无缝钢管加工详细教材1.docx

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无缝钢管加工详细教材1

目录

第一章钢管生产概论

1.1钢管的分类

1.2钢管的技术要求

1.2.1钢管生产的技术依据

1.2.2对钢管的尺寸偏差的要求

1.2.3对钢管的长度要求

1.2.4外形

1.2.5重量

1.2.6不同用途的钢管应各有什么样的技术条件

1.2.7我公司的主要产品管线管、油管和套管的主要技术要求

1.2.8钢管技术要求中常用术语

1.3钢管的主要生产方法

第二章热轧钢管生产工艺流程

2.1一般工艺流程

2.1.1穿孔

2.1.2轧管

2.1.3定减径（包括张减）

2.2各热轧机组生产工艺过程特点

2..2.1连续轧管机的几种形式

2.2.2三辊（斜）轧管机轧管

2.2.3各机组的异同

2.3轧钢的几种形式

2.3.1纵轧

2.3.2横轧

2.3.3斜轧

第三章管坯及管坯加热

3.1管坯准备

3.1.1管坯库

3.1.2管坯上料

3.1.3管坯锯切

3.2管坯加热

3.2.1环形炉简述

3.2.2炉子结构及辅助设备

3.2.3环形炉自动化系统（资料不全待定）

第四章穿孔

4.1二辊斜轧穿孔机及穿孔过程

4.2斜轧穿孔运动学

4.2.1两辊穿孔机运动学

4.3穿孔的咬入条件

4.3.1一次咬入条件

4.3.2二次咬入条件

4.4孔腔形成机理

4.5斜轧穿孔时的金属变形

4.5.1管坯受力情况

4.5.2金属变形

4.6穿孔工具及设计

4.6.1轧辊

4.6.2导盘

4.6.3导板

4.6.4顶头

4.7穿孔机调整参数确定

4.8其他穿孔方法

4.8.1压力穿孔

4.8.2推轧穿孔

4.8.3斜轧穿孔

4.9力能参数的计算

4.9.1轧制力

4.9.2顶头轴向力的确定

4.9.3斜轧力矩计算

4.10穿孔机的设备组成

4.10.1斜轧穿孔机的设备由哪几部分组成?

4.10.2主传动的方式及特点?

4.10.3管坯定心机的组成结构?

4.10.4穿孔机机座（牌坊）有哪几部分组成?

4.10.5导盘调整方式有哪几种?

4.10.6三辊定心的作用和结构?

4.10.7顶杆的冷却形式有哪些?

4.10.8顶头的使用方式有几种？

4.11常见工艺问题

4.11.1内折

4.11.2前卡

4.11.3中卡

4.11.4后卡（镰刀）

4.11.5链带

4.11.6壁厚不均

第五章毛管轧制

5.1限动芯棒连轧管机（MPM）

5.1.1工艺描述

5.1.2MPM连轧管机的设备结构、平面布置及相关技术参数

5.1.3MPM连轧管机组的工作原理和工艺控制

5.1.4主要设备及参数

5.1.5MPM连轧管机轧制工具

5.1.6MPM连轧机的孔型设计

5.1.7连轧机组在线检测系统

5.1.8常见生产事故

5.2PQF连轧机组（PremiumQualityFinishing）

5.2.1概述

5.2.2连轧工艺

5.2.3PQF主机说明

5.2.4脱管机说明

5.2.5芯棒循环系统

5.2.6工具准备与更换

5.2.7常见质量缺陷

5.2.8连轧基本理论

5.3新型Assel轧管机

5.3.1主要工艺设备

5.3.2主要调整参数

5.4其他热加工钢管的延伸方法

5.4.1自动轧管机轧管

5.4.2Accu-Roll轧管机轧管

5.4.3顶管机顶管

5.4.4挤压钢管

5.4.5周期轧管机（皮尔格轧管机）轧管

5.4.6热扩钢管

第六章钢管的再加热、定径与减径

6.1钢管空心轧制理论

6.1.1张减速度制度原理

6.1.2CARTAT系统介绍

6.2定径工艺

6.2.1工艺描述

6.2.2定径机的设备结构、平面布置及相关技术参数

6.2.3定径机组的工作原理和工艺控制

6.2.4操作及调整

6.2.5常见事故处理方法

6.2.6质量缺陷及控制要点

6.3张力减径工艺

6.3.1工艺概述

6.3.2设备参数及工艺数据介绍

6.3.3质量检查

6.3.4关于可调机架

6.3.5轧制之前的现场检查

6.3.6工具的准备和更换过程

6.3.7工艺控制参考

第七章轧制表的编制

7.1编制原则和程序

7.1.1编制原则

7.1.2编制轧制表的要求

7.1.3编制轧制表的步骤

7.1.4轧制表编制方法

7.2编制方法

7.3编制实例

第八章钢管的冷却和精整

8.2轧管厂精整管排锯

8.2.1精整锯切机组设备概述

8.2.2管排锯的切割过程及工艺控制要点

8.2.3常见切割缺陷的处理方法

8.3轧管厂精整矫直机

8.3.1精整矫直机组设备概述

8.3.2矫直机相关参

8.3.3矫直原理

8.3.4矫直机的矫直过程及工艺控制要点

8.3.5常见矫直缺陷的处理方法

8.3.6工具管理

8.4热处理

8.4.1前言

8.4.2热处理的定义和意义

8.4.3热处理基本原理

8.5无损检测

8.5.1无损探伤概论

8.5.2漏磁探伤

8.5.3涡流（ET）检测

8.5.4磁粉检测

8.5.5电磁超声

8.6人工检查

8.6.1检查程序

8.6.2热轧无缝钢管缺陷

8.7钢管的质量保

8.7.1质量保证的控制要点简述

8.7.2质量控制点

8.7.3工艺文件的编制与执行

8.7.4其它

第九章钢管的试验检测

9.1钢管的力学性能

9.1.1前言

9.1.2金属材料的力学性能

9.1.3管材工艺性能试验

9.2钢中的各种组织和夹杂物

9.2.1钢中的各种组织简介

9.2.2钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法

9.2.3金属平均晶粒度测定方法

9.3.1直读光谱仪

9.3.2碳硫分析仪

第一章钢管生产概论

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0.1～4500毫米、壁厚为0.01～250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；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、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/S≤10）、厚壁管（D/S＝10～20）、薄壁管（D/S＝20～40）和极薄壁管（D/S≥40）。

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钢管的技术要求

1.2.1钢管生产的技术依据

钢管的产品标准是现场组织钢管生产的技术依据，是钢管产品的考核标准，也是供需双方在现有生产水平下所能达到的一种技术协议。

一般国家和行业标准规定的内容如下：

1）品种，即钢管产品的规格标准。

规定了各种钢管产品应具有的断面形状，单重，几何尺寸及其允许偏差等。

2）技术条件，即钢管产品的质量标准（或性能标准）。

规定了钢管产品的化学成分、机械性能、工艺性能、表面质量以及其他特殊要求。

3）验收规规则和试验方法，即钢管产品的检验标准。

规定了检查验收的规则和做试验时的取样部位。

同时还规定了试样的形状尺寸、试验条件及试验方法。

4）包装、标志和质量证明书，即钢管产品的交货标准。

规定了成品管交货验收时的包装要求、标志方法及填写质量证明书等。

有些专用钢管需要按照国际或国外先进标准组织生产，如石油专用管（如套管、油管、钻杆和管线管等）按照API标准，锅炉管按照ASME标准等。

1.2.2对钢管的尺寸偏差的要求

根据国标GB/T17395《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。

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

S/D

0.1

0.05

0.025

S/D≤0.025

S1

±15%，最小±0.6mm

S2

A

±12.5%，最小±0.4mm

B

+正偏差取决于重量要求

-12.5%

S3

A

±10%，最小±0.2mm

B

±10%

±12.5%，最小±0.4mm

±15%

C

+正偏差取决于重量要求-10%

S4

A

±7.5%，最小±0.15mm

B

±7.5%

±10%

±12.5%

±15%

S5

±5%，最小±0.10mm

非标准化壁厚允许偏差

偏差等级

壁厚允许偏差，%

NS1

+15

-12.5

NS2

+15

-10

NS3

+12.5

-10

NS4

+12.5

-7.5

注：

S是钢管公称壁厚，D是钢管公称外径。

表1-1外径允许偏差

标准化外径允许偏差

偏差等级

外径允许偏差

D1

±1.5%，最小±0.75mm

D2

±1.0%，最小±0.50mm

D3

±0.75%，最小±0.30mm

D4

±0.50%，最小±0.10mm

非标准化外径允许偏差

偏差等级

外径允许偏差，%

ND1

+1.25-1.50

ND2

±1.25

ND3

+1.25-1.0

ND4

±0.8

1.2.3对钢管的长度要求

根据国标GB/T17395《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》对钢管的长度要求，可分通常长度、定尺长度和倍尺长度。

1.2.3.1通常长度

钢管一般长度以通常长度交货。

通常长度应符合以下规定：

热轧管：

3000~12000mm

冷轧管：

2000~10500mm

热轧短尺管的长度不小于2　m，冷轧短尺管的长度不小于１m。

1.2.3.2定尺长度和倍尺长度

定尺长度和倍尺长度应在通常长度范围内，全长允许偏差分为三级．每个倍尺长度按以下规定留出切口余量：

外径≤159mm：

5~10mm;

外径>159mm：

5~10mm．

表1-3　全长允许偏差

全长允许偏差等级

全长允许偏差，mm

L1

0～20

L2

0～10

L3

0～5

1.2.4外形

根据国标GB/T17395《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。

1.2.4.1弯曲度

钢管的弯曲度分为全长弯曲度和每米弯曲度两种。

1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。

表1-4全长弯曲度

弯曲度等级

全长弯曲度，%

不大于

E1

0.20

E2

0.15

E3

0.10

E4

0.08

E5

0.06

2每米弯曲度

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

表1-5每米弯曲度

弯曲度等级

每米弯曲度，mm/m

不大于

F1

3.0

F2

2.0

F3

1.5

F4

1.0

F5

0.5

1.2.4.2椭圆度

钢管的椭圆度分为4级

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，%

NR1

80

NR2

70

NR3

60

NR4

50

1.2.5重量

根据国标GB/T17395《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》对钢管重量的要求，钢管按实际重量交货，也可按照理论重量交货。

实际重量交货可分为单根重量或每批重量两种。

钢管每米的理论重量按下面的公式计算：

W=0.003.1416ρ（D-S）

式中：

W--钢管的理论重量，kg/m；

ρ—钢的密度，kg/dm3；

D—钢管的公称外径，mm；

S--钢管的公称壁厚，mm。

1.2.5.1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。

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，%

W1

±10

W2

±7.5

W3

+10

-5

W4

+10

-3.5

W5

+6.5

-3.5

1.2.5.2按理论重量交货的钢管，每批不小于10吨钢管的理论重量与实际重量允许偏差

为±7.5%或±5%。

1.2.6不同用途的钢管应各有什么样的技术条件？

通常，按照钢管的用途及其工作条件的不同，应对钢管尺寸的允许偏差、表面质量、化学成分、机械性能、工艺性能及其他特殊性能等提出不同的技术条件。

一般无缝钢管用作输送水、气、油等各种流体管道和制造各种结构零件时，应对其机械性能如抗拉强度、屈服强度和伸长率作抽样试验。

输送管一般在承压的条件下工作，还要求做水压试验和扩口、压扁、卷边等工艺性能试验。

对于大型长输原油、成品油、天然气管线用钢管更是增加了碳当量、焊接性能、低温冲击韧性、苛刻腐蚀条件下应力腐蚀、腐蚀疲劳及腐蚀环境下强度等要求。

普通锅炉管用于制造各种结构锅炉的过热蒸汽管和沸水管。

高压锅炉管用于高压或超高压锅炉的过热蒸汽管、热交换器和用于高压设备的管道。

上述热工设备用钢管都在不同的高温高压的条件工作，应保证良好的表面状态、机械性能和工艺性能。

一般均要检验其机械性能，做压扁和水压试验，高压锅炉管还要求做有关晶粒度的检验以及更严格的无损检测。

机械用无缝钢管根据用途要求须有较高的尺寸精度、良好的机械性能和表面状态。

如轴承管要求较高的耐磨性、组织均匀和严格的内、外径公差。

除做一般的机械性能检验项目外，还要做低倍、断口、退火组织（球化组织、网状光、带状），非金属夹杂物（氧化物、硫化物、点状等）、脱碳层及其硬度指标等试验。

化肥工业用高压无缝钢管常在压力为2200~3200Mpa、工作温度为-40℃~400℃和腐蚀性的环境下输送化工介质（如合成氨、甲醇、尿素等）。

化肥工业用高压无缝钢管应具有较强的抗腐蚀性能、良好的表面状态和机械性能。

除做机械性能、压扁和水压试验外，应根据不同的钢种作相应的精简腐蚀试验、经理度和更严格的无损检测。

石油、地质钻探用钢管在高压、交变应力、腐蚀性的恶劣环境下工作，故应有高的强度级别，并能抗磨、抗扭和耐腐蚀等性能。

按照钢级的不同应做抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧性及硬度等试验。

对于石油油井用的套管、油管和钻杆，更是详细划分了钢级、类别，以及适用于不同环境、地质情况由用户自己选择的较高要求的附加技术条件，满足不同的特殊需求。

化工、石油裂化、航空和其他机械行业用的各种不锈耐热耐酸管除做机械性能与水压试验外，还要专门作晶间腐蚀试验，压扁、扩口及无损检测等试验。

1.2.7我公司的主要产品管线管、油管和套管的主要技术要求

1.2.7.1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：

（1）美国石油学会的APISPEC5L《管线管规范》，

（2）国际标准ISO3183－1、2、3《石油天然气输送钢管交货技术条件》，（3）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。

1.2.7.2在API油气输送钢管标准中钢管的分类及其主要区别

按照APISPEC5L的规定，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加严了要求。

无缝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。

1.2.7.3在ISO油气输送钢管标准中钢管的分级及其主要区别

在ISO3183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ISO3183–1A级标准要求中制定了与APISPEC5L的规定相当的基本质量要求，这些主要的质量要求是通用的。

在ISO3183–2B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ISO3183–3C级标准要求中。

1.2.7.4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是：

1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，获得较好的经济效益。

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，四十年代为X42~X52钢级，六十年代末达到X60~X70钢级。

现已正式生产和正式使用屈服强度更高的X80~X100钢级。

2韧性。

五十年代和六十年代，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。

API5L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型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，要完全避免起裂（Initiationoffracture）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。

3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，要求有良好的可焊性。

可焊性差的钢管焊接时易在焊缝产生裂纹，并使焊缝及热影响区硬度增加、韧性下降，增加管道破裂的可能性。

钢材可焊性设计原则实际上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，被用来评定钢的可焊性。

普遍采用的碳当量公式为：

Ceq一般应控制在0.40以下。

实际上，大多数钢厂均控制在0.35以下。

4延展性。

如果延展性不足，将导致冷弯成型过程钢板劈裂，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。

为提高延展性，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。

5耐腐蚀性。

输送含硫油气时，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，在热轧状态获得高强度、高塑性、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。

1.2.7.5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API5CT标准中分类为：

表1-8

组别

钢级

类型

制造方法

热处理

最低回火温度（℃）

1

2

3

4

5

6

1

H40

J55

K55

N80

N80

-

-

-

1

Q

S或EW

S或EW

S或EW

S或EW

S或EW

None

None

N、N&T

N、N&T

Q&T

-

-

-

-

-

2

M65

L80

L80

L80

C90

C90

C95

T95

T95

-

1

9Cr

13Cr

1

2

-

1

2

S或EW

S或EW

S

S

S

S

S或EW

S

S

N、N&T、Q&T

Q&T

Q&T

Q&T

Q&T

Q&T

Q&T

Q&T

Q&T

-

566

593

593

621

621

538

649

649

3

P110

-

S或EW

Q&T

-

4

Q125

Q125

Q125

Q125

1

2

3

4

S或EW

S或EW

S或EW

S或EW

Q&T

Q&T

Q&T

Q&T

-

-

-

-

S-无缝管；EW-焊管

N-正火；N&T-正火+回火；Q&T-淬火+回火

在API5CT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API5CT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。

1.2.7.6油管和套管的钢级表达的具体含义

在APISPEC5CT标准中，套管和油管的钢级标明其屈服强度和一些特殊的特征。

钢级标注通常用1个字母和2或3个数字表示，如N80。

在大多数情况下，按照字母在字母表中的顺序，越往后的字母，代表管子的屈服强度越大。

例如，N80一级钢材的屈服强度要比J55的大。

数字符号是以千磅每平方英寸表示的管材最小屈服强度来确定的。

例如：

N80钢级的最低屈服强度为80,000lb/in2。

APISPEC5CT标准列出的套管钢级有：

H40、J55、K55、N80、M65、L80、C90、C95、T59、P110、Q125