热轧无缝钢管课程设计.doc
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1、装订线热轧无缝钢管工艺设计-石油管 目 录1 钢管生产概论 1.1钢管的分类 1.2钢管的标准及技术要求2 机组设备的主要技术参数3 生产工艺流程及工艺制度 3.1生产工艺 3.1.1工艺流程总图 3.1.2 生产工艺流程简述 3.2工艺制度 3.2.1温度制度 3.2.2孔型系列及变形制度 3.3技术规程 3.3.1管坯准备 3.3.2管坯加热 3.3.3管坯穿孔 3.3.4空心坯减径 3.3.5钢管连轧 3.3.6再加热 3.3.7张力减径 3.3.8冷床 3.3.9锯切4 轧制表计算5 连轧孔型设计 5.1孔型设计的基本参数及变形量表示法 5.1.1简述 5.1.2变形分配 5.1.3孔
2、型结构的选择 5.1.4确定孔型结构参数 5.2轧管机力能参数计算 5.2.1已知的基本参数 5.2.2轧件对轧辊的作用力P1 钢管生产概论1.1钢管的分类凡是两端开口并具有中空断面,而且其长度与断面周长之比较大的钢材,都可以称为钢管。钢管是一种经济钢材,是钢铁工业中的一项重要产品,通常占全部钢材总量的10左右,它在国民经济中的应用范围极为广泛。由于钢管具有空心断面,因而最适合作流体的输送管道;同时与相同重量的圆钢比较,钢管的断面系数大、抗弯抗扭强度大,而成为各种机械和建筑结构上的重要材料,尤其在石油钻采、冶炼和输送需用最多,其次地址钻探、化工、建筑工业、机械工业、飞机和汽车制造、以及锅炉、医
3、疗器械、家具和自行车等方面,都需要大量的各种钢管。近年来,随着原子能、火箭、导弹和航天工业等新技术的发展,使钢管在国防工业、科学技术和经济建设中的地位愈加重要,有着工业“血管”之称。总的就用途来说,管道用管最多,结构次之。钢管的种类繁多,用途不同,则技术要求各异,生产方法亦有所不同。目前生产的钢管外径由0.14500毫米、壁厚为0.01250毫米。为了区分其特点,通常按如下的方法对钢管进行分类:按生产方式分:钢管分为无缝管和焊管两大类,无缝钢管又可分为热轧管、冷轧管、冷拔管和挤压管等;冷拔、冷轧是钢管的二次加工;焊管分为直缝焊管和螺旋焊管等。按钢管的断面形状分:按横断面形状可分为园管和异形管;
4、异形管有:矩形管、菱形管、椭圆管、六方管、八方管以及各种断面不对称管等;按纵断面形状可分为等断面管和变断面管;变断面管有锥形管、阶梯形管和周期断面管等。按钢管的材质分:钢管分为普通碳素钢管、炭素结构钢管、合金结构管、合金钢钢管、轴承钢管、不锈钢管以及为节省贵重金属和满足特殊要求的双金属复合管、镀层和涂层管等。按管端形状分:根据管端状态可分为光管和车丝管(带螺纹钢管)。车丝管又可分为普通车丝管(输送水、煤气等低压用管,采用普通圆柱或圆锥管螺纹连接)和特殊螺纹管(石油、地质钻探用管,采用特殊螺纹连接,对于重要的车丝管),对一些特殊用管,为弥补螺纹对管端强度的影响,通常在车丝前先进行管端加厚(内加厚
5、、外加厚或内外加厚)。按外径(D)和壁厚(S)之比(D/S)的不同将钢管分为特厚管(D/S10)、厚壁管(D/S1020)、薄壁管(D/S2040)和极薄壁管(D/S40)。按用途分:油井管(套管、油管及钻杆等)、管线管、锅炉管、机械结构管、液压支柱管、气瓶管、地质管、化工用管(高压化肥管、石油裂化管)、船舶用管等。1.2钢管的标准及技术要求1)对钢管尺寸偏差的要求根据国标GB/T17395-2003无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差对尺寸偏差的要求,可分为标准化和非标准化两种,四个等级,其具体参数要求如表1-1和表1-2所示。表1-1 外径允许偏差标准化外径允许偏差非标准化外径允许偏差偏差等
6、级外径允许偏差偏差等级外径允许偏差/%D11.5%,最小0.75mmND1-1.50+1.25D21.0%,最小0.50mmND21.25D30.75%,最小0.30mmND3-1.0+1.25D40.50%,最小0.10mmND40.8表1-2 壁厚允许偏差标准化壁厚允许偏差偏差等级壁厚允许偏差0.10.050.10.025159mm为1015mm。表1-3 全长允许偏差全长允许偏差等级全长允许偏差/mm全长允许偏差等级全长允许偏差/mmL1020L305L20103)对钢管外形的要求根据国标GB/T173952003无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差对钢管外形尺寸的要求,包括弯曲度、椭圆度
7、。(1)弯曲度钢管的弯曲度分为全长弯曲度和每米弯曲度两种。(a)对钢管全长测得的弯曲度称为全长弯曲度,全长弯曲度分为5级,如表1-4所示。表1-4 全长弯曲度弯曲度等级全长弯曲度/%弯曲度等级全长弯曲度/%不大于不大于E10.20E40.08E20.15E50.06E30.10(b)对钢管每米长度测得的弯曲度称为每米弯曲度,每米弯曲度分为5级,如表1-5所示。表1-5 每米弯曲度弯曲度等级每米弯曲度/弯曲度等级每米弯曲度/不大于不大于F13.0F41.0F22.0F50.5F31.5(2)椭圆度钢管的椭圆度分为4级,如表1-6所示。表1-6 钢管的椭圆度椭圆度等级椭圆度不大于外径允许偏差/%椭
8、圆度等级椭圆度不大于外径允许偏差/%NR180NR360NR270NR4504)对钢管重量的要求根据国标GB/T173952003无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差对钢管重量的要求,钢管可按实际重量交货,也可按理论重量交货。实际重量交货分为单根重量或每批重量两种。钢管每米的理论重量(kg)按下面的公式计算: (1-1)式中 钢管的理论重量,kg/m; 钢的密度,kg/dm3; 钢管的公称外径,mm; 钢管的公称壁厚,mm。 (1)按照理论重量交货的钢管,单根钢管理论重量与实际重量的允许偏差分为5级,如表1-7所示。表1-7 重量允许偏差重量允许偏差等级单根钢管重量允许偏差/%重量允许偏差等级单
9、根钢管重量允许偏差/%W110W4-3.5+10W27.5W5-3.5+6.5W3-5+10(2)按理论重量交货的钢管,每批不小于10t钢管的理论重量与实际重量允许偏差为7.5%或5%。 5)管线管、油管和套管的主要技术要求(1)目前国内外广泛使用的油气输送钢管采用的标准目前国内外广泛使用的油气输送钢管采用的标准有:A 美国石油学会的API SPEC 5L管线管规范;B 国际标准ISO 31831、2、3石油天然气 输送钢管 交货技术条件;C 对于一些重要的长输管线,根据具体的使用环境都有自己的补充采购技术条件。(2)在API油气输送钢管标准中钢管的分类及其主要区别按照API SPEC 5L的
10、规定,输送钢管分为PLS1和PLS2两个产品级别,对这两类产品规定了不同的技术条件。其主要区别是:相对于PLS1、PLS2级别对碳当量、断裂韧性、最大屈服强度和最大抗拉强度规定了强度要求。对硫、磷等有害元素的控制也更加严格。无缝钢管的无损检验成为强制要求。对质保书必须填写的内容及试验完成后可追溯性成为强制要求。(3)在ISO油气输送钢管标准中钢管的分级及其主要区别在ISO 3183油气输送钢管标准中,钢管按照质量要求之间的差异,共分为A、B、C三部分,也被称为A、B、C三级要求。其主要区别是:在ISO 31831A级标准要求中制定了与API SPEC 5L的规定相当的基本质量要求,这些主要的质
11、量要求是通用的;在ISO31832B级标准要求中除基本要求之外附加了有关韧性和无损检验方面的要求;还有某些特殊用途,例如酸性环境、海洋条件及低温条件等对钢管的质量和试验有着非常严格的要求,这些主要反映在ISO 31833C级标准要求中。(4)油气输送管道对钢的主要性能要求油气输送管道对钢的主要性能要求包括:(a)强度 一般的油气输送管道都是根据钢材的屈服强度设计的。采用屈服强度较高的钢制管,可以提高管道工作压力,获得较好的经济效应。因此,管道用钢的屈服强度已经从最初的碳素钢逐步发展起来,20世纪40年代为X42X52钢级,60年代末达到X60X70钢级。现已正式生产和正式使用屈服强度已达到更高
12、的X80X100钢级。(b)韧性 20世纪50年代和60年代,世界许多地区都发生过油气管道的破裂事故,通过对这些事故的分析,大大促进了人们对管道韧性指标的认识。API 5L规定,除常规的机械性能检验外,生产厂还应按SR5和SR6补充要求进行V形缺口夏比冲击试验和落锤撕裂试验(即DWTT),钢管出厂前应进行严格的无损检验。尽管如此,对于长输管道来说,要完全避免破裂是困难的,还必须着眼于裂纹失稳扩展的阻止。研究表明,可以用控制DWTT值的办法达到止裂。为此,世界许多国家对管道钢规定了DWTT试验的断口剪切面积百分比的最低值。(c)可焊性 由于野外敷设管道的现场条件恶劣,钢管对接焊接时要求有良好的可
13、焊性。可焊性差的钢管在焊接时易在焊缝处产生裂纹,并造成焊缝及热影响区硬度增高、韧性下降,增加管道破裂的可能性。钢材可焊性设计原则是对马氏体转变点及淬硬性的控制。根据合金元素对马氏体转变点的影响和实际经验确定的碳当量计算公式,可用来评定钢的可焊性。普通采用的碳当量公式为: (1-2)一般控制在0.40%以下。实际上,大多数钢厂均控制在0.35%以下。(d)延展性 如果延展性不足,会导致冷弯成形过程钢板劈裂或在焊接过程产生层状撕裂。因此,API标准对管道焊管除规定进行压扁试验外,还要求进行导向弯曲试验。提高延展性的关键是减少钢中非金属夹杂物并控制夹杂物的形态和分布。(e)耐腐蚀性 在输送含硫油气时
14、,管道内壁接触硫化氢和二氧化碳,从而导致氢脆和应力腐蚀破裂。一般采用降低钢的含硫量、控制硫化物形态、改善沿壁厚方向的韧性等措施。其主要特点是通过微合金化和控制轧制,在热轧状态下获得高强度、高塑性、高韧性和良好的可焊性。为了全面满足石油天然气输送管道对钢的性能要求,除了严密的合金设计外,对硫、磷等有害元素的控制也非常严格。一般含硫量控制在0.010%以下,以提高钢的塑性、韧性,特别是横向韧性。(5)石油专用管中的油管和套管在API标准中的分类石油专用管中的油管和套管在API标准中的分类如表1-8 所示。表1-8 石油专用管中的油管和套管在API 5CT标准中的分类组别钢级类型制造方法热处理最低回
15、火温度/1234561H40S或EWNoneJ55S或EWNoneK55S或EWN、NTN801S或EWN、NTN80QS或EWQT2M65S或EWN、NT、QTL801S或EWQT566L809CrSQT593L8013CrSQT593C901SQT621C902SQT621C95S或EWQT538T951SQT649T952SQT6493P110S或EWQT4Q1251S或EWQTQ1252S或EWQTQ1253S或EWQTQ1254S或EWQT注:S无缝管;EW焊管;N正火;QT淬火+回火;NT正火+回火;None无须热处理。在API 5CT标准中套管和油管分为4组、19个钢级。按照制造
16、方法,又分为无缝钢管和焊管两大类。除L80-9Cr、L80-13Cr、C90-1、C90-2、T95-1、T95-2等6钢级限定使用无缝钢管外,其他钢级不仅可以使用无缝钢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,而未规定其他化学成分。对第2组和第4组共12个钢级规定了化学成分要求。(6)油管和套管的钢级表达的具体含义在API SPEC 5CT标准中,套管和油管的钢级标明其
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