《第3章压力管道用金属管材制造.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章压力管道用金属管材制造.docx（41页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第三章 压力管道用金属管材第一节 无缝钢管无缝钢管是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条钢材，大量用作输送通道，被广泛应用于石油、电力、化工、煤炭、机械、军工和航空航天等行业，也是特种设备制造常用的原材料之一。近年来我国无缝钢管生产发展很快，已经成为世界无缝钢管生产第一大国，国内无缝管生产企业约300多家。目前国内部分企业已具有高水平的无缝钢管制造技术，并拥有世界先进的钢管制造设备，无缝钢管国产化率已接近90%，绝大部分品种、规格国内企业都可自己生产。其中热轧管产量约占中国无缝钢管总产量的80%，此外还有采用热轧穿孔后冷轧或冷拔工艺生产小规格的无缝钢管。现在中国无缝钢管技术装备种类、规格齐全，
2、拥有各类无缝钢管企业超过300家，其中能生产热轧成品管且工艺技术装备较完整的有20家左右，产能在900万吨左右。这类生产厂绝大多数为国有企业，技术装备先进，单线生产能力高，产品质量好，是无缝钢管生产的主导企业。还有一部分企业通过外购管坯加工无缝钢管或是为冷轧冷拔提供毛管或荒管坯料的中小企业，包括许多冷拔管企业，这类企业的设备比较简单，单线生产能力较低，产品以多规格小批量的产品为主。但目前我国还不是世界上的无缝钢管生产强国，部分高强度、耐高温/低温、高耐腐蚀或特殊用途的高附加值无缝钢管品种还不能满足国内需求，大量依赖进口。一、 制造工艺无缝钢管是采用热加工方法制造的不带焊缝的钢管，用钢锭或实心管
3、坯经穿孔制成毛管，然后由热轧、冷轧、冷拔和挤压管等加工工艺形成的最终产品。热轧工艺是无缝钢管的主要制造方法，占无缝管产量的80。热连轧管机组生产的无缝管的品种和质量水平，除轧机本身的技术水平外，在很大程度上受冶炼和连铸的制约。因此，无缝管先进的工艺流程应该包括冶炼至管加工的全流程。国际知名无缝管企业大都是完整的专业钢管厂或钢铁联合企业，而依靠外购管坯制造无缝管的企业，是很难在激烈的市场竞争中占稳阵地的。采用电弧炉或转炉冶炼一LF炉外精炼一VD真空处理一全保护浇注连铸圆管坯一热连轧机（NPN、PQF）一管加工一体化生产，是当今国际先进的无缝钢管生产工艺流程。采用上述工艺流程可以生产诸如石油专用管
4、、高压锅炉管、中低合金管等。目前，我国天津钢管公司、宝钢商贸（钢管）公司、鞍钢无缝厂、包钢无缝厂均已实现上述工艺流程。热轧生产设备主要有穿孔机、自动轧管机、均整机、定径机和减径机等组成。轧制工艺有自动轧管机组、连轧管机组、周期轧管机组和导盘轧管生产机组等多种类型。常用无缝钢管生产方法及适用范围见图3-1。图3-1常用无缝钢管生产方法及适用范围1穿孔。实心管坯经检查合格并清除表面缺陷后，截成所需长度，在管坯穿孔端端面上定心，然后送往加热炉加热到一定温度，在穿孔机上穿孔。在穿孔过程中，管坯不断旋转和前进，在轧辊和顶头的作用下，管坯内部逐渐形成空腔，穿孔后的管坯称为毛管，毛管再送至自动轧管机上继续轧
5、制，最后经均整机均整壁厚，经定径机定径，达到规格要求。在穿孔过程中，容易发生顶头损伤或失效，从而导致的无缝钢管内表面划痕、壁厚不均等，应对顶头进行实时检查。顶头的失效或损伤形式主要有：顶头鼻部厚度尺寸偏大时，因冷却不良会在顶头内腔挤压出一条圆条状的金属带，在轴向压力、旋转摩擦力以及高温等交变作用下，顶头产生裂纹、大的变形等。2自动轧管机组。把厚壁毛管轧成薄壁荒管。一般经23道次，轧制到成品壁厚，总延伸率约为1.82.2。70年代以来，用单孔槽轧辊、双机架串列轧机、双槽跟踪轧制和球形顶头等技术，都提高了生产效率，实现了轧管机械化。特点是在穿孔机上实现主要变形，规格变化较灵活，生产品种范围较广。由
6、于连续轧管技术的发展，已不再建造140mm以下的机组。3导盘轧管生产机组。又称狄塞耳（Diessel）法。穿孔后带长芯棒的毛管在导盘轧管机上轧成薄壁管材。轧机类似二辊斜轧穿孔机，只是固定导板改成主动导盘。由于用长芯棒生产，管材内壁光滑，且无刮伤；但工具费用大，调整复杂。主要用于生产外径150mm以下普通用途的碳素钢管。目前使用较少，也无很大的发展前景。4旋压管生产机组。将平板或空心毛坯在旋压机上经一次或多次旋压加工成薄壁管材。管子精度高，机械性能好，尺寸范围广，但生产效率低。主要用于生产有色金属管材，但也越来越多地用于生产钢管。旋压管材除用于生产生活器具、化工容器和机器零件外，多用于军事工业。
7、70年代，采用强力旋压法已能生产管径达6000mm、直径与壁厚之比达10000以上的大直径极薄圆管和异形管件。5周期轧管生产机组。以多边形和圆形钢锭或连铸坯作原料，加热后经水压穿孔成杯形毛坯，再经二辊斜轧延伸机轧成毛管，然后在带有变直径孔槽的周期轧管机上，轧辊转一圈轧出一段钢管（图3）。周期轧管机又称皮尔格尔（Pilger）轧管机。周期轧管生产是用钢锭作原料，宜于轧制大直径的厚壁钢管和变断面管。周期轧管方式具有锻造工艺的特点，其生产工艺的致命弱点是成材率低，在大直径、厚壁、异型和高合金无缝钢管生产方面有一定优势。周期轧管机组应发展以连铸圆坯为原料，采用直接穿孔工艺生产毛管，淘汰原工艺中的水压冲
8、孔机冲孔和盘式加热炉加热两道工序，并将现有的延伸机改造成菌式穿孔机。经周期轧管机轧制的钢管壁厚不均严重，需要对壁厚进行均整，以提高其精度。由于周期轧管机是以锻轧方式轧制的，因此对轧辊材质要求较高。若轧辊辊面硬度太低，易造成粘钢和磨损；若辊面太硬，又易出现龟裂，为保证轧辊在冷态下较合适的硬度及便于进行机加工，提高轧辊的红硬性十分重要。周期轧管机的辊缝控制较其他轧机困难。由于轧制时的冲击负荷作用，辊瓦磨损严重，因此辊缝在每轧1支钢管后均可能发生变化。所以，十分有必要在轧机出口侧实施过程壁厚控制，以保证钢管壁厚精度，减少壁厚偏移。为减少钢管表面的麻面或麻坑，除控制加热参数外，还需对钢锭、延伸坯和荒管
9、的表面进行除鳞。6连续轧管生产机组。生产设备由穿孔机、连续轧管机、张力减径机组成，有全浮动芯棒连轧、半浮动芯棒连轧和限动芯棒连轧等三种形式。圆坯穿成毛管后插入芯棒进行连轧，再加热后进行张力减径。这种机组的特点是适于生产外径168mm以下钢管，设备投资大，装机容量大，芯棒长达30m，加工制造复杂。70年代后期出现的限动芯棒连续轧管机（MPM），2003年又出现了三辊式连轧管机（PQF），轧制精度更好。PQF连轧管机组前台设备布置紧凑，大量使用了比例阀控制的行程控制液压缸，减少了毛管横移车的使用，缩短了毛管从穿孔机穿出至连轧开轧的时间，最大限度地减少了毛管的温度损失。在设备形式及细节设计上实现了减
10、小毛管内、外表面温降的工艺目的，既保证连轧管机组的开轧温度稳定，又不影响轧制节奏，使影响质量控制和控制轧制节奏的一对矛盾得到了有机的结合。PQF采用芯棒在主轧线内预穿的方法，使预穿后的毛管在最短的时间内开始轧制，大大缩短了毛管内表面与芯棒表面的接触时间，减小了毛管温降并使毛管开轧温度均匀，有效地降低了轧制载荷以及工具消耗。PQF连轧管机轧辊机架采用三辊封闭式孔型设计，轧制过程中金属变形在3个方向上同时受力，使金属在同一截面上的变形更加均匀，并且3个轧辊呈120角布置，保证了芯棒在孔型中的更好对中，从而使轧制过程更加平滑、稳定。由于采用三辊孔型设计，孔型的槽底部到顶部的孔型半径变化较小，故各点间
11、线速度差也较小，使金属能够在比较稳定的条件下流动。三辊孔型设计使凸缘区（辊缝处）较小，约比二辊减少30%，这使得金属在整个变形区内的不均匀变形大大减小。由于上述原因，使得连轧管机轧制过程中管材的裂孔、拉凹缺陷明显得到改善。三辊几何形状可以在相同芯棒下有更大的调节范围，且无大的公差影响。这样一种规格的芯棒可轧制的壁厚范围增大，大大减少了芯棒的规格数量（减少50%）及工具更换频率，生产组织更加灵活。PQF连轧管机组反映并代表了当今轧管机组工艺设计和制造的最新发展水平，所轧制的钢管壁厚精度和生产效率高，并且在高钢级和合金含量较高的套管、高压锅炉管及奥氏体不锈钢管等难轧钢种的生产上具有特殊优势。为了进
12、一步提高产品几何尺寸精度和材料性能，增加最终产品的附加值，热轧无缝钢管还需要矫直（有冷矫直和热矫直）及进一步热处理（回火、淬火等）。自动轧管和连扎管机组生产工艺流程见图3-2。图3-2无缝钢管热轧生产工艺流程7若欲获得尺寸更小和质量更好的无缝管，必须采用冷轧、冷拔或者两者联合的方法。冷轧、冷拔管生产：用于生产小口径薄壁、精密和异形管材。生产特点是多工序循环工艺。用周期式冷轧管机冷轧，其延伸率可达68（图6）。60年代开始向高速、多线、长行程、长管坯方向发展。此外，小辊式冷轧管机也得到发展。主要用于生产壁厚小于1mm极薄精密管材，冷轧设备复杂，工具加工困难，品种规格变换不灵活；通常采用冷轧、冷拔
13、联合工艺，即先以冷轧减壁，获得大变形量，然后以冷拔获得多种规格。冷轧无缝钢管是一种生产的高精度金属无缝管材，生产工艺流程：圆管坯加热穿孔打头退火酸洗涂油多道次冷拔（冷轧）坯管热处理矫直水压试验无损探伤标记入库。冷拔生产工艺流程：管坯检验剥皮检验加热穿孔酸洗修磨润滑风干焊头冷拔固溶处理酸洗酸洗钝化检验（冷拔去油切头风干内抛光外抛光）水压试验无损检测标识入库。8挤压管生产。将加热好的管坯放在密闭的挤压筒内，穿孔棒与挤压杆一起运动，使挤压件从较小的模孔中挤出，此法可生产直径较小的钢管，挤压管生产流程见图3-2。与热轧无缝钢管相比，冷轧、冷拔和挤压方法生产的无缝钢管尺寸精度高、表面光滑和表面硬度高等优
14、点，但其生产工艺造成加强了材料的各向异性，材料韧性不足，成品管内残余应力大，韧性不足，容易产生脆性裂纹，钢管尺寸、规格受模具限制，轧制钢种多为碳素钢和低合金钢，冷拔钢管的表面缺陷是影响冷拔质量的最常见因素，表面缺陷类型：拉毛、局部斑点、局部凹坑、划痕等。产生表面拉毛和局部斑点的原因主要是管坯前处理不合格。例如：酸洗不彻底，没除掉管坯表面的氧化皮、黄锈与污渍；磷化不合格，管壁表面没形成完整、致密、附着力牢固的磷化膜；因磷化膜不合格，皂类物质不能牢固吸附在磷化膜上，皂化效果差。现在冷轧、冷拔和挤压方法的应用范围转向了高精度、特种金属管领域。图3-3挤压管生产流程二、 产品种类及验收标准无缝钢管按材
15、质有普通碳素结构钢、低合金结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢和不锈钢等种类。无缝钢管的用途非常广泛，不同用途的无缝钢管质量要求不同，相应的产品标准也不同，必须根据用途确定适用的标准。高压锅炉用无缝钢管通常处于高温和高压环境中工作，要求钢管具有高的持久强度、抗氧化性能和良好的组织稳定性，保证化学成分和机械性能，逐根进行水压试验和扩口、压扁等工艺性能试验。某些化工用途的成品钢管对耐腐蚀性能、显微组织、晶粒度和脱碳层也有一定要求。石油裂化管主要用于石油炼化厂的炉管、热交换器和输送流体，必须保证化学成分和各种机械性能，表面质量和无损检验也必须满足要求。油井管用无缝钢管包括地质钻探和采油用无缝钢管，有岩
16、芯外管、岩芯内管、油管、套管和钻杆，承受拉伸、压缩、弯曲、扭转和冲击等载荷，并承受泥浆和岩石的磨损作用，要求材料必须具有足够的强度、硬度、耐磨性和冲击韧性，根据地下适用环境有时还要求耐腐蚀性能。按用途区分的无缝钢管常用类型及相应的产品标准见表1。表3-1常用无缝钢管类型及相应的产品标准序号标准名称标准代号产品用途、种类1输送流体用无缝钢管GB/T8163-1999用于工程及大型设备上的输送流体管道。2低中压锅炉用无缝钢管GB3087-1999主要用于工业和生活锅炉输送低中压流体管道。3高压锅炉用无缝钢管GB5310-1995主要用于高压的蒸汽锅炉及管道4船舶用碳钢、碳锰钢无缝钢管GB/T531
17、2-1999制造船舶I级耐压管系、级耐压管系、锅炉及过热器用的碳素钢无缝钢管。碳素钢无缝钢管管壁工作温度不超过450，合金钢无缝钢管管壁工作温度超过450。5高压化肥设备用无缝钢管GB1479-2000主要用于化肥设备上输送高温高压流体管道6石油裂化用无缝钢管GB9948-88适用于石油精炼厂的炉管、热交换器和管道无缝钢管。7地质钻探用钢管YB235-70供地质部门进行岩心钻探使用的钢管，按用途可分为钻杆、钻铤、岩心管、套管和沉淀管等。8金刚石岩芯钻探用无缝钢管GB3423-82用于金刚石岩芯钻探的钻杆、岩心杆、套管的无缝钢管。9柴油机用高压油管GB3093-2002是制造柴油机喷射系统高压管
18、用的冷拔无缝钢管。10液压和气动缸筒用精密内径无缝钢管GB8713-88制造液压和气动缸筒用的具有精密内径尺寸的冷拔或冷轧精密无缝钢管。11冷拔或冷轧精密无缝钢管GB3639-2000用于机械结构、液压设备的尺寸精度高和表面光洁度好的冷拔或冷轧精密无缝钢管。12结构用不锈钢无缝钢管GB/T14975-2002广泛用于化工、石油、轻纺、医疗、食品、机械等工业的耐腐蚀管道和结构件及零件的不锈钢制成的热轧挤、扩和冷拔轧无缝钢管。13流体输送用不锈钢无缝钢管GB/T14976-2002用于输送流体的不锈钢制成的热轧挤、扩和冷拔轧无缝钢管。14结构用无缝钢管GB/T8162-1999用于一般结构和机械结
19、构的无缝钢管。15气瓶用无缝钢管GB18248-2000主要用于制作各种燃气、液压气瓶。16锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管GB13296-1991主要用于化工企业的锅炉、过热器、热交换器、冷凝器、催化管等。用的耐高温、高压、耐腐蚀的钢管。17套管和油管规范APISPEC5CT-2003用于石油工业套管和油管的无缝钢管。18石油天然气工业油气井套管或油管用钢管GBT19830-200519管线管规范APISPEC5L-2000用于石油天然气输送的无缝钢管。20石油天然气工业输送钢管交货技术条件GB/T971121低温管道用无缝钢管GBT18984-2003适用于-45级-100级低温压力容器管道
20、以及低温热交换器管道用无缝钢管。三、 质量检验和控制为了保证无缝钢管产品质量，对进厂原料、生产过程中的半成品和出厂前无缝钢管成品必须根据质量管理体系和适用标准进行检验。1表面质量检验外观质量：钢管内外表面不得有裂缝、折叠、轧折、离层和结疤等缺陷存在，如有则应完全清楚掉，切清楚后钢管的壁厚和外径不得超差。外观质量应在充分照明的条件下逐根目视检查。2化学成分检验及组织分析化学成分是关系钢材质量和最终使用性能的重要因素之一，也是确定钢材最终产品热处理工艺的主要依据，必须保证钢管产品满足相关标准或订货技术协议要求。化学成分检验包括钢坯熔炼成分检验和成品化学成分检验，从试样上按规定方法（GB/T222）
21、钻取或刨取样屑，按规定方法（GB/T223）进行检验。对某些用途的无缝钢管来说，组织的类型、夹杂物形貌及大小和晶粒度是其性能的重要影响因素，金相分析的结果可对钢管的生产工艺（如热处理工艺）质量进行大致的判断，生产工艺不合格往往造成材料组织粗大、存在过大的夹杂物、带状组织、脱碳等缺陷，因此金相分析也是控制无缝钢管质量重要的技术方法。组织脱碳形貌如图34所示。3力学性能检验力学性能是保证钢材最终使用性能的主要指标，主要包括：拉伸性能：抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率，及根据用户要求的高温、低温性能。硬度：根据试验方法和使用范围，钢管常用的有布氏、洛氏和维氏硬度三种。冲击韧性：表征材料抵抗断裂
22、能力的指标，根据试验温度有低温、室温和高温冲击试验，根据试样类型有V型和U型两种缺口试样。材料韧性不足在使用中可能造成严重事故，如图35所示，钢管韧性不足，在内压作用下发生爆破，断裂为几块，落锤试验（DWTT）：高压高强度输送管还要求进行落锤试验，有室温和低温两种。 图34钢管外壁组织脱碳图 35材料韧性不足的爆破形貌4工艺性能试验静水压试验：对承受流体压力的钢管都要进行液压试验以检验其耐压能力和产品质量，在规定的压力下不得发生泄漏或过度膨胀。根据不同标准要求，工艺检验还有卷边试验、扩口试验和压扁试验。5无损检测根据相关标准要求，对无缝钢管产品必须进行一种或多种形式的无损探伤。常用无损探伤方法
23、有：涡流探伤、漏磁探伤、超声探伤。6耐腐蚀试验根据相关标准要求，特定标准或特殊用途钢管应进行硫化氢、二氧化碳、氯离子等的耐腐蚀试验，检测内容有硫化氢应力腐蚀开裂（SSCC）、氢致开裂（HIC）、腐蚀速率测试、电化学等试验。7几何尺寸标准中规定了每种规格钢管的外径、壁厚及长度等名义尺寸和尺寸公差，钢管的实际尺寸必须在允许范围内。另外还有直度、椭圆度等要求。四、 使用状况我国无缝钢管消费量逐年增加，现在已达每年1000多万吨，其中作为油井管使用的无缝钢管占据近五分之一。油井管是在端部加工了连接螺纹的钢管，是一种高技术含量、高附加值的管材，贯穿石油钻井、完井、采油（气）的各个环节，是石油工业用量最大
24、、花费最多的石油物资。油井管的质量、性能对石油工业的发展关系重大，与油、气井的安全可靠性和使用寿命密切相关，对石油工业采用先进工艺和增产增效起着重要的作用。随着我国石油钻采由东部向西部及沿海大陆架的战略转移，油层的深度由浅入深，油井管使用工况更加苛刻。井下情况复杂，部分地区井下有多套高低压地层（包括高压气层），多套高压盐水层，盐岩层以及存在高陡构造等情况；井内油气压力和温度亦不断提高，有些油井压力达到或超过120MPa，井底温度超过200；硫化氢、二氧化碳、负离子等多种腐蚀因素共存；丛式井、水平井等钻采技术和方法要求钻柱、套管柱具有较高的强度、韧性及耐磨性、抗疲劳、耐冲蚀和应力腐蚀等性能。因此
25、，超高强度、高抗挤和高耐腐蚀的特殊油井管的用量也越来越大。API标准规定最高钢级为Q125，为满足深井和超深井的钻采需要，国内市场上已出现150和155超高钢级油井管，主要供塔里木油田使用。为了满足钻井工艺要求、提升经济效益，生产厂开发了超出同钢级、同壁厚的普通套管抗挤强度30%以上的高抗挤套管，在我国的四川、新疆、长庆、胜利以及东海、渤海等油田获得了广泛的应用。为了保证多种腐蚀介质环境油井管的使用安全，高含Cr、Ni的合金油井管产品已投入使用，有效地防止了油井管的快速腐蚀失效问题。在CO2和H2S共存或H2S分压未达临界值但Cl-很高的使用环境中，需要采用22Cr双相不锈钢（ASF2205）
26、或超级双相不锈钢25Cr，甚至要采含Cr20%以上、含Ni30%以上的高Ni、Cr不锈钢和Ni基合金，但这些管材价格昂贵，低产气田一般无力承受，近年来国内外都在研究开发含Cr2-5%的经济型抗CO2腐蚀油井管。近年来，随着冶金和轧制技术的提高，油井管生产质量也在逐渐提高，主要体现在：炼钢技术的纯净度提高，微合金化；轧管技术可保证几何尺寸保证、组织更均匀；热处理技术得到了高钢级、高韧性；螺纹加工控制精度和自动化程度不断提高；质量检验技术减少了最终产品的缺陷、提高了质量；质量保证体系不断完善、提高；特殊非API油井管的制造技术发展迅速，已成为油井管的核心技术，包括特殊钢级、特殊螺纹和特种功能管材。
27、其中特殊螺纹以其具有较高的密封性、连接强度、高抗扭、抗弯等性能，被广泛应用于一些苛刻井的勘探与开发，目前已有100多种有专利权的特殊螺纹油、套管接头和钻杆接头。1统计多年来的应用实践，油井管的主要失效形式有：（1） 螺纹损伤。粘扣：连接螺纹在上扣连接或卸扣的过程中发生的螺纹粘连造成了螺纹完整性的破坏。胀扣：发生在有较高的轴向压力情况下，外螺纹强制进入内螺纹，引起内螺纹胀开或粘扣而造成联接失效，或上紧扭矩过高，或钻井过程中引起螺纹再次上扣，也会发生胀扣失效。螺纹剪切：在较大的拉伸载荷作用下，螺纹由于抗剪切强度不足而发生的失效。螺纹的损伤失效一般都与与螺纹参数不匹配、表面处理不合适或者上扣操作不符
28、合要求有关。典型照片见图3-4。图3-6螺纹配合不佳导致粘扣（2） 滑脱/断裂。在较高拉伸载荷或疲劳作用下，连接螺纹径向位移太大或管体最大拉伸应力超过抗拉强度时，会发生滑脱或断裂。因为在大端啮合螺纹处应力最大，断裂往往发生在大端啮合螺纹处。滑脱/断裂失效与油井管螺纹及几何参数、材料性能、制造缺陷和所受载荷相关。 图37油井管滑脱/断裂典型形貌（3） 刺扣及泄漏。钻柱在钻进过程中受拉伸、扭转、弯曲和各种振动载荷作用，可能造成密封失效，使得高压流体沿着螺纹间隙从管内流出，引起刺扣。对油管和套管而言，由于连接螺纹在内压作用下产生了流体通道，将发生的内压介质泄漏，尤其是内压介质为气体时更易发生泄漏。刺
29、扣及泄漏与油井管几何参数、材料性能、所受载荷、制造缺陷和操作过程相关。（4） 刺穿。钻具在钻井过程中，由于疲劳、腐蚀或制造缺陷而产生微裂纹，在内压作用下发生的内压介质泄漏，并使得裂纹迅速增加。图38螺纹刺扣/刺穿及泄漏典型形貌（5） 爆破。由于内压载荷超过油井管的承载能力，或制造缺陷使得管体内部应力集中，或腐蚀介质作用发生应力脆断，油井管将发生爆破失效。钢管爆破后形貌如图35和图39所示。（6） 外压挤毁。油井管在较大的外压载荷作用下发生的管壁凹陷失效。油井管的抗挤毁能力与管体不圆度、壁厚不均度、材料性能和加工制造过程相关。钢管挤毁典型形貌如图310所示。图39内压爆破典型形貌图310外压挤毁
30、典型形貌（7） 易导致失效的载荷类型。除油井管本身制造缺陷及材料性能外，腐蚀介质、疲劳、运输及使用过程中带来的机械损伤、温度和磨损是引起油井管异常失效的常见因素，如疲劳断裂、应力腐蚀断裂、磨损造成油井管管壁变薄发生挤毁等。（8） 油井管失效特点。钻具失效显著特点，就是探井、新区块钻具断裂事故率远大于开发井、老区块；套管失效情况严重，分布广，数量大，腐蚀问题日益突出；几乎所有油田都存在油井管腐蚀问题；油井管失效造成的经济损失严重，每年因管材失效损失达几十亿元，钻柱或套管柱损坏有时会导致油井报废，安全事故责任重大，油井管失效严重时可导致重大安全事故，将产生不良的社会影响。2国内油井管制造状况。国内
31、油井管生产无论是技术装备、制造水平，还是生产数量、生产品种等都发展迅速，并取得了长足的进步，有的方面已经达到或接近世界先进水平，不但自给率达到85%以上，而且出口40多个国家和地区，国际市场在中国的采购量逐年增长，一跃成为生产大国。但存在低端产品多、高端产品少的品种不合理问题，尤其是高附加值的特殊用途产品无论产量还是质量和国外还有一定的差距。骨干生产企业均获得API会标使用权、ISO9002质量体系认证以及ISO14000环境管理体系认证，质量保证体系逐步健全，质量总体呈上升趋势，抽检和商检检验合格率保持在较高水平。但不同企业产品质量差异很大，尤其是实物性能和标准未明确的性能参数等方面，质量稳
32、定性还须提高，油、套管使用过程中发生粘扣事故，新钻杆在多个油田发生一口井没打完就发生多次刺穿或断裂事故。由于近年来市场较好，原材料供应紧张，致使一些不具备技术要求的原材料进入市场，如采用普通45#钢、普通无缝管（热轧或冷拔）、普通焊接钢管等生产油井管；部分产品连基本的材料力学性能都达不到要求，一些产品的外观质量和几何尺寸精度也存在许多缺陷，如表面有裂缝、折叠、轧折、离层、发纹及结疤、组织脱碳等缺陷存在，外径不圆度、壁厚不均度超差等。由于受装备和工艺技术的限制，许多油井管关键部位的关键生产技术还不过关或不稳定，如螺纹加工、钻杆内加厚、轧管、焊接等技术；对油井管使用性能和寿命均影响较大的化学成分、
33、金相组织、冲击韧性、耐腐蚀性、实物性能等指标也存在不符合标准要求的问题，如抗硫管的硫、磷含量超标，晶粒度粗大，夹杂物偏大，材料韧性偏低，螺纹参数不稳定或超标，油井管抗拉强度低等。驻厂检验被认为是油井管行之有效的质量控制方法，国外已经形成一种惯例。对于一些新产品和特殊产品的性能进行评价作是保证订货和管材选用安全的重要依据，重点是全尺寸实物性能和耐腐蚀性能评价。性能评价不同于一般的检验，检验是依据标准对产品符合性的判定，评价除产品符合性检验外，还包括对产品设计合理性、标准的科学性以及产品的适用性等进行判定。第二节 螺旋焊缝和直缝埋弧焊钢管焊接钢管也称焊管，是用钢板或钢带经过卷曲成型后焊接制成的钢管
34、。焊接钢管生产工艺简单，生产效率高，品种规格多，设备资少，但一般强度可靠性低于无缝钢管。20世纪30年代以来，随着优质带钢连轧生产的迅速发展以及焊接和检验技术的进步，焊缝质量不断提高，焊接钢管的品种规格日益增多，并在越来越多的领域代替了无缝钢管。无缝钢管与焊接钢管比较，材料的可靠性和品种适应性更强，尤其适应厚壁和合金钢的生产。但无缝钢管生产投资高、成本高、制造工艺复杂，壁厚和椭圆度公差大。过去人们普遍认为焊接钢管在质量上、安全性上不如无缝钢管，加上其材质一般为普钢Q235，生产工艺又较简单，其用途仅限于一般民用建筑和低压流体输送管道，尽管其价格远低于无缝钢管，也无法同无缝钢管争夺市场。但进入2
35、1世纪后，先进的焊管装备在我国陆续出现，由于焊接工艺技术的提高，焊缝质量发生了质的改善，一些中小规格焊管，因其质量接近或达到无缝管水平，正向原属无缝钢管应用领域进军，无缝钢管同焊管在市场上的竞争越来越激烈。焊接钢管按焊缝的形式分为直缝焊管和螺旋焊管，焊接方法有埋弧自动焊和电阻自动焊。埋弧自动焊是1940年发明的，连续送进的焊丝在可熔化的颗粒状的焊剂覆盖下引燃电弧，使焊丝、母材和焊剂的一部分熔化和蒸发构成一个空腔，电弧是在空腔里面稳定燃烧的焊接方法，所以把它称之为埋弧自动焊。埋弧自动焊采用渣保护，但是这个渣不是焊条的药皮，是专门熔炼出来的焊药，由一个漏斗装的焊药通过一个管道输送到要焊接的前面。焊
36、接不采用焊条，而是采用焊丝，用送焊丝的装置和焊丝盘，可以连续地送给焊丝。埋弧自动焊适于批量较大，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接，优点是：1.生产效率高。一方面焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，电弧的熔深和焊丝熔敷效率都大大提高（一般不开坡口单面一次溶深可达20mm）。另一方面由于焊剂和熔渣的隔热作用，电弧上基本没有热的辐射散失，飞溅也少，虽然用于熔化焊剂的热量损耗有所增大，但总的热效率仍然大大增加。2.焊缝质量高，熔渣隔绝空气的保护效果好，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工技术水平要求不高，焊缝成分稳定，机械性能比较好。3.劳动条件好，除了减轻手工焊操作的劳动强度外，它没有
37、弧光辐射，这是埋弧焊的独特优点。目前较小口径的焊管大都采用直缝焊，大口径焊管则大多采用螺旋焊，实际工程中还需要考虑多种因素，如：（1）调峰要求很高的管道，由于用户的用气量很不均匀，管道压力波动频繁，钢管承受的交变应力很大，管材中的缺陷可能会发生疲劳扩展。（2）管道穿越地震断裂带或通过局部高烈度地震区域，由于这些地段的地质活动频繁，会对管道产生纵向或轴向的交变应力。在长期的应力作用下，螺旋焊缝钢管发生事故的几率高于直缝埋弧焊钢管。（3）对内、外防腐层要求很高的管道，应采用直缝埋弧焊钢管。螺旋埋弧焊钢管焊道多，焊缝余高一般比直缝埋弧焊钢管高，在对钢管进行内、外防腐时，防腐材料与裸管的结合度不如直缝
38、埋弧焊钢管紧密，防腐效果也没有直缝埋弧焊钢管好。（4）对于重要的穿跨越工程，由于日后的维护管理都比一般线路段困难，应使用直缝埋弧焊钢管。（5）对于管道薄弱环节，如热煨弯头由于方向改变，其所承受的内外力比一般线路直管段要大，残余应力不容易消除，采用直缝埋弧焊钢管较好。一、产品种类及验收标准焊接钢管在建筑、机械、冶金、石油天然气、煤炭、化工、轻工、农业、交通和电力等行业得到了广泛应用，种类繁多，主要有：1.低压流体输送用焊接钢管（GB/T3091-2001）一般焊管，是用于输送水、煤气、空气、油和取暖蒸汽等一般较低压力流体和其他用途的焊接钢管。钢管接壁厚分为普通钢管和加厚钢管；接管端形式分为不带螺
39、纹钢管（光管）和带螺纹钢管。钢管的规格用公称口径（mm）表示，公称口径是内径的近似值。低压流体输送用焊接钢管除直接用于输送流体外，还大量用作低压流体输送用镀锌焊接钢管的原管。标准对电阻焊钢管和埋弧焊钢管的不同要求分别做了标注，未标注的同时适用于电阻焊钢管和埋弧焊钢管。2.石油天然气工业输钢管交货技术条件（第一部分A级钢管）（GB/T9711.1-1997）适用于石油天然气工业输送可燃性流体和非可燃性流体的非合金和合金无缝钢管及焊接钢管的交货技术条件。3.石油天然气工业输钢管交货技术条件（第一部分B级钢管）（GB/T9711.2-1997）适用于石油天然气工业输送可燃性流体的非合金和合金无缝钢管
40、及焊接钢管的交货技术条件，指标要求总体上高于GB/T9711.1。4.普通碳素钢电线套管（GB3640-88）是工业与民用建筑、安装机器设备等电气安装工程中用于保护电线的普通碳素钢焊接钢管。5.直缝电焊钢管（GB/T13793-1992）是焊缝与钢管纵向平行的钢管。通常分为公制电焊钢管、电焊薄壁管、变压器冷却油管等等。6.承压流体输送用螺旋缝埋弧焊钢管（SY5036-83）是以热轧钢带卷作管坯，经常温螺旋成型，用双面埋弧焊法焊接，用于承压流体输送的螺旋缝钢管。钢管承压能力强，焊接性能好，经过各种严格的科学检验和测试，使用安全可靠。钢管口径大，输送效率高，并可节约铺设管线的投资。主要用于输送石油
41、、天然气的管线。7.承压流体输送用螺旋缝高频焊钢管（SY5038-83）是以热轧钢带卷作管坯，经常温螺旋成型，采用高频搭接焊法焊接的，用于承压流体输送的螺旋缝高频焊钢管。钢管承压能力强，塑性好，便于焊接和加工成型；经过各种严格和科学检验和测试，使用安全可靠，钢管口径大，输送效率高，并可节省铺设管线的投资。主要用于铺设输送石油、天然气等的管线。8.一般低压流体输送用螺旋缝埋弧焊钢管（SY5037-83）是以热轧钢带卷作管坯，经常温螺旋成型，采用双面自动埋弧焊或单面焊法制成的用于水、煤气、空气和蒸汽等一般低压流体输送用埋弧焊钢管。9.一般低压流体输送用螺旋缝高频焊钢管（SY5039-83）是以热轧
42、钢带卷作管坯，经常温螺旋成型，采用高频搭接焊法焊接用于一般低压流体输送用螺旋缝高频焊钢管。10桩用螺旋焊缝钢管（SY5040-83）是以热轧钢带卷作管坯，经常温螺旋成型，采用双面埋弧焊接或高频焊接制成的，用于土木建筑结构、码头、桥梁等基础桩用钢管。11.传动轴用电焊钢管YB/T5209-2000适用于制造汽车传动轴及其他机械动力传动轴。11.低中压锅炉用电焊钢管YB4102-2000适用于制造各种结构低压和中压锅炉及机车锅炉用优质碳素结构钢钢管。12.换热器用焊接钢管YB4103-2000适用于温度在-19475，设计压力不大于6.4MPa的换热器、冷凝器及类似传热设备用钢管。本标准不适用于毒
43、性程度为高度或极度危害的介质。13.低压流体输送用大直径电焊钢管GB/T14980-1994适用于水、污水、煤气、空气、和采暖蒸汽等低压流体和其它用途的电焊钢管。14.矿山流体输送用电焊钢管GB/T14291-2006适用于矿山压风、排水、抽放瓦斯和矿浆输送用直缝电焊钢管15.深井水泵用电焊钢管YB/T4028-2005适用于深井水泵、潜水泵及其他用途。二、螺旋埋弧焊钢管制造工艺螺旋埋弧焊钢管是以热轧钢带卷作管坯，经常温螺旋成型，用埋弧焊法焊接，用于承压流体输送的螺旋缝钢管，钢管口径大，输送效率高。主要用于输送石油、天然气的管线。螺旋埋弧焊钢管生产工艺流程为：下料开卷矫平、修边、对头活套卷制成
44、形焊接内外焊珠去除预校正感应热处理定径及校直涡流检测切断水压检查酸洗最终检查包装，如图311所示。图311埋弧焊钢管制造工艺流程示意图螺旋埋弧焊钢管现在主要有两种成形方式：外控或内控辊式成形方法。外控式是先把钢板弯曲到小于钢管曲率的一定弧度，到焊接时再继续弯曲到产品曲率进行焊接的方法。内控式是先把钢板弯曲到大于钢管曲率的一定弧度，到焊接时再从钢管内表面施加扩张载荷保持钢板曲率到钢管产品的要求进行焊接的方法。为了提高钢管产品的几何精度，国外发展了一种新的成形工艺预精悍生产工艺，即先把钢板加工到要求的形状，用点焊保持形状，再进行内焊和外焊，达到提升焊缝性能的目的。螺旋缝钢管是将带钢按螺旋形弯曲成形
45、，用埋弧自动焊进行内缝和外缝的焊接制成的，与直缝埋弧焊钢管比具有如下优点：1）只要改变成形角度，就可以用同一宽度的带钢生产各种口径的钢管，能用较窄的坯料生产管径较大的焊管；2）因为是连续弯曲成形，所以钢管的定尺长度不受限制；3）焊缝螺旋形均匀地分布在整个钢管圆周上，所以钢管的尺寸精度高，一般情况下强度比直焊缝焊管高；4）设备费用便宜，易于变更尺寸，适合于小批量、多品种钢管的生产；5）设备投资少，对钢板板带原料要求较低，因此产品价格便宜。但是螺旋管的焊缝比直缝管长，如管长为L，则焊缝长度为L/cos（），为螺旋角。一般情况下钢管焊缝及热影响区是缺陷集中区，焊缝长就意味着缺陷出现的概率大，这是制约
46、螺旋焊管更加广泛应用的主要原因，也是长期以来争论不休的螺旋管与直缝管，特别是与UOE钢管相比谁更优越的原因。随着螺旋管制造技术进步，需要重新认识螺旋管焊缝较长的问题。首先，由于缺陷与焊缝相平行，故对螺旋管来说，其焊缝的缺陷为“斜缺陷”，钢管的主应力方向的当量缺陷长度比直缝管小；其次，由于管线钢均为轧制钢板，冲击韧性有较大的各向异性，顺轧制方向的CVN值可比垂直于轧制方向的CVN值高3倍。直缝管所受的主应力恰恰垂直于管材抗冲击能力最低的方向，而螺旋管则错开了管材抗冲击能力最低的方向，使螺旋管焊缝长的劣势转变成了优势。因此这个问题还需要进一步的研究。螺旋焊缝钢管制造过程中为带应力焊接，即需要施加机
47、械作用保持焊缝两侧管板在同一平面。螺旋焊缝钢管一般仅在管端进行扩径，以保证现场焊接时容易对接。由于没有进行整管扩径，管内加工变形残余应力很大，且分布不均匀。直焊缝钢管则首先利用设备加工成需要的形状，然后再焊接，焊接时基本无应力。为了降低、消除管内加工变形时产生的残余应力，提高管体强度，在出厂前要对整个管体进行扩径操作，有机械扩径和水压扩径两种方式。三、直焊缝埋弧焊钢管制造工艺管线设计中，一般穿、跨越及重要路段时会选用直缝埋弧焊钢管。近年来随着我国经济的发展，直缝埋弧焊钢管的发展也取得了长足进步。从建设投产到高钢级（X80）、大口径、大壁厚钢管试制成功，其发展速度很快。目前国内有很多家钢管公司（
48、厂）具有直缝埋弧焊管生产能力，可提供JCOE、UOE以及HME等多种不同类型的钢管。与螺旋缝埋弧焊钢管相比，直缝埋弧焊钢管的成型和焊接是分开进行的，焊接作业不受成型操作的制约，而且内焊前增加了预焊（TackWeld2ing），焊接在平面位置进行，焊缝外形轮廓比较理想，后续无损探伤容易实现自动化，焊缝的综合质量容易保证，适应钢管的壁厚范围较宽，X70钢级钢管的壁厚可达到27mm。直缝焊管有如下优点：（1）生产工艺简单，生产效率比螺旋焊缝高，成本低。（1）没有拆卷的工序，使母材压坑、划伤少。错边、开缝、管径周长等易于控制，焊接质量好。（3）经检测合格的焊管要进行扩径，以消除管体内部的残余应力，同时提高钢管的几何尺寸精度，方便现场施焊。（4）焊缝为一条直线，内外表面均进行处理，基本与管体等厚，对防腐材料涂敷质量影响较小。（5）由于焊缝较短，
