高Cr合金钢穿孔毛管内螺旋产生原因及其改善措施

陈金童，刘广华，张明亚

（1.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243000；2.江苏常宝普莱森钢管有限公司，江苏 常州 213000）

在石油行业，高Cr合金钢主要用于生产抗CO2腐蚀系列油套管，典型产品有L80-9Cr、L80-13Cr、110-13Cr系列套管［1-4］。通常采用穿孔+冷轧工艺生产高Cr合金钢管，其穿孔毛管质量直接决定了最终冷轧成品的质量状况，穿孔毛管内表面质量主要受到穿孔顶头质量影响最大，也是高Cr合金钢管穿孔过程中最容易出现质量问题的“重灾区”。

普通碳钢在生产过程中，顶头容易发生早期鼻部塌陷、黏钢变形和开裂等失效方式［5-10］。同时，顶头的早期失效还容易造成中卡或尾卡等轧卡事故。但是在高Cr合金钢穿孔过程中，通常采用钼顶头进行穿孔，钼顶头失效的方式主要是磨损严重、开裂、黏钢划伤毛管等质量缺陷［11-13］，这些缺陷对高Cr合金钢穿孔毛管内表面质量影响更加严重。针对顶头的失效形式，国内外在顶头的形状和结构设计、热处理工艺、顶头材质成分等多方面进行了研究［13］；以改善穿孔毛管内表面质量为目的，对顶头外形进行设计，以提高其使用寿命。

1 研究背景及现状

在无缝钢管的生产中，穿孔顶头是生产的关键工具之一，同时也是消耗最大的工具。顶头在穿孔过程中与高温管坯直接接触，减径终轧段顶头的鼻部温度高达 1 300 ℃［14］。在 L80-9Cr、L80-13Cr毛管穿孔生产过程中，由于采用钼顶头，顶头无法进行冷却，穿孔前后顶头温度均很高，尤其是穿孔后温度可以达到900℃以上，钼顶头在高温状态下磨损较快，同时还存在钼的挥发，承受着很大的径向应力、轴向应力和摩擦力。在高温高压、交变应力和急冷急热的工作环境中，顶头经过热疲劳和机械疲劳的综合作用，使用一段时间之后，如图1（a）所示，顶头会形成明显的圆锥形，顶头尾部形成棱角，如图1（b）所示，穿孔后的毛管内表面出现非常明显的螺旋形痕迹，严重影响了钢管的质量和产量。为了保证穿孔毛管质量，在实际生产过程中往往以牺牲顶头使用寿命为代价，但是最终造成生产成本的增加［15］。

图1 穿孔顶头与毛管内表面

优化穿孔顶头的外形设计，以提高其服役寿命，有研究表明，影响钼合金顶头使用寿命的主要因素是钼合金粉末配比和粒度，钼粉的粒度应控制在 2.5～3.2 μm，钼合金顶头的添加元素中 m（Ti+Zr）/m（C）的配比控制在3～5。考虑到质量与成本的因素，钼顶头应该采用氢气烧结［16］。

2 分析与改进

为了查找穿孔毛管内表面螺纹形成原因，对一支穿孔中轧卡毛管试样进行了切割分析，如图2所示。

图2 穿孔中轧卡试样

从图2中可以看出，毛管内表面螺旋痕迹主要是顶头尾部在轧制过程中与毛管内表面接触，导致毛管内壁被“雕刻”成螺旋痕迹。毛管内表面螺旋痕迹产生的机理如下：

（1）钼顶头使用过程中，由于不断磨损，顶头形状逐渐接近圆锥形状，尾部与毛管内表面直接接触；

（2）顶头尾部规圆段长度偏短，导致磨损后顶头尾部近似锐角形状。

根据上述毛管内螺纹形成原因，为了改善穿孔毛管内表面质量，可在顶头设计方面采取如下措施：

（1）在顶头总长度不变的情况下，缩短穿孔锥长度，增加均壁段和规圆段长度，从而获得较为“肥胖”的顶头，增加顶头耐磨程度。

（2）减小顶头穿孔锥角度，进一步增加顶头耐磨程度，通过增加穿孔锥磨损余量，避免或降低尾部磨损，从而可以提高顶头使用寿命，改善或减轻穿孔毛管内表面螺旋深度，提高毛管内表面质量。改进后的顶头如图3所示。

图3 改进后的顶头

经过生产现场试用，生产Φ159 mm×12.5 mm毛管，毛管内表面质量有明显改善，顶头使用寿命也得到了一定的提高。改善后穿孔毛管内表面质量如图4所示。

图4 改善后穿孔毛管内表面质量

3 结果与讨论

经过现场生产Φ168 mm×12.5 mm L80-9Cr毛管验证，改善前后数据对比分析结果见表1。

表1 改善前后数据对比分析结果

通过对表1数据分析可以看出，在相同的生产条件下，用改善后的顶头生产的毛管不仅内表面质量较好，且在连续生产时工人中间过程调整次数和调整时间缩短，生产节奏明显提高约50 s/支；由于使用寿命增加，顶头更换时间在总生产时间的比例也有所降低，原来每个班最高产量从250支，提高到改善后的320支；由于毛管内表面质量改善，后续冷轧质量和效率也得到了提高。

4 结 语

（1）通过缩短高Cr合金钢穿孔顶头的穿孔锥长度，增加均壁段和规圆段长度，以及减小顶头穿孔锥角度，高Cr合金钢穿孔毛管内螺旋现象得到了明显改善。

（2）通过顶头形状的优化，顶头使用寿命提高了约40%。

（3）由于顶头使用寿命增加，毛管内表面质量的改善，生产调整时间缩短，生产效率提高了约28%。