，這是因?yàn)樵诖慊鸾橘|(zhì)中，水最為經(jīng)濟(jì)、安全，對(duì)環(huán)境無污染。但是，由于水的冷卻速度較快，鋼管淬火時(shí)容易發(fā)生變形，鋼管變形嚴(yán)重時(shí)因無法進(jìn)行下道工序而報(bào)廢。所以，在選擇淬火方式時(shí)既要使鋼管達(dá)到淬火要求，又要將變形控制在允許范圍內(nèi)。

  根據(jù)上面的分析，首先鋼管以旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行淬火最為理想，同時(shí)進(jìn)行內(nèi)外冷卻。內(nèi)冷以噴嘴將水噴入管內(nèi)，水的流速以不小于10m/s為佳。外冷采用噴淋或浸入淬火槽內(nèi)均可，但淬火槽內(nèi)也必須有攪動(dòng)噴管?？傊?，鋼管的淬火應(yīng)該是冷卻能力達(dá)到要求，冷卻盡量均勻，這是選擇淬火方式的指導(dǎo)思想。

  理想的淬火劑是在高溫區(qū)時(shí)冷卻速度快些，以避免奧氏體發(fā)生分解，提高鋼的淬透性；在低溫區(qū)時(shí)冷卻速度慢些，以降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的組織應(yīng)力，減少變形或開裂。理想的淬火劑是不存在的，但對(duì)淬火劑的選用時(shí)應(yīng)考慮這兩方面的因素。

  淬火劑的選擇應(yīng)根據(jù)鋼管的品種、技術(shù)條件要求及鋼的成分等多方面因素進(jìn)行考慮。以石油管材為例，高鋼級(jí)（強(qiáng)度）的鋼管進(jìn)行熱處理采用的是調(diào)質(zhì)工藝，即淬火加高溫回火。鋼種多選用含碳量偏低的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，鋼管的有效厚度（壁厚）基本一致，淬火時(shí)各處的應(yīng)力分布狀態(tài)差異較小，引起開裂的危險(xiǎn)性也相對(duì)低些，因此，可以優(yōu)先選用水為淬火劑。

  水的優(yōu)點(diǎn)是冷卻速度快，可以提高鋼的淬透性，在用鋼上可以減少合金含量，降低生產(chǎn)成本。另外用水作淬火劑，在生產(chǎn)上安全、經(jīng)濟(jì)。同樣因水的冷卻速度快，造成鋼管變形大，并且在鋼管表面存在某些缺欠的情況下，淬火時(shí)會(huì)擴(kuò)展為缺陷而報(bào)廢。

  如果鋼中的含碳量較高，淬火時(shí)為了減少變形或開裂，應(yīng)選用冷卻速度較慢的快速淬火油或者水基淬火液為淬火劑。

五、淬火油及水基淬火液的特點(diǎn)

 淬火中使用淬火油及水基淬火液各有其特點(diǎn)。

  1. 淬火油及水基淬火液的共同點(diǎn)是冷卻速度較慢，特別是低溫區(qū)，對(duì)減少或避免鋼管變形及開裂極為有利。

  2. 溫度對(duì)淬火油的冷卻速度影響較小，而對(duì)水基淬火液的冷卻速度影響較大，即隨著溫度的提高冷卻速度下降。

  3. 淬火油的冷卻速度不能調(diào)整，而水基淬火液的冷卻速度可通過濃度及溫度的調(diào)整而改變，靈活性較大。

  4. 在安全生產(chǎn)方面，淬火油存在火災(zāi)隱患，而水基淬火液無火災(zāi)隱患。

  5. 在環(huán)保等方面，淬火油對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及大氣造成污染，并影響人體健康，而水基淬火液不存在上述問題。

六、淬火時(shí)產(chǎn)生的變形分析

  鋼管在熱處理淬火時(shí)均采取水平方式，鋼管各部位的冷卻速度很難達(dá)到均勻一致，這就不可避免產(chǎn)生淬火變形。鋼管變形主要為彎曲度和橢圓度增大，其中彎曲可表現(xiàn)為整體彎曲（大彎）、“蛇形彎”和管端彎曲，其中前兩種彎曲可通過斜輥矯直機(jī)得以矯育，而管端彎曲在矯直時(shí)很難達(dá)到理想的效果，需要用壓力機(jī)進(jìn)行矯直。因此，淬火時(shí)應(yīng)盡量避免或減少變形。

 鋼管淬火時(shí)變形的根本原因是鋼管各部位冷卻不均勻，在鋼管內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，致使鋼管產(chǎn)生變形。以下幾方面的因素是淬火變形的基本原因：

  1. 原料的尺寸不理想，如壁厚偏差過大，或者彎曲及橢圓度較大等，其中壁厚偏差過大是影響淬火變形的主要因素；

  2. 鋼管加熱溫度不均，或者淬火前鋼管就存在變形情況；

  3. 為了使淬火內(nèi)噴水冷卻均勻，應(yīng)使水在鋼管內(nèi)達(dá)到一定的流速，而這是需要由供水量來保證的，也就是說要有足夠的內(nèi)噴水量；

  4. 鋼管的外部冷卻不均勻，如鋼管淬火時(shí)固定不動(dòng)，則鋼管外部不同方位的冷卻速度就會(huì)有差別，即冷卻不均勻而產(chǎn)生變形，為了減少外部冷卻不均勻，目前廣泛采用鋼管旋轉(zhuǎn)淬火方式。

七、回火工藝

  回火工藝參數(shù)主要指的是回火溫度及保溫時(shí)間，它決定了鋼管熱處理后的性能指標(biāo)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)及用戶的要求。

  對(duì)于石油管材而言，力學(xué)性能中的屈服強(qiáng)度有一個(gè)范圍，因此，制定的回火溫度應(yīng)使屈服強(qiáng)度達(dá)到中限為目標(biāo)，這樣，當(dāng)化學(xué)成分及回火溫度略有偏差時(shí)屈服強(qiáng)度仍能在規(guī)定的范圍內(nèi)。在API5CT中，第二組中的鋼級(jí)其屈服強(qiáng)度范圍較窄（103MPa),如果屈服強(qiáng)度的目標(biāo)值不按中限進(jìn)行控制，則生產(chǎn)中在某些情況下就有可能超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

  回火保溫時(shí)間對(duì)性能也有較大的影響，一般情況下回火保溫時(shí)間應(yīng)保證組織轉(zhuǎn)變完全、性能穩(wěn)定。生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的性能要求、鋼的化學(xué)成分及回火爐的技術(shù)參數(shù)等通過試驗(yàn)來確定。

八、熱處理后鋼管的精整

  由于熱處理后的鋼管容易發(fā)生變形，故需要對(duì)其做進(jìn)一步的精整。

  在某些鋼管的熱處理生產(chǎn)線上，在回火爐出料口處設(shè)置定徑機(jī)對(duì)鋼管進(jìn)行定徑。定徑的主要作用有兩個(gè)：一是保證鋼管外徑的幾何尺寸精度；二是保證鋼管具有較小的橢圓度，這對(duì)于需要進(jìn)行螺紋加工的套管及油管十分有利，為保證螺紋質(zhì)量創(chuàng)造了條件。

  鋼管在熱處理后會(huì)發(fā)生變形，即彎曲及橢圓度增大，難以達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及后道工序的要求，因此，矯直工序必不可少。矯直工序可以消除或減輕這種變形，使產(chǎn)品的彎曲度及橢圓度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

  常用的鋼管矯直機(jī)為斜輥矯直機(jī)及壓力矯直機(jī)，斜輥矯直機(jī)效率高、矯直效果好，不僅使鋼管的彎曲得到矯直，而且可以改善鋼管的橢圓度。但斜輥矯直機(jī)對(duì)鋼管的端部彎曲（鵝頭彎）矯直效果不理想，通常需用壓力矯直機(jī)進(jìn)行矯直。

  對(duì)斜輥矯直機(jī)而言，鋼管只有在彎曲及壓扁的條件下才能達(dá)到矯直效果。影響鋼管矯直質(zhì)量的參數(shù)為各輥的壓下量、下中間輥的撓度、矯直溫度、鋼管的鋼種、規(guī)格及矯直速度等。

  鋼管由彎到直的矯直過程實(shí)際上是一個(gè)彈塑性變形過程，而變形力必須達(dá)到或超過鋼管的的才能產(chǎn)生塑性變形。在熱處理線上矯直機(jī)通常布量在回火爐后面，鋼管出回火爐溫度略加調(diào)整即進(jìn)行矯直，稱之為“熱矯”或“溫矯”。

  鋼的強(qiáng)度隨溫度的提高而降低，而不同的鋼種同一溫度時(shí)強(qiáng)度差別也較大。所以，在調(diào)整矯直機(jī)時(shí)，各輥的壓下量及中下輥的撓度因鋼種及矯直溫度的不同而有所區(qū)別。例如：Mn 系列鋼種同Cr-Mo系列鋼種相比，由于Cr-Mo系列鋼種的高溫強(qiáng)度高于Mn系列鋼種，因此，Cr-Mo系列鋼種的壓下量及中下輥的撓度要大于Mn系列鋼種。同樣，低溫或冷矯時(shí)壓下量及撓度要大于“熱矯”。也就是說，鋼種、矯直溫度是調(diào)整矯直機(jī)參數(shù)的重要依據(jù)。此外，鋼管的規(guī)格也是需要考慮的因素，通常的做法是隨著規(guī)格的減小壓下量及撓度加大。矯直速度隨著鋼管規(guī)格的增大而降低。

  另外，各輥的壓下量是不同的，對(duì)六輥矯直機(jī)而言，前、后輥的壓下量遠(yuǎn)小于中間輥。同樣，鋼管與矯直輥的接觸弧線長度要合適，按1/2~3/4輥長進(jìn)行調(diào)整，中輥取上限，前、后輥取下限。

  總之，影響鋼管矯直的因素是多方面的，在實(shí)際應(yīng)用中要反復(fù)試驗(yàn)以取得寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并達(dá)到預(yù)期的效果。