CN102405114A - 无缝钢管的制造方法及其制造设备 - Google Patents

Abstract

利用穿孔机穿孔轧制加热了的钢坯而成形为空心管坯，接着不对该空心管坯再加热地利用延伸轧机进行延伸轧制并利用定径轧机进行定径轧制，制造无缝钢管时，通过包括在延伸轧机的出口侧沿着长度方向测量空心管坯的温度的步骤1和根据测量到的空心管坯的长度方向温度分布，在定径轧机的入口侧向空心管坯喷射水而冷却空心管坯，使空心管坯的长度方向温度分布均匀的步骤2，避免在定径轧制后的钢管上产生长度方向温度分布的不均匀，并能够实现节能化。

Description

无缝钢管的制造方法及其制造设备

技术领域

本发明涉及利用曼内斯曼制管法的无缝钢管的制造方法以及适合于实施该制造方法的无缝钢管的制造设备。

背景技术

无缝钢管用于要求具有高强度和优异韧性的油井管，能够利用曼内斯曼制管法制造。该制管法由下述步骤构成：

(1)利用穿孔机(穿轧机(piercer))，穿孔轧制被加热至规定温度的钢坯，并成形为空心管坯(空心毛坯管)；

(2)利用延伸轧机(例如：芯棒式无缝管轧机)，延伸轧制空心管坯；

(3)利用定径轧机(例如：定径机(sizer)、张力减径机(stretch reduce r))，将被延伸轧制的空心管坯定径轧制至规定的外径和壁厚；

(4)利用冷却床空冷由定径轧制获得的无缝钢管，或是对无缝钢管实施淬火、回火处理。

从前，采用曼内斯曼制管法的制造设备是将被延伸轧制的空心管坯在再加热炉中加热而进行定径轧制的。此外，在对被定径轧制的钢管实施淬火处理的情况下，要将钢管在淬火炉中加热并进行淬火。

近年来，为了谋求节能化和生产效率的提高，有时采用下述制造设备，即，省略定径轧制时的再加热炉和淬火处理时的淬火炉，将从穿孔轧制到定径轧制为止，根据情况进一步到淬火处理为止的步骤作为一连串的联机(on-line)步骤。在省略了再加热炉和淬火炉的制造设备中，在穿孔轧制时进行被轧制构件的加热后到定径轧制、淬火处理为止完全不进行再加热。采用该制造设备的情况下，定径轧制后的钢管的长度方向的温度分布变得不均匀，变得在顶端部(前端部)侧温度低，而在末端部(后端部)侧温度高。由下述的理由产生在顶端部侧温度低而在末端部侧温度高的现象。

在穿孔轧制时，因为被加热的钢坯利用顶头(plug)从顶端部侧向末端部侧被穿孔，所以在先被穿孔成为管状的顶端部侧散热显著。因此，穿孔轧制后的空心管坯变得在顶端部侧温度低，在末端部侧温度高。由于对被轧制构件不进行再加热，该长度方向温度分布的不均匀在延伸轧制后的空心管坯中也产生相同的倾向，进一步在定径轧制后的钢管中也产生相同的倾向。由此，在定径轧制后的钢管中，出现在长度方向上温度分布的不均匀的现象。

在定径轧制后的钢管中，一旦长度方向的温度分布不均匀，在长度方向上随着冷却的热收缩量就会不同，从而导致在冷却后在长度方向上钢管的外径变得不均匀。此外，在定径轧制后，对钢管进行淬火的情况下，一旦长度方向的温度分布不均匀，在长度方向上淬火程度就会不同，从而导致在淬火后，在长度方向上钢管的机械特性变得不均匀。

下述为涉及制造钢管时的被轧制构件的温度控制的现有技术。

在专利文献1中公开如下技术，即，在用于无缝钢管的制造的多级式连续轧机中，防止在经过连续轧机的过程中被轧制构件的温度过量地降低的技术。该文献公开的技术为，在连续轧机的入口侧和中间部配置再加热炉，并且在配置于连续轧机的中间部的中间再加热炉的入口侧、出口侧和连续轧机的出口侧配置温度计，基于用各个温度计测量到的钢管温度，进行中间再加热炉的温度控制。

在专利文献2中公开如下技术，即，在用于电焊钢管的制造的张力减径机中，防止由在钢管的圆周方向上温度降低引起的发生壁厚偏差的技术。该文献公开的技术为，在张力减径机的入口侧串联地配置多个感应加热线圈，并且在感应加热线圈的出口侧和张力减径机的出口侧配置温度计，基于温度计的钢管圆周方向的温度测量值，调整向感应加热线圈的供电量。

在专利文献3中公开如下技术，即，在冷却热成形的方形钢管或圆形钢管时，抑制发生弯曲的技术。该文献公开的技术中，在将钢管热成形至规定的形状尺寸的成形部件之前配置再加热炉，并且在成形部件之后配置喷水部件，利用喷水部件对通过成形部件的钢管从外周整个方向喷水而均匀地冷却钢管。

上述专利文献1～3公开的技术中，因为在定径轧制前，再加热钢管而谋求温度的均匀化，所以不发生在定径轧制后的钢管上长度方向温度分布变得不均匀的问题。但是，上述专利文献1～3公开的技术中的任意一个技术均因为在定径轧机之前必须具有再加热炉、感应加热线圈，所以消耗大量的燃料或电力，无法成为节能化的对策。

专利文献1：日本特开2004-58128号公报

专利文献2：日本特开2005-7452号公报

专利文献3：日本特开2007-301574号公报

发明内容

发明要解决的问题

本发明的目的在于，提供一种具有下述特性的无缝钢管的制造方法及其制造装置：

(1)避免在定径轧制后的钢管中，长度方向温度分布的不均匀；

(2)能够实现节能化。

用于解决问题的方案

本发明的要点如下所述。

(I)本发明的无缝钢管的制造方法，其利用穿孔机穿孔轧制加热了的钢坯并将其成形为空心管坯，接着不对该空心管坯再加热地利用延伸轧机进行延伸轧制并利用定径轧机进行定径轧制，其特征在于，该制造方法包括下述一连串的各个步骤：

(步骤1)在延伸轧机的出口侧沿着长度方向测量空心管坯的温度；以及

(步骤2)根据测量到的空心管坯的长度方向温度分布，在定径轧机的入口侧向空心管坯喷射水而冷却空心管坯，使空心管坯的长度方向温度分布均匀。

上述(I)的制造方法能够成为接在上述定径轧制之后，不再加热而进行淬火的结构。

该制造方法在上述步骤2中，优选成为在沿长度方向划分空心管坯而成的多个区域的每个区域上调整向空心管坯喷射的水量的结构。

(II)本发明的无缝钢管的制造设备，其包括：穿孔机，穿孔轧制加热了的钢坯并使其成形为空心管坯；延伸轧机，不对该空心管坯再加热地进行延伸轧制；以及定径轧机，不对该空心管坯再加热地进行定径轧制，其特征在于，该制造设备包括：

温度计，其配置于延伸轧机的出口侧，沿着长度方向测量空心管坯的温度；以及

水冷装置，其配置于定径轧机的入口侧，根据利用上述温度计测量到的空心管坯的长度方向温度分布，向空心管坯喷射水而冷却空心管坯，使空心管坯的长度方向温度分布均匀。

发明的效果

本发明的无缝钢管的制造方法具有下述的显著效果：

(1)避免在定径轧制后的钢管中，长度方向温度分布的不均匀；

(2)能够实现节能化。

利用本发明的无缝钢管的制造设备能够充分发挥本发明的制造方法的优异效果。

附图说明

图1是表示本发明的无缝钢管的制造设备的结构例的示意图。

图2是表示本发明的无缝钢管的制造设备中的水冷装置的结构例的图，图2的(a)是表示沿着空心管坯的输送方向的侧剖视图，图2的(b)是主视图。

图3是表示向空心管坯的长度方向1m的长度上喷射的水量与温度下降量之间的相关性的图。

具体实施方式

为了达成上述目的，本发明人对下述方法反复专心研究，即，在穿孔轧制时进行被轧制构件的加热后到定径轧制、淬火处理为止不进行再加热的前提下，避免在定径轧制后的钢管上产生长度方向温度分布的不均匀的方法。其结果，获得下述(a)和(b)的见解。

(a)通过在定径轧制前的空心管坯中使长度方向温度分布均匀，避免在定径轧制后产生钢管的长度方向温度分布的不均匀。

(b)为了在定径轧制前的空心管坯中使长度方向温度分布均匀，有效的做法是根据空心管坯的长度方向温度分布，向空心管坯喷射水而冷却空心管坯。

本发明是基于上述(a)和(b)的见解完成的。以下，就本发明的无缝钢管的制造方法及其制造设备的优选方式进行说明。

1.无缝钢管的制造设备

图1是表示本发明的无缝钢管的制造设备的结构例的示意图。如该图所示，制造设备1包括作为一连串的联机设备的加热装置2、穿孔机3(穿轧机)、延伸轧机4(例如：芯棒式无缝管轧机)、定径轧机5(例如：定径机、张力减径机)和冷却床6。此外，制造设备1包括配置于延伸轧机4的出口侧的温度计7、配置于接下来的定径轧机5的入口侧的水冷装置8和连接于温度计7和水冷装置8的控制装置9。

加热装置2将作为被轧制构件的钢坯加热至适宜于穿孔轧制的规定温度。穿孔机3穿孔轧制被加热的钢坯，并将其成形为空心管坯。延伸轧机4不对空心管坯进行再加热地对其延伸轧制。定径轧机5不对被延伸轧制的空心管坯再加热地对其定径轧制，并精加工为规定的外径和壁厚的钢管。被定径轧制了的钢管在冷却床6上被空冷。

在该制造设备1中，在定径轧机5进行定径轧制时，利用温度计7沿着长度方向测量由延伸轧机4延伸轧制了的空心管坯的温度。控制装置9依次接收来自温度计7的测量温度的信号，计算出空心管坯的长度方向的温度分布，向水冷装置8输出与该温度分布相对应的驱动信号。水冷装置8基于来自控制装置9的驱动信号，以适当水量向空心管坯喷射水，以空心管坯的长度方向温度分布变得均匀的方式进行冷却。被冷却了的空心管坯在定径轧机5中被定径轧制。

在该制造设备1中，从穿孔机3至延伸轧机4为止以及从延伸轧机4经过水冷装置8至定径轧机5为止，利用辊式输送机沿长度方向输送空心管坯。

图2是表示本发明的无缝钢管的制造设备中的水冷装置的结构例的图，图2的(a)是表示沿着空心管坯的输送方向的侧剖视图，图2的(b)是主视图。在图2的(a)中，用粗线箭头表示空心管坯的输送方向。

如图2所示，水冷装置8包括使空心管坯P的输送路径穿过中心的环状管11。在环状管11上连接有供水管12，在该供水管12上连接有供水泵13。基于来自上述图1所示的控制装置9的驱动信号，供水泵13驱动，并能够调整输送出的水的水量。

在环状管11的内周上，沿圆周方向等间隔地设置有多个喷嘴14。各喷嘴14将随着供水泵13的驱动通过供水管12向环状管11供给的水，向空心管坯P喷出。由此，沿着长度方向输送的空心管坯P，每次通过环状管11时，都将在圆周方向上被均匀地冷却。

喷嘴14的数量没有特别限定，但是优选4个～24个左右。这是因为，如果少于4个，可能使对空心管坯在圆周方向的均匀冷却变得不充分；如果多于24个，该均匀冷却的程度将饱和。

优选向与空心管坯P的输送方向的相反方向(末端部侧的方向)略微倾斜地设置各个喷嘴14。这是为了防止水从空心管坯P的后端进入通过环状管11的该空心管坯P的内部。

上述图1所示的制造设备1能够沿着空心管坯P的输送路径多段地设置上述结构的水冷装置8，也可以设置1段水冷装置8。能够采用辐射温度计作为温度计7。

为了对定径轧制后的钢管实施淬火处理，上述图1所示的制造设备1能够不配置淬火炉，代替冷却床6而具有骤冷装置或并用冷却床6和骤冷装置。能够采用水槽浸渍方式的装置、层流(laminar)水流流下方式的装置作为骤冷装置。为了对淬火后的钢管实施回火处理，能够在骤冷装置之后配置回火炉。

2.无缝钢管的制造方法

一边参照上述图1，一边说明本发明的无缝钢管的制造方法。在本发明的制造方法中，利用穿孔机3穿孔轧制加热了的钢坯，使其成形为空心管坯，接着不对该空心管坯进行再加热地利用延伸轧机4进行延伸轧制并利用定径轧机5进行定径轧制。

此时，穿孔轧制后的空心管坯因穿孔轧制时在顶端部侧散热显著引起长度方向的温度分布变得不均匀。因此，延伸轧制后的空心管坯也具有相同的倾向，长度方向的温度分布变得不均匀。

在本发明的制造方法中，在定径轧机5进行定径轧制时，利用温度计7，沿着长度方向测量在延伸轧机4的出口侧空心管坯的温度。然后，根据测量到的空心管坯的长度方向温度分布，利用水冷装置8，在定径轧机5的入口侧向空心管坯喷射水而冷却空心管坯，使空心管坯的长度方向温度分布变得均匀。

具体而言，利用连接于温度计7的控制装置9，计算沿长度方向划分空心管坯而成的多个区域的各个区域的温度，并选定各个区域的温度中的最小温度，计算各个区域最小温度之间的温度差。然后，基于该温度差，推算在各个区域中从水冷装置8向空心管坯喷射的水量，向水冷装置8输送出与该水量相对应的驱动信号。由此，被输送的空心管坯在各个区域喷射有来自水冷装置8的适当的水量的水而被冷却，长度方向的温度分布变得均匀。

在此，向空心管坯喷射的水量与温度下降量之间存在相关性。因此，基于空心管坯各个区域中的上述温度差，例如，根据下述图3所示的向空心管坯喷射的水量与空心管坯的温度下降量之间的相关性，能够推算出向空心管坯喷射的水量。

图3是表示向空心管坯的长度方向1m的长度上喷射的水量与温度下降量之间的相关性的图。该图表示进行下述试验的调查的结果，即，进行使用各种改变了外径和壁厚的空心管坯，并多次改变了长度方向1m的长度上的水量地对被加热至1100℃的各种空心管坯喷射水的试验，并调查了喷射有该水的区域的温度下降量。

如该图所示，在向空心管坯喷射的水量Q(m³)与温度下降量ΔT(℃)之间，存在与空心管坯的外径和壁厚的尺寸无关的ΔT＝160×Q的相关性。根据该关系式，将空心管坯各个区域中的上述温度差作为ΔT，能够推算出向空心管坯喷射的水量Q。

根据本发明的无缝钢管的制造方法，在进行定径轧制时，能够向空心管坯喷射水而使长度方向温度分布均匀，从而不发生在定径轧制后的钢管上长度方向温度分布变得不均匀的问题。因此，定径轧制后的钢管在长度方向上随着冷却的热收缩量就不会不同，在冷却后，钢管的外径在长度方向的整个区域内变得均匀。此外，在定径轧制后对钢管进行淬火的情况下，在长度方向上淬火程度就不会不同，在淬火后，钢管的机械特性在长度方向的整个区域内也变得均匀。

此外，根据本发明的无缝钢管的制造方法，在穿孔轧制时对被轧制构件进行加热之后到定径轧制、淬火处理为止不进行再加热，从而不会消耗大量的燃料、电力，能够实现节能化。

本发明的无缝钢管的制造方法能够利用本发明的无缝钢管的制造设备充分发挥其效果。

实施例

(实施例1)

为了确认本发明的效果，实施了使用上述图1所示的制造设备进行穿孔轧制、延伸轧制和定径轧制，制造下述规格的无缝钢管的实机试验。

·尺寸：外径406.4mm、壁厚30.7mm、长度12m

·材质：低碳素钢(C：0.6wt％)

在进行定径轧制时，测量延伸轧制后的空心管坯的温度，根据其长度方向温度分布，以下述表1所示的水量向空心管坯喷射水。此外，为了比较，实施了不进行水的喷射的试验。

(表1)

表1

在刚定径轧制之后，测量无缝钢管的温度，而且在冷却该钢管之后，在整个长度方向的范围内测量钢管的外径。在表1中一并表示其结果。在表1中，表示的各区域为从钢管的前端起1m～3m范围的顶端部区域，钢管的长度方向中心2m范围的中部区域和从钢管的后端起1m～3m范围的末端部区域。

从表1所示的结果中表明下述情况。

在本发明例中，通过在定径轧制前向空心管坯喷射水，刚定径轧制后的钢管的温度在长度方向上变得均匀。其结果，冷却后的钢管的外径在长度方向上变得均匀。

在比较例中，在定径轧制前没有向空心管坯喷射水，因此，刚定径轧制后的钢管的温度在长度方向上偏差40℃左右而变得不均匀。其结果，冷却后的钢管的外径在长度方向上偏差0.4mm左右而变得不均匀。

(实施例2)

实施使用上述图1所示的制造设备进行穿孔轧制、延伸轧制、定径轧制和淬火、回火处理，制造下述规格的无缝钢管的实机试验，确认了向空心管坯喷射水对钢管的机械特性带来的影响。

·尺寸：外径406mm、壁厚14mm、长度12m

·材质：下述表2所示的组成成分的低碳素钢

·机械特性：API标准的X65级

(表2)

表2

                                    单位：质量％

在进行定径轧制时，测量延伸轧制后的空心管坯的温度，根据其长度方向温度分布，以下述表3所示的水量向空心管坯喷射水。此外，为了比较，实施了不进行水的喷射的试验。

(表3)

表3

在定径轧制后即将淬火之前，测量无缝钢管的温度，而且对该钢管实施淬火、回火处理之后，从沿着长度方向的各个区域提取试验片，并测量结晶粒度和屈服强度(YS)。测量结晶粒度的试验方法依据ASTM，测量屈服强度的试验方法依据ASTM。在表3中一并表示其结果。在表3中的各区域与上述实施例1相同，也表示顶端部区域、中部区域和末端部区域。

从表3所示的结果中表明下述情况。

在本发明例中，通过在定径轧制前向空心管坯喷射水，即将淬火前的钢管的温度在长度方向上变得均匀。其结果，淬火、回火后的钢管的结晶粒度和屈服强度都在长度方向上变得均匀。

在比较例中，在定径轧制前没有向空心管坯喷射水，因此，即将淬火前的钢管的温度在长度方向上偏差50℃左右而变得不均匀。其结果，淬火、回火后的钢管的结晶粒度在顶端部区域成为粒度编号11的细颗粒，而在末端部区域成为粒度编号5的粗颗粒，在长度方向上变得不均匀。结晶粒度在末端部区域成为了粗颗粒的原因是因为，直到淬火为止的温度在末端部区域比在顶端部区域高，在末端部区域内结晶成长并粗大化。此外，淬火、回火后的钢管的屈服强度在长度方向上偏差60MPa左右而变得不均匀。

产业上的可利用性

本发明能够有效地用于利用曼内斯曼制管法制造无缝钢管。

附图标记说明

1：制造设备；2：加热装置；3：穿孔机；4：延伸轧机；5：定径轧机；6：冷却床；7：温度计；8：水冷装置；9：控制装置；11：环状管；12：供水管；13：供水泵；14：喷嘴；P：空心管坯。

Claims (4)

1.一种无缝钢管的制造方法，其利用穿孔机穿孔轧制加热了的钢坯并将其成形为空心管坯，接着不对该空心管坯再加热地利用延伸轧机进行延伸轧制并利用定径轧机进行定径轧制，其特征在于，该制造方法包括下述一连串的各个步骤：

步骤1，在延伸轧机的出口侧沿着长度方向测量空心管坯的温度；以及

步骤2，根据测量到的空心管坯的长度方向温度分布，在定径轧机的入口侧向空心管坯喷射水而冷却空心管坯，使空心管坯的长度方向温度分布均匀。

2.根据权利要求1所述的无缝钢管的制造方法，其特征在于，

接在上述定径轧制之后，不再加热而进行淬火。

3.根据权利要求1或2所述的无缝钢管的制造方法，其特征在于，

在上述步骤2中，在沿长度方向划分空心管坯而成的多个区域的每个区域上调整向空心管坯喷射的水量。

4.一种无缝钢管的制造设备，其包括：穿孔机，穿孔轧制加热了的钢坯并使其成形为空心管坯；延伸轧机，不对该空心管坯再加热地进行延伸轧制；以及定径轧机，不对该空心管坯再加热地进行定径轧制，该无缝钢管的制造设备的特征在于，该制造设备包括：

温度计，其配置于延伸轧机的出口侧，沿着长度方向测量空心管坯的温度；以及

水冷装置，其配置于定径轧机的入口侧，根据利用上述温度计测量到的空心管坯的长度方向温度分布，向空心管坯喷射水而冷却空心管坯，使空心管坯的长度方向温度分布均匀。

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