專利名稱：鋼管的冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼管的冷卻方法，特別是涉及不發(fā)生淬裂地冷卻耐碳酸氣腐蝕性和耐硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂性優(yōu)秀的馬氏體系不銹鋼管的方法。
馬氏體系不銹鋼管，在要求強(qiáng)度和耐腐蝕性的種種用途中，特別是作為開采石油和天然氣用的油井管，近年來使用量在增大。另一方面，對(duì)于石油和天然氣的油井的鋼材的腐蝕環(huán)境正變得越發(fā)苛刻。例如，隨著采掘深度的增大，除了使用環(huán)境的高壓化外，高濃度地含有潮濕的碳酸氣、硫化氫、氯離子等腐蝕性成分的環(huán)境的井增多。因此，在高強(qiáng)度化的同時(shí)，腐蝕性成分引起油井管的腐蝕和脆化成了大問題，耐腐蝕性好的高強(qiáng)度油井管的必要性高起來。在以下的說明中，所謂“耐腐蝕性好”是指具有對(duì)腐蝕性成分引起的“腐蝕”和“脆化”二者的抵抗性。這里，所謂腐蝕成分引起的脆化是指硫化氫引起的硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂等。在以下的說明中，“馬氏體系不銹鋼”是指冷卻相變后的馬氏體相占主相的鋼，及加熱時(shí)奧氏體相占主相的鋼兩方的鋼。
馬氏體系不銹鋼管雖然對(duì)硫化氫引起的硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂的抵抗性不足，但是對(duì)潮濕碳酸氣引起的腐蝕具有優(yōu)秀的抵抗性。因此，可在含有比較低溫的潮濕的炭酸氣的環(huán)境下被廣泛地使用。作為其代表，可以舉出AP1(美國(guó)石油協(xié)會(huì))規(guī)定的L80級(jí)的馬氏體系不銹鋼的油井管。這是按重量％，含有C0.15～0.22％、Si1.00％以下、Mn0.25～1.00％、Cr12.0～14.0％、P0.020％以下、S0.010％以下、Ni0.50％以下及Cu0.25％以下的馬氏體系不銹鋼的油井管。該L80級(jí)油井管主要在含有硫化氫分壓為0.003氣壓以下的比較低溫的潮濕的碳酸氣的環(huán)境下被廣泛地使用。
馬氏體系不銹鋼管，也包括上述API的L80級(jí)在內(nèi)，一般需進(jìn)行淬火回火之后再供使用。但是，馬氏體系不銹鋼的馬氏體相變開始溫度(以下記為Ms點(diǎn)。另外，馬氏體相變結(jié)束溫度記為Mf點(diǎn))為300℃左右，比低合金鋼低，此外由于淬透性大而對(duì)淬裂的敏感性高。特別是，在鋼管的淬火中，由于與板材與棒材的場(chǎng)合不同，高應(yīng)力復(fù)雜地分布，所以通常的水淬往往引起淬裂。因此，在馬氏體系不銹鋼管的淬火中，必須采用空冷、強(qiáng)制空冷或鼓風(fēng)冷卻之類冷卻速度低的小的冷卻方法。但是，用該方法雖然能防止淬裂，但是由于冷卻速度低，所以生產(chǎn)率不高，而且存在著機(jī)械性能和耐腐蝕性劣化的問題。在以下的說明中，所謂“冷卻”，特別是只要未作說明，就是指“為淬火而冷卻”。
一般來說，關(guān)于冷卻速度對(duì)馬氏體系不銹鋼管的耐腐蝕性的影響，以下事項(xiàng)是公知的。①抗拉強(qiáng)度越高，則硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性越大，與屈服極限無關(guān)。這意味著，在根據(jù)屈服極限進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)的油井管中，如果不提高抗拉強(qiáng)度而使屈服極限提高，則可以不使耐腐性劣化而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度化。因此，在馬氏體系不銹鋼管中，屈服比(屈服極限/抗拉強(qiáng)度)的提高被用作性能判斷的指標(biāo)，屈服比高則被判斷成有利。②馬氏體系不銹鋼具有在冷卻后容易殘留奧氏體的傾向。該殘留奧氏體由于回火而分解成鐵素體和碳化物，使屈服比和耐腐蝕性下降。③為了減少該殘留奧氏體，有必要使冷卻速度從先有技術(shù)的空冷引起的冷卻速度大幅度地提高。但是，通過噴霧冷卻或油淬，不能得到把殘留奧氏體減少到不成問題的范圍。
作為這樣的冷卻方法，通過一邊使鋼管旋轉(zhuǎn)一邊在鋼管的外表面用噴嘴噴射冷卻水，向鋼管全面而均勻地供給冷卻水，以便不產(chǎn)生冷卻不均勻性的方法已被提出(日本特開平3-82711號(hào)公報(bào))。根據(jù)該方法，把冷卻速度控制于1～20℃/sec的范圍的水淬成為可能，與先有技術(shù)的空氣冷卻相比可以抑制殘留奧氏體。但是，沒有消除發(fā)生淬裂的危險(xiǎn)性。
另外，作為效率高的冷卻鋼管的方法，一邊使鋼管旋轉(zhuǎn)，一邊從鋼管的端部把冷卻水送入鋼管內(nèi)，同時(shí)在鋼管的外表面使板狀的冷卻水流下的冷卻鋼管的內(nèi)外表面的方法被公開(日本特開平7-310126號(hào)公報(bào))。根據(jù)該方法，冷卻速度為40℃/sec以上的強(qiáng)冷卻是可能的，可以效率高地進(jìn)行冷卻。但是，尚未達(dá)到完全防止淬裂。
此外，在特定的冷卻條件下對(duì)特定的化學(xué)組成的馬氏體系不銹鋼進(jìn)行冷卻的方法的發(fā)明也被提出(日本特開昭63-149320號(hào)公報(bào)、特公平1-14290號(hào)公報(bào)、特開平2-236257號(hào)公報(bào)、特開平2-247360號(hào)公報(bào)、特開平4-224656號(hào)公報(bào)等)。
其中，在特公平1-14290號(hào)公報(bào)中公開，如果在固溶處理后以1～20℃/sec的冷卻速度冷卻油井管，則應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性下降。但是，關(guān)于急速冷卻時(shí)的淬裂什么也沒有提及。
另外，在特開平2-236257號(hào)公報(bào)、特開平2-247360號(hào)公報(bào)和特開平4-224656號(hào)公報(bào)等中，為了同時(shí)解決耐硫化物應(yīng)力斷裂和淬裂兩方面的問題，提出把C含量比先有技術(shù)降低的稱為所謂“超級(jí)13Cr”的鋼及其制造方法。但是，這樣的方法中由于全都不得不提高昂貴的合金元素的含量，所以存在著成本上升顯著的問題。
本發(fā)明的目的在于提供不產(chǎn)生淬裂的鋼管的冷卻方法，特別是，提供以高生產(chǎn)率不產(chǎn)生淬裂地冷卻在油井環(huán)境中具有優(yōu)秀的耐腐蝕性的馬氏體系不銹鋼管的方法。
本發(fā)明的鋼管的基本冷卻方法為以下的冷卻方法(1)。
(1)一邊使鋼管繞管軸旋轉(zhuǎn)，一邊在整個(gè)溫度區(qū)內(nèi)使鋼管內(nèi)表面的冷卻速度與外表面的冷卻速度相等，或低于外表面的冷卻速度的鋼管冷卻方法，使冷卻速度最低部位的冷卻速度在從〔Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)的中間溫度〕到Mf點(diǎn)的溫度區(qū)內(nèi)超過8℃/sec的冷卻方法(以下作為〔發(fā)明1〕)。
作為使鋼管的內(nèi)表面的冷卻速度與外表面的冷卻速度相等的冷卻方法，有例如用層流水冷卻旋轉(zhuǎn)的管的外表面，內(nèi)表面則不讓水充滿地通水的方法。此外，對(duì)于使內(nèi)表面的冷卻速度在整個(gè)溫度區(qū)內(nèi)低于外表面的冷卻速度的冷卻方法，有例如對(duì)外表面用層流水冷或集中噴射水冷，內(nèi)表面則進(jìn)行空氣冷卻的方法。在以下的說明中，有時(shí)把用足夠的水量冷卻外表面，例如用層流水或足夠的水量的噴射水冷卻者稱為“強(qiáng)冷卻”，而把對(duì)外表面進(jìn)行節(jié)制水量冷卻者，例如用集中水量的噴射水冷卻者稱為“緩冷卻”。在冷卻內(nèi)表面的場(chǎng)合，即使水冷的場(chǎng)合也不用“強(qiáng)冷卻”或“緩冷卻”的說法。
包括〔發(fā)明1〕在內(nèi)，本說明書中的所有的本發(fā)明方法，鋼管在大體水平的狀態(tài)下一邊繞管軸旋轉(zhuǎn)一邊被冷卻。
以下的(2)和(3)的冷卻方法，是在上述〔發(fā)明1〕中，外表面在整個(gè)溫度區(qū)內(nèi)強(qiáng)冷卻，內(nèi)表面則使冷卻速度與外表面相等，既抑制奧氏體的殘留，又防止淬裂的方法。
(2)使冷卻水在鋼管的外表面流下或噴射，并且冷卻水不充滿管內(nèi)地使冷卻水在管內(nèi)通流，使內(nèi)表面的冷卻速度與外表面的冷卻速度相等的〔發(fā)明1〕的鋼管冷卻方法(以下作為〔發(fā)明2〕)。
(3)使冷卻水在鋼管的外表面流下或噴射，并且，冷卻水不充滿管內(nèi)地使冷卻水在管內(nèi)通流，使內(nèi)表面的冷卻速度與外表面的冷卻速度相等，而且，使鋼管的內(nèi)外表面的最高冷卻速度低于35℃/sec而冷卻馬氏體系不銹鋼管的上述〔發(fā)明1〕的鋼管冷卻方法(以下作為〔發(fā)明3〕)。
以下的(4)和(5)，是在上述〔發(fā)明1〕中，內(nèi)表面在整個(gè)溫度區(qū)內(nèi)進(jìn)行空氣冷卻，外表面進(jìn)行空氣冷卻、緩冷卻或強(qiáng)冷卻的組合，抑制殘留馬氏體，并且防止淬裂的冷卻方法(參照下述的圖3和圖4)。內(nèi)表面的冷卻速度在整個(gè)溫度區(qū)內(nèi)低于外表面的冷卻速度。
(4)馬氏體系不銹鋼管的冷卻方法(以下，作為〔發(fā)明4〕)包括一邊使鋼管繞管軸旋轉(zhuǎn)，一邊空冷到鋼管的外表面溫度成為〔Ms點(diǎn)-30℃〕～〔Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)的中間溫度〕的溫度區(qū)的第一冷卻，與接著以內(nèi)表面處的冷卻速度8℃/sec以上的條件把管外表面強(qiáng)冷卻到外表面溫度成為Mf點(diǎn)以下的溫度區(qū)的第二冷卻。
(5)馬氏體系不銹鋼管的冷卻方法(以下，作為〔發(fā)明5〕)包括一邊使鋼管繞管軸旋轉(zhuǎn)，一邊把鋼管的外表面強(qiáng)冷卻到鋼管的外表面溫度成為〔Ms點(diǎn)+400℃〕～Ms點(diǎn)的溫度區(qū)的第一冷卻；接著，直到外表面溫度成為Ms點(diǎn)～〔Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)的中間溫度〕的溫度區(qū)，使外表面處的第二冷卻中的平均傳熱系數(shù)小于第一冷卻結(jié)束時(shí)的該系數(shù)的1/2的第二冷卻；以及然后以內(nèi)表面處的冷卻速度8℃/sec以上的條件強(qiáng)冷卻管外表面到外表面溫度成為Mf點(diǎn)以下的第三冷卻。
上述當(dāng)中，〔發(fā)明1〕和〔發(fā)明2〕的作為對(duì)象的鋼管不限于馬氏體系不銹鋼管，也可以是淬裂成為問題的中碳鋼管?！舶l(fā)明3〕、〔發(fā)明4〕和〔發(fā)明5〕的作為對(duì)象的鋼管限于馬氏體系不銹鋼管。冷卻速度最低的鋼管部位，在〔發(fā)明2〕和〔發(fā)明3〕的方法的場(chǎng)合為鋼管壁厚的中心，而在〔發(fā)明4〕和〔發(fā)明5〕的方法的場(chǎng)合為鋼管的內(nèi)表面。
成為鋼管的最低冷卻速度的部位處的冷卻速度8℃/sec以上，是指在從Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)的中間溫度到Mf點(diǎn)的溫度區(qū)中的冷卻速度。
關(guān)于〔發(fā)明2〕和〔發(fā)明3〕，以下事項(xiàng)是重要的。
關(guān)于鋼管內(nèi)表面的水冷，在冷卻水不充滿鋼管內(nèi)的狀態(tài)，例如在下述的內(nèi)表面濕潤(rùn)角180°以下冷卻。一般來說，由于鋼材的水冷卻主要由鋼材與水接觸時(shí)發(fā)生的熱傳遞實(shí)現(xiàn)的，單位時(shí)間內(nèi)鋼材表面與水的接觸面積影響拔熱量即冷卻速度。在冷卻水充滿鋼管內(nèi)的狀態(tài)，由于即使使鋼管旋轉(zhuǎn)，內(nèi)表面也始終與水接觸，所以即使用足夠的層流水進(jìn)行外表面的冷卻，內(nèi)表面的冷卻速度也超過外表面的冷卻速度。
〔發(fā)明3〕中最高冷卻速度為35℃/sec以下，是指整個(gè)冷卻過程的最高冷卻速度。在用水冷卻鋼管的場(chǎng)合，由于一般來說泡狀沸騰時(shí)(低溫區(qū))的冷卻速度高于膜狀沸騰時(shí)(高溫區(qū))的冷卻速度，所以為了使整個(gè)冷卻過程的最高冷卻速度為35℃/sec以下，最好是使泡狀沸騰時(shí)的冷卻速度為35℃/sec以下。關(guān)于鋼管外表面的強(qiáng)冷卻，由于在強(qiáng)冷卻的范圍內(nèi)減少在管道外表面流下或噴射的冷卻水的水量，很容易把最高冷卻速度調(diào)節(jié)為35℃/sec以下。
關(guān)于〔發(fā)明5〕，以下事項(xiàng)是重要的。
傳熱系數(shù)為把冷卻中從鋼管外表面奪取的熱流束(J/(sec·m2)＝W/m2)除以外表面溫度與冷卻介質(zhì)溫度之差的值。因而，傳熱系數(shù)為冷卻裝置、冷卻介質(zhì)(水、油等)及鋼管外表面的狀態(tài)、溫度等有關(guān)，一般來說有溫度越低傳熱系數(shù)越大的趨勢(shì)。平均傳熱系數(shù)是指作為對(duì)象的溫度區(qū)中，即〔發(fā)明5〕的第二冷卻中從開始溫度到停止溫度的傳熱系數(shù)的平均值。第一冷卻結(jié)束時(shí)的傳熱系數(shù)是指第一冷卻結(jié)束溫度附近的第一冷卻方法中的傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)或平均傳熱系數(shù)可以由單位面積和單位時(shí)間的冷卻水量來控制。
在〔發(fā)明1〕～〔發(fā)明5〕中，鋼管的內(nèi)外表面的溫度或冷卻速度，如下述的

圖11中所示，是指從各自表面向內(nèi)側(cè)深入3mm的位置的溫度或冷卻速度。
圖1(a)是表示〔發(fā)明2〕的最佳實(shí)施例的冷卻裝置的剖視圖。圖1(b)是表示〔發(fā)明4〕和〔發(fā)明5〕的實(shí)施例的最佳冷卻裝置的剖視圖。標(biāo)號(hào)1表示鋼管，3表示供給外表面冷卻水的噴嘴，4表示旋轉(zhuǎn)支承輥，5表示內(nèi)面?zhèn)壤鋮s水，6表示外面?zhèn)壤鋮s水，7表示擋板，8表示下部噴射噴嘴。
圖2是表示〔發(fā)明2〕的實(shí)施例的最佳冷卻裝置的縱剖視圖。標(biāo)號(hào)2表示向內(nèi)表面供給冷卻水的噴嘴。
圖3是示意地表示運(yùn)用〔發(fā)明4〕的方法時(shí)的鋼管外表面的溫度推移的圖。標(biāo)號(hào)11表示溫度〔Ms點(diǎn)-30℃〕，12表示溫度〔Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)的中間溫度〕，13表示〔發(fā)明4〕中的第一冷卻，14表示〔發(fā)明4〕中的第二冷卻，15表示〔發(fā)明4〕中的第一冷卻停止溫度和第二冷卻開始溫度。
圖4是示意地表示運(yùn)用〔發(fā)明5〕的方法時(shí)的鋼管外表面的溫度推移的圖。標(biāo)號(hào)16表示溫度〔Ms點(diǎn)+400℃〕，17表示Ms點(diǎn)，18表示〔發(fā)明5〕中的第一冷卻，19表示〔發(fā)明5〕中的第二冷卻，20表示〔發(fā)明5〕中的第三冷卻，21表示〔發(fā)明5〕中的第一冷卻停止溫度和第二冷卻開始溫度，22表示〔發(fā)明5〕中的第二冷卻停止溫度和第三冷卻開始溫度。
圖5是表示運(yùn)用〔發(fā)明5〕的方法時(shí)的鋼管的內(nèi)表面和外表面的實(shí)測(cè)的冷卻曲線的一例的圖。
圖6是表示運(yùn)用〔發(fā)明4〕的方法時(shí)第二冷卻開始溫度對(duì)外表面的周向殘余應(yīng)力的影響的圖。符號(hào)ΔT表示第二冷卻開始溫度與Ms點(diǎn)之差。ΔT為正時(shí)乃是第二冷卻開始溫度比Ms點(diǎn)低的場(chǎng)合，為負(fù)時(shí)乃是高的場(chǎng)合。
圖7是表示運(yùn)用〔發(fā)明5〕的方法時(shí)第三冷卻開始溫度對(duì)外表面的周向殘余應(yīng)力的影響的圖。橫軸的( )內(nèi)的數(shù)值表示ΔT。
圖8是表示用〔發(fā)明5〕的方法冷卻壁厚5.5mm的鋼管時(shí)，殘余應(yīng)力成為200MPa的第二冷卻的平均傳熱系數(shù)Hb，第三冷卻的平均傳熱系數(shù)Hc及第三冷卻開始溫度的關(guān)系的圖。圖中附于各折線的數(shù)值表示第三冷卻開始溫度。
圖9是表示運(yùn)用〔發(fā)明5〕的方法時(shí)第一冷卻的平均傳熱系數(shù)〔以7000W/(m2·k)為1〕對(duì)壁厚5.5mm的外表面的周向殘余應(yīng)力的影響的圖。
圖10是表示運(yùn)用〔發(fā)明5〕的方法時(shí)第三冷卻開始溫度和第三冷卻的平均傳熱系數(shù)對(duì)壁厚5.5mm的第三冷卻的管內(nèi)表面冷卻速度的影響的圖。
圖11是表示鋼管的內(nèi)外表面的測(cè)溫位置的圖。壁厚中心處的冷卻推移，可以根據(jù)在該內(nèi)外表面處實(shí)測(cè)的冷卻推移通過極高精度計(jì)算來預(yù)測(cè)。
圖12是表示實(shí)施例1的試驗(yàn)結(jié)果的圖。其中，試驗(yàn)件a和b是用〔發(fā)明3〕的范圍以外的方法冷卻的。
圖13是表示實(shí)施例1的冷卻曲線的圖。
圖14是表示〔發(fā)明2〕的鋼管的冷卻速度與內(nèi)表面水量的關(guān)系的圖。
圖15是表示〔發(fā)明2〕冷卻水的流動(dòng)的圖。這里，內(nèi)表面濕潤(rùn)角是在鋼管不旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下測(cè)定的角度。
圖16是表示實(shí)施例2的鋼管的冷卻曲線的圖。曲線A為本發(fā)明例的結(jié)果，曲線B為先有技術(shù)例的結(jié)果。
圖17是表示實(shí)施例3中所用的馬氏體系不銹鋼管的化學(xué)組成的圖。
圖18是表示實(shí)施例3的冷卻條件、冷卻速度、淬裂發(fā)生等的圖。
圖19是(a)表示帶缺口中的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)片的圖，而(b)是表示把該試驗(yàn)片裝在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)夾具中的狀態(tài)的圖。
圖20是表示實(shí)施例3中冷卻的鋼管的拉伸試驗(yàn)和耐腐蝕性試驗(yàn)的結(jié)果的圖。
下面根據(jù)附圖來說明本發(fā)明的實(shí)施例。1.冷卻裝置圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例的最佳冷卻裝置的剖視圖。圖1(a)是〔發(fā)明2〕和〔發(fā)明3〕，而圖1(b)是〔發(fā)明4〕和〔發(fā)明5〕的最佳實(shí)施例的冷卻裝置。
無論在哪一種方法中，鋼管1都在旋轉(zhuǎn)支承輥4上旋轉(zhuǎn)。在〔發(fā)明2〕和〔發(fā)明3〕中，來自內(nèi)表面冷卻用噴嘴2的內(nèi)表面冷卻水5通常以下述圖15中所示的內(nèi)表面濕潤(rùn)角小于180°供給，對(duì)旋轉(zhuǎn)鋼管1的內(nèi)表面以與外表面相等的冷卻速度進(jìn)行冷卻。對(duì)外表面的強(qiáng)冷卻中，使來自例如兩排外表面冷卻用噴嘴3的板狀外表面冷卻水6在鋼管1的上部流下，以冷卻鋼管1的外表面。就對(duì)外表面的強(qiáng)冷卻裝置而言，雖然在圖1(a)的場(chǎng)合例示了兩排縫隙層流冷卻，但是也可以像圖1(b)所示那樣為一排縫隙層流冷卻。同樣，在〔發(fā)明4〕和〔發(fā)明5〕的場(chǎng)合的外表面冷卻中也可以用兩排縫隙層流水。
圖2是表示〔發(fā)明2〕和〔發(fā)明3〕的方法中用于內(nèi)表面冷卻的噴嘴的配置的縱剖視圖。內(nèi)表面冷卻水供給用噴嘴包括能針對(duì)鋼管尺寸和冷卻條件來調(diào)節(jié)水量和流速的機(jī)構(gòu)，它為了防止容易發(fā)生淬裂的鋼管端部的過冷卻，被設(shè)置成冷卻水不直接接觸端部。
在〔發(fā)明4〕和〔發(fā)明5〕的方法中，如圖1(b)所示，鋼管內(nèi)表面的冷卻在整個(gè)溫度區(qū)內(nèi)為空冷。外表面的冷卻，〔發(fā)明4〕的第一冷卻為例如空冷，進(jìn)行強(qiáng)冷卻的第二冷卻可以用圖1(b)中所示的縫隙層流冷卻裝置。在〔發(fā)明5〕中，在強(qiáng)冷卻的第一冷卻中，進(jìn)行例如縫隙層流冷卻，在作為緩冷卻的第二冷卻中可以用擋板7把縫隙層流遮斷，僅用來自冷卻能比它小的下部噴射噴嘴8的冷卻水進(jìn)行冷卻。在第三冷卻中，可以去掉擋板7而再次由縫隙層流來冷卻。此時(shí)下部噴射可以停止，也可以不停止。由于第三冷卻是強(qiáng)冷卻，所以通常不停止下部噴射，而與層流水并用。圖1(b)表示〔發(fā)明5〕的作為緩冷卻的第二冷卻的狀態(tài)。
從外表面對(duì)鋼管進(jìn)行強(qiáng)冷卻的裝置，不限于圖1(a)和圖1(b)中所示的層流裝置，只要能充分保證單位時(shí)間單位面積上的水量，也可以是沿管的長(zhǎng)度方向配置多個(gè)噴射環(huán)的裝置，噴射環(huán)帶有沿管的周向的多個(gè)噴嘴。
把層流冷卻裝置用于外表面的強(qiáng)冷卻的場(chǎng)合或?yàn)閮?nèi)表面的冷卻而通水的場(chǎng)合，為了降低管周向的溫度不均勻性，可以有以40rpm以上，最好是50rpm以上的旋轉(zhuǎn)速度使鋼管旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置。2.冷卻速度在〔發(fā)明3〕的方法中，馬氏體系不銹鋼管內(nèi)外表面位置的最高冷卻速度為35℃/sec以下，鋼管的壁厚中心位置的Ms點(diǎn)附近以下的冷卻速度(最低冷卻速度)為8℃/sec以上。這可以通過調(diào)節(jié)內(nèi)表面冷卻水5的水量和流速，及調(diào)節(jié)外表面冷卻條件來實(shí)現(xiàn)。如果最高冷卻速度超過35℃/sec，則只要不把C含有量抑制得很低，就會(huì)在馬氏體系不銹鋼管上發(fā)生淬裂。此外，壁厚中心位置的冷卻速度不足8℃/sec時(shí)，殘留奧氏體混入馬氏體，耐腐蝕性和機(jī)械性能劣化。
鋼管的內(nèi)外表面位置的冷卻速度的下限，自然由鋼管的壁厚中心位置的冷卻速度為8℃/sec以上的條件來限制。此外，鋼管的壁厚中心位置的冷卻速度的上限，也由鋼管內(nèi)外表面位置的冷卻速度為35℃/sec以下的條件來限制。
下面說明〔發(fā)明4〕和〔發(fā)明5〕的冷卻速度。
圖3和圖4分別示意地表示由〔發(fā)明4〕和〔發(fā)明5〕的方法引起的外表面溫度的推移。在兩圖中，所謂“中間溫度”是指Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)的中間的溫度{(Ms點(diǎn)+Mf點(diǎn))/2}。從馬氏體相變進(jìn)行一半的中間溫度到Mf點(diǎn)的溫度區(qū)內(nèi)的冷卻速度，對(duì)殘留奧氏體的量有很強(qiáng)的影響。由于在該溫度區(qū)的冷卻速度不足8℃/sec的場(chǎng)合，如上所述殘留奧氏體增加，耐腐蝕性和機(jī)械性能劣化，所以在〔發(fā)明4〕和〔發(fā)明5〕的冷卻方法中，冷卻速度最低的鋼管內(nèi)表面處必須為8℃/sec以上。
鋼管內(nèi)表面的冷卻速度的上限雖然沒有特別限制，但由于從外表面冷卻的冷卻介質(zhì)是水而自然受限制。
Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)可以根據(jù)基于鋼的化學(xué)組成的計(jì)算值和實(shí)際測(cè)定相變曲線的數(shù)據(jù)來確定。這樣求出的Ms點(diǎn)或Mf點(diǎn)，與實(shí)際值相比出入不大，不會(huì)產(chǎn)生本發(fā)明的實(shí)施上的問題。作為本發(fā)明的對(duì)象的馬氏體系不銹鋼的Ms點(diǎn)為200℃～300℃，Mf點(diǎn)在常溫～150℃的范圍內(nèi)。
圖5表示運(yùn)用〔發(fā)明5〕的冷卻方法時(shí)鋼管內(nèi)表面和外表面的實(shí)測(cè)的冷卻曲線。3.冷卻方法與殘余應(yīng)力的關(guān)系〔發(fā)明2〕和〔發(fā)明3〕的鋼管的冷卻方法，一邊使鋼管繞管軸旋轉(zhuǎn)，一邊在冷卻水不充滿鋼管內(nèi)的狀態(tài)下使冷卻水在鋼管內(nèi)通流。借助于該方法，可以減小鋼管內(nèi)表面中在單位時(shí)間內(nèi)的與水接觸面積，實(shí)現(xiàn)與外表面的冷卻速度相等的冷卻速度。這些方法，由于同時(shí)冷卻內(nèi)外表面，所以可以實(shí)現(xiàn)沿鋼管的壁厚方向均一的冷卻。但是，如上所述，由于即使使內(nèi)外表面的冷卻速度相同，如果該冷卻速度超過35℃/sec則殘余應(yīng)力也要增大，所以冷卻速度定為35℃/sec以下。
再者，在鋼管內(nèi)通流的冷卻水在管截面內(nèi)的內(nèi)表面濕潤(rùn)角最好為90°～180°左右。管截面內(nèi)的內(nèi)表面濕潤(rùn)角是從管軸心看到的水覆蓋管內(nèi)表面的區(qū)域的角度。由于如果鋼管的內(nèi)徑、水量及流速確定，則內(nèi)表面濕潤(rùn)角確定，所以最好預(yù)先把握它們的關(guān)系。當(dāng)內(nèi)表面濕潤(rùn)角為上述范圍時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)與外表面相等的冷卻速度，并且進(jìn)行穩(wěn)定的通水。
將鋼管1的尺寸和冷卻條件合在一起，調(diào)節(jié)該內(nèi)表面冷卻水5的水量、流速、內(nèi)表面濕潤(rùn)角，并且將它們合在一起，調(diào)節(jié)外表面冷卻條件，就可以實(shí)現(xiàn)沿壁厚方向均一的想要的冷卻。
〔發(fā)明4〕和〔發(fā)明5〕的冷卻程序，除了內(nèi)表面的冷卻中不用水，和把外表面冷卻分成兩段或三段來進(jìn)行以外，與上述的〔發(fā)明2〕和〔發(fā)明3〕的方法幾乎相同。下面說明〔發(fā)明4〕和〔發(fā)明5〕各自的冷卻方法與殘余應(yīng)力的關(guān)系。
在〔發(fā)明4〕的冷卻方法中，第一冷卻(空冷)的停止溫度15比〔Ms點(diǎn)-30℃〕低，而比中間溫度12高。
圖6表示第二冷卻開始溫度對(duì)外表面的周向殘余應(yīng)力的影響。一般來說，如果外表面的周向殘余應(yīng)力為200MPa以下，則幾乎不發(fā)生淬裂。由同一圖，ΔT為30℃時(shí)殘余應(yīng)力約為200MPa，因而，如果ΔT為30℃以上則不發(fā)生淬裂。
例如，在Ms點(diǎn)為290℃而Mf點(diǎn)為100℃的馬氏體系不銹鋼的場(chǎng)合，中間溫度為195℃。
因而，如果從例如250℃附近開始強(qiáng)冷卻，則由于ΔT為+40℃，所以不發(fā)生促進(jìn)淬裂那樣的高殘余應(yīng)力。
在〔發(fā)明4〕的方法中，由于ΔT設(shè)定成30℃以上所以幾乎不發(fā)生殘余應(yīng)力，因而，不產(chǎn)生淬裂。同時(shí)，由于從中間溫度12以上的溫度15轉(zhuǎn)換成第二冷卻(強(qiáng)冷卻)，所以能抑制殘留奧氏體，防止耐腐蝕性的劣化。
在〔發(fā)明5〕的方法的場(chǎng)合，在有強(qiáng)冷卻的第一冷卻中，在鋼管外表面?zhèn)犬a(chǎn)生引起熱應(yīng)力的拉伸塑性變形。此后，作為第二冷卻，當(dāng)外表面溫度成為Ms點(diǎn)以上的溫度21時(shí)把強(qiáng)冷卻轉(zhuǎn)換成緩冷卻，由回?zé)岈F(xiàn)象而實(shí)現(xiàn)壁厚方向的溫差的減小。由于外表面溫度用第一冷卻強(qiáng)冷卻到Ms點(diǎn)以下，發(fā)生相變應(yīng)力，所以即使以后進(jìn)行回?zé)嵋膊荒苤竿麣堄鄳?yīng)力的降低。
第一冷卻停止溫度定為〔Ms點(diǎn)+400℃〕～Ms點(diǎn)的溫度區(qū)。第一冷卻停止溫度如果超過〔Ms點(diǎn)+400℃〕，則發(fā)生在外表面的拉伸塑性變形不充分，另一方面，如果低于Ms點(diǎn)，則不能指望由上述的回?zé)嵋鸬臍堄鄳?yīng)力降低。
由于第二冷卻是與第一冷卻連續(xù)的冷卻，所以第二冷卻開始溫度21當(dāng)然在〔Ms點(diǎn)+400℃〕～Ms點(diǎn)的范圍內(nèi)。通常，由于作為本發(fā)明的對(duì)象的鋼的Ms點(diǎn)為200℃～300℃，所以第二冷卻開始溫度21的上限大致為700°～600°。另一方面，第二冷卻停止溫度定為中間溫度以上。作為緩冷卻的第二冷卻停止溫度如果低于中間溫度，則在左右殘留奧氏體數(shù)量的溫度區(qū)中內(nèi)表面的冷卻速度變低，內(nèi)表面處的殘留奧氏體增加。
另外，在第二冷卻中，為了靠回?zé)醽頊p小在第一冷卻中發(fā)生的溫度差，把平均傳熱系數(shù)定為第一冷卻結(jié)束時(shí)的該系數(shù)的1/2以下。對(duì)于超過該值的傳熱系數(shù)來說，回?zé)岵怀浞?，?nèi)外表面的溫度差不能進(jìn)入最佳范圍內(nèi)。第二冷卻的傳熱系數(shù)的下限雖然沒有特別限制，但是為了縮短熱處理時(shí)間最好定為得到比空冷要高的冷卻速度的傳熱系數(shù)。
在〔發(fā)明5〕的方法的場(chǎng)合，在第一冷卻中在外表面?zhèn)犬a(chǎn)生拉伸塑性變形后，在第二冷卻中進(jìn)行緩冷卻，保留著一定程度的壁厚方向的溫度差而通過Ms點(diǎn)。這時(shí)，第一冷卻中產(chǎn)生的拉伸塑性變形吸收在第二冷卻中發(fā)生的引起相變應(yīng)力的塑性變形。因此，雖然冷卻時(shí)間比〔發(fā)明4〕縮短，但能把殘余應(yīng)力抑制于小的范圍內(nèi)，因而能抑制淬裂。〔發(fā)明4〕與〔發(fā)明5〕的區(qū)別就在于此。
在第三冷卻中雖然再次進(jìn)行強(qiáng)冷卻，但是在該溫度區(qū)強(qiáng)冷卻的理由，如上所述，是為了抑制殘留奧氏體的緣故。第三冷卻開始溫度22在Ms點(diǎn)～中間溫度的溫度區(qū)內(nèi)?！舶l(fā)明5〕中的第三冷卻開始的上限溫度(Ms點(diǎn))，可以比〔發(fā)明4〕的方法中的第二冷卻的上限溫度(Ms點(diǎn)-30℃)高一些。其理由是因?yàn)樵凇舶l(fā)明5〕中，第一冷卻中產(chǎn)生的拉伸塑性變形在第二冷卻后仍然殘存，吸收在第三冷卻中發(fā)生的引起相變應(yīng)力的塑生變形。
此第三冷卻，如果由于鋼管為薄壁等原因第二冷卻中的內(nèi)表面處的冷卻速度為8℃/sec以上，則沒有必要特別進(jìn)行比第二冷卻更強(qiáng)的冷卻，也可以用與第二冷卻相同的冷卻手段繼續(xù)冷卻。但是，為了縮短熱處理時(shí)間，最好把第三冷卻的冷卻速度提高得比第二冷卻的冷卻速度更高。
圖7表示運(yùn)用〔發(fā)明5〕的方法時(shí)第三冷卻開始溫度對(duì)管外表面的周向殘余應(yīng)力的影響。如圖7中所示，隨著第三冷卻開始溫度的提高，即隨著ΔT接近于0，殘余應(yīng)力增加，但是增加的斜率比〔發(fā)明4〕的方法中相對(duì)于第二冷卻開始溫度地增加斜率要緩慢。從圖7中可以知道，如果壁厚增加則殘余應(yīng)力增加。在相同的冷卻條件下，殘余應(yīng)力幾乎與壁厚成比例地增大。
在圖7中可以知道，為了把殘余應(yīng)力抑制于作為足以防止發(fā)生淬裂的值的200MPa以下，在壁厚5.5mm的場(chǎng)合把第三冷卻開始溫度22變成267℃以下，而在壁厚6.5mm的場(chǎng)合變成264℃以下就可以了。該第三冷卻開始溫度的上限可以根據(jù)第二冷卻的平均傳熱系數(shù)Hb或第三冷卻的平均傳熱系數(shù)Hc來選定。
下面對(duì)壁厚5.5mm的場(chǎng)合為例說明該第三冷卻開始溫度、Hb和Hcr選定方法。再者，第一冷卻的傳熱系數(shù)Ha，只要未特別說明，就是指第一冷卻停止溫度附近的第一冷卻的傳熱系數(shù)。
圖8用作為各折線的第三冷卻開始溫度來表示殘余應(yīng)力成為200MPa的第二冷卻的平均傳熱系數(shù)Hb與第三冷卻的平均傳熱系數(shù)Hc的關(guān)系。各折線是令第二冷卻開始溫度為350℃，令第一冷卻的傳熱系數(shù)Ha為7000W/(m2·K)，按有限元法算出的。根據(jù)圖8，如果確定了Hb(橫座標(biāo))和Hc(縱座標(biāo))，則可求出外表面的周向殘余應(yīng)力成為200MPa的第三冷卻開始溫度。如果根據(jù)圖8把該第三冷卻開始溫度作為回歸式數(shù)字化，則成為以下(a)式這樣。
殘余應(yīng)力成為200MPa的第三冷卻開始溫度(℃)＝Ms(℃)+6.4-0.0154Hb(W/(m2·K))-0.00276Hc(W/(m2·K))…(a)因而，把Hb和Hc設(shè)定于層流水冷卻等的現(xiàn)實(shí)可能的范圍內(nèi)，可以根據(jù)上述(a)式確定第三冷卻開始溫度。圖8或上述(a)式是令第一冷卻的傳熱系數(shù)Ha為恒定值7000W/(m2·K)的結(jié)果。如果該Ha變動(dòng)，則第三冷卻開始溫度的允許范圍也變化。
圖9表示第一冷卻的傳熱系數(shù)Ha對(duì)外表面的周向殘余應(yīng)力的影響。這里橫座標(biāo)把7000W/(m2·K)作為1表示。如圖9所示，由于如果增加第一冷卻的傳熱系數(shù)，則外表面的周向殘余應(yīng)力減少，所以通過增加第一冷卻的傳熱系數(shù)可以把第三卻開始溫度提高得比圖8中所示的溫度更高。但是，第一冷卻的傳熱系數(shù)Ha并不是由于加大時(shí)可以提高第三冷卻開始溫度以便縮短冷卻時(shí)間就越大越好。如果考慮從第一冷卻到第二冷卻的轉(zhuǎn)換的控制精度、直到把鋼管冷卻到室溫為止的整個(gè)冷卻時(shí)間等，則Ha的最佳上限自然確定。
為了縮短整個(gè)冷卻時(shí)間，縮短作為緩冷卻的第二冷卻的冷卻時(shí)間是重要的。第二冷卻開始溫度最好是盡可能靠近Ms點(diǎn)。例如，第二冷卻，可以用(Ms+60℃)～100℃的溫度區(qū)進(jìn)行。此外，作為第一冷卻結(jié)束時(shí)的傳熱系數(shù)Ha，最好是定為5000～10000W/(m2·K)的范圍。此傳熱系數(shù)Ha相當(dāng)于在兩排縫隙層流冷卻中供給0.3～1.0m3/(min·m)的水量時(shí)的傳熱系數(shù)。
圖10表示第三冷卻開始溫度和第三冷卻的平均傳熱系數(shù)Hc對(duì)第三冷卻中的管內(nèi)表面冷卻速度的影響。從圖10可見，在壁厚5.5mm中為了確保第三冷卻的內(nèi)表面冷卻速度在8℃/sec以上，Hc必須在1860W/(m2·K)以上。
用該Hc值1860W/(m2·K)，根據(jù)第三冷卻開始溫度必須為Ms點(diǎn)以下這一條件，可以得到在第二冷卻中，也可以不把下部噴射等用于冷卻而進(jìn)行空冷的依據(jù)。在鋼管外表面存在著空氣對(duì)流和輻射冷卻，可以在Ms點(diǎn)附近把由空冷引起的傳熱系數(shù)估定為35W/(m2·K)左右。因此，如果把Hb＝35W/(m2·K)、Hc＝1860W/(m2·K)代入上述(a)式，則殘余應(yīng)力成為200MPa的第三冷卻開始溫度大約成為Ms點(diǎn)。
由于殘余應(yīng)力與壁厚成比例，在壁厚比5.5mm薄的場(chǎng)合，為了把殘余應(yīng)力抑制于200MPa以下的第三冷卻開始溫度的上限設(shè)定成比Ms點(diǎn)稍高些是可能的。但是，壁厚5.5mm乃是當(dāng)前高強(qiáng)度油井管的最小壁厚，即使將來進(jìn)一步薄壁化，也由于進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力是最佳的方向，所以第三冷卻開始溫度仍取為Ms點(diǎn)以下。4.冷卻前的加熱鋼管的材質(zhì)無論是碳素鋼、低合金鋼、馬氏體系不銹鋼，冷卻前的加熱溫度最好是定為奧氏體晶粒未粗大化的溫度，例如1100℃以下。再者，在馬氏體系不銹鋼的場(chǎng)合，可以選上述δ鐵素體的比率未達(dá)到20％的溫度區(qū)，例如900℃～1100℃。冷卻開始溫度通常是與冷卻前加熱溫度相同的溫度，或者是減掉從加熱裝置到冷卻裝置的溫度下降量(50℃以下)的溫度。
無論鋼管的材質(zhì)如何，淬火不僅是上述所謂離線的再加熱冷卻，也可以利用熱加工后材料保有的熱，或者在線輔助加熱后就那樣進(jìn)行冷卻的所謂直接淬火。
冷卻后的鋼管，無論是馬氏體系不銹鋼管、低合金鋼管、中碳素鋼管，都進(jìn)行回火。
在馬氏體系不銹鋼管的場(chǎng)合，按API的L80的規(guī)定，在593℃～AC1點(diǎn)的溫度區(qū)內(nèi)回火，根據(jù)用途賦予想要的特性。再者，為了賦予良好的耐腐蝕性，回火溫度最好為650℃以上。該回火后的冷卻最好以高于空冷的冷卻速度來進(jìn)行，冷卻速度越高則韌性越高。
在中碳素鋼管、低合金鋼管的場(chǎng)合，也可以根據(jù)用途確定回火溫度。但是，回火溫度的上限取為AC1點(diǎn)以下。
另外，即使在回火之后用熱矯直機(jī)進(jìn)行矯直處理，在上述的所有鋼種的鋼管的特性上不發(fā)生任何問題。5.馬氏體系不銹鋼管的材質(zhì)馬氏體系不銹鋼管的材質(zhì)最好是以下材質(zhì)。再者，附在合金元素上的“％”是指“重量％”。1)化學(xué)組成同時(shí)具有耐碳酸氣腐蝕性和耐硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂性的馬氏體系不銹鋼管的合金元素中，C和Cr最好在下述范圍內(nèi)。其他合金元素及其含有率，只要馬氏體占80％以上，不損害耐碳酸氣腐蝕性和耐硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂性，可以任意。
C0.1～0.3％由于C不足0.1％時(shí)δ鐵素體多量地生成，不能得到想要的強(qiáng)度和耐腐蝕性，另一方面，如果C超過0.3％，則不僅即使按本發(fā)明的方法來冷卻也不能避免奧氏體的殘留，耐腐蝕性劣化，而且即使運(yùn)用本發(fā)明方法也不能阻止淬裂，所以最好為0.1～0.3％。
Cr11～15％由于Cr不足11％時(shí)耐腐蝕性劣化，另一方面，如果超過15％則生成δ鐵素體，不能得到想要的組織，強(qiáng)度和耐腐蝕性劣化，所以最好為11～15％。2)組織為了同時(shí)具有想要的強(qiáng)度和耐腐蝕性，馬氏體系不銹鋼管的組織最好是由80％以上的馬氏體組成。如果馬氏體不足80％，則難于得到所要求的屈服強(qiáng)度。這里組織的比率(％)是指光學(xué)顯微鏡視野內(nèi)的面積率。整個(gè)組織都是馬氏體(馬氏體100％)當(dāng)然好，不足20％的其他組織存在也可以。再者，本發(fā)明方法，如上所述，是抵制殘留奧氏體的，因而，所謂“馬氏體以外的組織”是指大部分的δ鐵素體和隨著C增加而增加的少量的殘留奧氏體相。
為了上述的馬氏體系不銹鋼的組織成為馬氏體80％以上，最好使C和Cr以外的其他合金元素含量在以下范圍內(nèi)。例如可以是含Si0.01～1％、Mn0.01～1％、Mo0～3％、Ni0～5％、sol Al0.001～0.1％、N0～0.1％、Nb0～0.5％、Ti0～0.5％、V0～0.8％、Cu0～2％，Ca0～0.01％、Mg0～0.01％以及B0～0.01％，作為雜質(zhì)的P0.1％以下、S0.05％以下的鋼。實(shí)施例下面通過實(shí)施例來說明本發(fā)明的效果。(實(shí)施例1)
用圖1(a)和圖2中所示的鋼管的冷卻裝置，進(jìn)行了普通鋼管的冷卻試驗(yàn)。在冷卻試驗(yàn)中，通過用加熱爐把鋼管加熱成900℃后，一邊使之旋轉(zhuǎn)，一邊從850℃起由兩排縫隙層流水冷卻外表面，并且在管內(nèi)通水冷卻內(nèi)表面，測(cè)定鋼管的溫度變化來進(jìn)行。
圖11表示設(shè)置了熱電偶的鋼管內(nèi)外表面的測(cè)溫位置。這些位置的冷卻曲線是改變供給內(nèi)外表面的冷卻條件而測(cè)定的。
所用的鋼管為直徑139.7mm、壁厚16.0mm、長(zhǎng)度1200mm的普通鋼管(化學(xué)成分C0.1％、Si0.4％、Mn1.0％)。兩排縫隙層流的縫隙間隔100mm，該外表面冷卻水供給用嘴高度為離鋼管的上端1245mm。鋼管的旋轉(zhuǎn)速度為60rpm。冷卻水的水溫約為36℃。內(nèi)表面通水冷卻，在抑制水量，使冷卻水不充滿鋼管內(nèi)的條件下進(jìn)行。
圖12表示冷卻速度的測(cè)定結(jié)果。冷卻速度從表示鋼管的溫度變化的冷卻曲線讀取。在冷卻速度最慢的試驗(yàn)件f、g的場(chǎng)合，壁厚中心部的冷卻速度在21℃/sec時(shí)通過數(shù)值計(jì)算被確認(rèn)。其他試驗(yàn)件的壁厚中心部的冷卻速度均為21℃/sec以上。
圖13表示該冷卻曲線的一例(圖12中的試驗(yàn)件g)。如圖13中所示，根據(jù)在冷卻前半的高溫區(qū)中的直線部分的溫度斜率求出膜狀沸騰時(shí)的冷卻速度，根據(jù)在冷卻后半的低溫區(qū)中的直線部分的溫度斜率求出泡狀沸騰時(shí)的冷卻速度。
如上所述，泡狀沸騰時(shí)的冷卻速度高于膜狀沸騰時(shí)的冷卻速度，為了使內(nèi)表面的冷卻速度與外表面相等，抑制該泡狀沸騰時(shí)的冷卻速度是重要的。
圖14表示令外表面水量為恒定值26m3/hr時(shí)泡狀沸騰時(shí)的冷卻速度對(duì)內(nèi)表面水量的關(guān)系?？梢娡ㄟ^減少內(nèi)表面水量可以降低冷卻速度。
圖15表示冷卻水的流動(dòng)。內(nèi)表面水量為15m3/hr時(shí)，內(nèi)表面濕潤(rùn)角為160°，內(nèi)表面水量為25m3/hr時(shí)，內(nèi)表面濕潤(rùn)角為180°，內(nèi)表面水量為35m3/hr時(shí)，內(nèi)表面濕潤(rùn)角為220°。
就是說，通過一邊使鋼管繞其管軸旋轉(zhuǎn)，一邊內(nèi)表面濕潤(rùn)角小地使冷卻水在鋼管內(nèi)通流，可以實(shí)現(xiàn)使內(nèi)外表面的冷卻速度相等的冷卻。從圖13的冷卻曲線可以看出，上述冷卻是抑制內(nèi)外表面的溫度差的冷卻。(實(shí)施例2)用圖1(a)和圖2中所示的鋼管的冷卻裝置，進(jìn)行了含有13％Cr的馬氏體系不銹鋼管的冷卻試驗(yàn)。冷卻試驗(yàn)中，用加熱爐把鋼管加熱成1000℃，一邊使之旋轉(zhuǎn)一邊從900℃起使兩排縫隙層流在外表面流下，在內(nèi)表面通水，測(cè)定鋼管的溫度變化。
所用的鋼管為直徑139.7mm、壁厚16.0mm、長(zhǎng)度1200mm的含有13％Cr的馬氏體系不銹鋼管(C0.18％、Si0.20％、Mn0.70％、Cr12.9％、其余實(shí)質(zhì)為Fe)。Ms點(diǎn)為290℃。供給內(nèi)表面的冷卻水量為15m3/hr，外表面的冷卻水量為26m3/hr。內(nèi)表面濕潤(rùn)角為160°。兩排縫隙層流的縫隙間隔100mm，該外表面冷卻水供給用噴嘴高度為離鋼管的上端1245mm。鋼管的旋轉(zhuǎn)速度為60rpm。冷卻水的水溫約為36℃。溫度測(cè)定由熱電偶進(jìn)行。溫度與實(shí)施例1相同在圖11中所示的位置測(cè)定。
再者，為了比較，也對(duì)外表面冷卻水量為26m3/hr、內(nèi)表面的水量為250m3/hr(冷卻水充滿管內(nèi)的量)的先有技術(shù)例進(jìn)行了冷卻試驗(yàn)。
圖16表示冷卻曲線。曲線A為本發(fā)明例的結(jié)果，曲線B為先有技術(shù)例的結(jié)果。曲線A的最高冷卻速度為31℃/sec，而曲線B的內(nèi)表面的最高冷卻速度為60℃/sec。冷卻曲線A是運(yùn)用本發(fā)明方法的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了最佳冷卻速度。此外，曲線A中鋼管內(nèi)外表面的溫度差最大為60°左右，與曲線B相比可以看出均一地進(jìn)行著冷卻。
曲線A中的壁厚中心部的冷卻速度，根據(jù)本測(cè)定結(jié)果等進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，確認(rèn)為26℃/sec以上。
用本發(fā)明方法和先有技術(shù)方法分別對(duì)各10根鋼管施行同樣的冷卻。結(jié)果是，先有技術(shù)方法中有3根發(fā)生淬裂，而本發(fā)明方法中未發(fā)生淬裂。(實(shí)施例3)圖17表示實(shí)施例中所用的被試鋼管的化學(xué)組成。該鋼的Ms點(diǎn)為290℃，Mf點(diǎn)為100℃。因而，〔Ms點(diǎn)+400℃〕為690℃，〔Ms點(diǎn)-30℃〕為260℃，而中間溫度(〔Ms點(diǎn)+Mf點(diǎn)〕/2)為195℃。熔煉該圖中所示的化學(xué)組成的馬氏體系不銹鋼，用通常的曼內(nèi)斯曼制管法制造了外徑151mm、壁厚5.5mm、長(zhǎng)度15m的馬氏體系不銹鋼管。
圖18表示冷卻該鋼管時(shí)的冷卻條件。從上述鋼管切出長(zhǎng)度1m的試驗(yàn)用鋼管并加熱成980℃后，針對(duì)各種冷卻條件每次對(duì)100根實(shí)施淬火。在圖18中，試驗(yàn)號(hào)1～試驗(yàn)號(hào)3(〔發(fā)明4〕的例子)的第一冷卻的傳熱系數(shù)Ha為空冷的傳熱系數(shù)，在旋轉(zhuǎn)速度為40～80rpm、外表面溫度為250℃時(shí)，約為35W/(m2·K)。
冷卻，如圖1(b)所示，用層流冷卻裝置，通過一邊使鋼管在旋轉(zhuǎn)輥4上以40rpm的速度旋轉(zhuǎn)，一邊向縫隙噴嘴3供給每1m鋼管0.5m3/(min·m)的水量來實(shí)施。該水量下的外表面的平均傳熱系數(shù)，在外表面溫度為300℃時(shí)約為9000W/(m2·K)，350℃時(shí)約為70000W/(m2·K)，400℃時(shí)約為5800W/(m2·K)。
來自下部噴射嘴8冷卻水6為在〔發(fā)明5〕的冷卻方法中實(shí)施第二冷卻而使用。〔發(fā)明4〕的方法中的第二冷卻與〔發(fā)明5〕的方法中的第一冷卻和第三冷卻中使用層流3，不使用下部噴射。第一冷卻與第二冷卻的轉(zhuǎn)換通過用配置于管上部的擋板7遮斷冷卻水，同時(shí)開始下部噴射來實(shí)現(xiàn)，第二冷卻與第三冷卻的轉(zhuǎn)換通過相反的步驟來實(shí)現(xiàn)。
此外，在所進(jìn)行的鋼管的冷卻試驗(yàn)中，預(yù)先在圖11中所示的內(nèi)表面位置貼裝熱電偶，實(shí)測(cè)冷卻中內(nèi)表面的溫度。借助于經(jīng)與該實(shí)測(cè)結(jié)果比對(duì)而確認(rèn)為具有足夠的精度的數(shù)值解析方法，預(yù)測(cè)各種條件下管外表面的溫度和內(nèi)表面的冷卻速度。像〔發(fā)明5〕的方法那樣在第一冷卻中進(jìn)行強(qiáng)冷卻的場(chǎng)合，把從第一冷卻向第二冷卻(緩冷卻)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻定為外表面溫度成為350℃的時(shí)刻，根據(jù)該預(yù)測(cè)的外表面溫度變化來確定轉(zhuǎn)換時(shí)間。
此外，第二冷卻與第三冷卻(強(qiáng)冷卻)的轉(zhuǎn)換同樣也預(yù)測(cè)外表面溫度變化，對(duì)ΔT實(shí)行種種變更來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，冷卻速度則是實(shí)測(cè)內(nèi)表面的冷卻速度，以確認(rèn)的預(yù)測(cè)的冷卻速度是妥當(dāng)?shù)?。圖18中記載的冷卻速度是實(shí)測(cè)值，是第三冷卻的溫度區(qū)內(nèi)的平均值。〔發(fā)明4〕和〔發(fā)明5〕一起，在本發(fā)明例中，內(nèi)表面的冷卻速度為8℃/sec以上。
鋼管冷卻后，用目測(cè)檢查有無淬裂，然后在730℃下施行回火處理，并調(diào)查強(qiáng)度和耐腐蝕性。圖18的發(fā)生淬裂的根數(shù)，表示每種冷卻條件的100根試驗(yàn)鋼管中發(fā)生淬裂的根數(shù)。
耐腐蝕性，在能同時(shí)評(píng)價(jià)耐碳酸氣腐蝕性與耐硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂性的帶缺口四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中實(shí)施。
圖19的(a)表示該帶缺口四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)片，而(b)表示裝進(jìn)了彎曲變形加載夾具的帶缺口四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)片的狀態(tài)。彎曲變形，是頂入螺栓使帶缺口四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)片的試驗(yàn)片中央處發(fā)生屈服極限的100％的彎曲應(yīng)力。把裝進(jìn)夾具并受載荷的試驗(yàn)片浸泡在30氣壓的碳酸氣和0.005氣壓的硫化氫飽和的25℃的5％食鹽水中經(jīng)過200小時(shí)后，調(diào)查有無斷裂。
圖20是表示拉伸試驗(yàn)和帶缺口四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果的一覽表。在圖20中，作為本發(fā)明的例子的試驗(yàn)號(hào)1～試驗(yàn)號(hào)13，由于進(jìn)行使從中間溫度到Mf點(diǎn)的溫度區(qū)內(nèi)的內(nèi)表面冷卻速度為8℃/sec以上的冷卻，所以不發(fā)生淬裂，得到屈服比高且耐腐蝕性也良好的結(jié)果。
另一方面，像作為比較例的試驗(yàn)號(hào)14和試驗(yàn)號(hào)15那樣，在冷卻中依舊供給恒定水量來冷卻的場(chǎng)合，發(fā)生淬裂。此外，像試驗(yàn)號(hào)15那樣冷卻速度在8℃/sec以下的冷卻方法中，屈服比低，耐腐蝕性差。在此場(chǎng)合，另外還發(fā)生淬裂。
在作為先有技術(shù)例的試驗(yàn)號(hào)16和試驗(yàn)號(hào)17中，雖然未發(fā)生淬裂但屈服比低、耐腐蝕性差。另一方面，通過浸油而油淬的試驗(yàn)號(hào)18的先有技術(shù)例，雖然并未發(fā)生淬裂，但是由于冷卻速度在8℃/sec以下，所以成了屈服比低、耐腐蝕性也差的結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明的方法，即使不提高昂貴的合金元素的含量也能不發(fā)生淬裂以高生產(chǎn)率制造具有優(yōu)秀的耐腐蝕性的高強(qiáng)度的馬氏體系不銹鋼管。因此，可以對(duì)石油、天然氣開采產(chǎn)業(yè)廉價(jià)地提供有益的資材。
權(quán)利要求
1.一種鋼管的冷卻方法，該方法是一邊使鋼管繞管軸旋轉(zhuǎn)，一邊使鋼管的內(nèi)表面的冷卻速度在整個(gè)溫度區(qū)內(nèi)與外表面的冷卻速度相等或在其以下的鋼管的冷卻方法，冷卻速度最低的部位的從〔Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)的中間溫度〕到Mf點(diǎn)的溫度區(qū)內(nèi)的冷卻速度為8℃/sec以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的鋼管的冷卻方法，其特征在于，使冷卻水在鋼管的外表面流下或噴射，而且使冷卻水不充滿管內(nèi)地在管內(nèi)通流，使內(nèi)表面的冷卻速度與外表面的冷卻速度相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的鋼管的冷卻方法，其特征在于，使冷卻水在鋼管的外表面流下或噴射，而且使冷卻水不充滿管內(nèi)地在管內(nèi)通流，使內(nèi)表面的冷卻速度與外表面的冷卻速度相等，而且使鋼管的內(nèi)外表面的最高冷卻速度為35℃/sec以下而冷卻馬氏體系不銹鋼管。
4.一種馬氏體系不銹鋼管的冷卻方法，該方法包括一邊使鋼管繞管軸旋轉(zhuǎn)，一邊空冷到鋼管的外表面溫度成為〔Ms點(diǎn)-30℃〕～〔Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)的中間溫度〕的溫度區(qū)內(nèi)的第一冷卻；和接著以內(nèi)表面處的冷卻速度為8℃/sec以上的條件把外表面強(qiáng)冷卻到外表面溫度成為Mf點(diǎn)以下的溫度區(qū)內(nèi)的第二冷卻。
5.一種馬氏體系不銹鋼管的冷卻方法，該方法包括一邊使鋼管繞管軸旋轉(zhuǎn)，一邊把外表面強(qiáng)冷卻到鋼管的外表面溫度成為〔Ms點(diǎn)+400℃〕～Ms點(diǎn)的溫度區(qū)內(nèi)的第一冷卻；接著，直到外表面溫度成為Ms點(diǎn)～〔Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)的中間溫度〕的溫度區(qū)內(nèi)，使外表面處的第二冷卻中的平均傳熱系數(shù)為第一冷卻結(jié)束時(shí)的該系數(shù)的1/2以下的第二冷卻；以及接著以內(nèi)表面處的冷卻速度為8℃/sec以上的條件把外表面強(qiáng)冷卻到外表面溫度成為Mf點(diǎn)以下的第三冷卻。
全文摘要
(1)一種鋼管的冷卻方法,該方法是一邊使鋼管繞管軸旋轉(zhuǎn)一邊使內(nèi)表面的冷卻速度與外表面相等或其以下,最小冷卻速度部為8℃/sec以上。(2)(1)的冷卻方法,該方法將馬氏體系不銹鋼管的外表面溫度空冷到[Ms點(diǎn)－30℃]～[Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)的中間溫度],接著把外表面強(qiáng)冷到Mf點(diǎn)以下。(3)(1)的冷卻方法,該方法把馬氏體系不銹鋼管的外表面強(qiáng)冷到[Ms點(diǎn)+400℃]～Ms,接著緩冷到Ms點(diǎn)～中間溫度,接著把外表面強(qiáng)冷卻到Mf點(diǎn)以下。
文檔編號(hào)C21D6/00GK1177644SQ9710547
公開日1998年4月1日 申請(qǐng)日期1997年6月3日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月5日
發(fā)明者岡村一男, 東海林成人, 播木道春, 近藤邦夫 申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社