石油管加工车间设计(design of oil country tubular goods manufacturing plant)

将无缝钢管或焊接钢管加工成供油田钻井采油作业直接使用的管材的车间设计。车间产品有套管、油管和钻杆三大类。套管和油管的联接方式有承插式和接箍式两种。接箍联接的品种由带螺纹的管体和接箍构成。常用的螺纹有圆形和偏梯形两种。适用于高压油气田的螺纹有VAM型和DBS型等。钻杆两端分别焊有带内螺纹和外螺纹的工具接头。油井管的内外螺纹都有保护环。按力学性能分，油井管有普通强度(按API规范有J55、K55、D、E等)和高强度(按API规范有N80、C95、P105、P110、X95、G105、Q125、S135等)之分，此外尚有抗腐蚀、抗挤溃和高密封性能等特殊性能的品种。现代化的石油管加工车间一般按API(美国石油学会American Petroleum Institute)规范进行设计。车间设计的方法和原则见轧钢厂设计。

简史   20世纪20年代初，石油管出现于美国。中国石油管生产线于1953年在鞍山钢铁公司无缝钢管厂投产。1971年包头钢铁公司无缝钢管厂建成套管生产线。80年代初，中国设计的按API规范生产的石油管加工车间。在成都无缝钢管厂投产。1985年上海宝山钢铁总厂建成有完整油井管加工作业线的车间，可按.API规范生产各种钢级和规格的油管和钻杆及各种钢级的小规格套管。1992年在天津建成年产35万t直径不大于244.5mm的各种套管的生产线。

设计规模与产品方案   产品方案根据油井钻采需要而定。套管、油管和钻杆的需要量分别占油井管需要量的76％～80％、16％～20％和3％～4％。一个车间可生产一个品种、两个品种或三个品种，其规模可为3～30万t。产品方案中各种钢级和各种规格的分配要根据油井钻采作业的要求。车间设计所遵循的技术标准主要是API规范。外国主要生产厂家还开发了高于API规范的品种，设计时也应予以考虑，以满足油井多方面的需要。

工艺流程选择   工艺流程根据产品方案选定。高强度油井管通常采用碳素钢或低合金钢并进行热处理。油管有端部加厚和不加厚两种。钻杆有端部外加厚，内加厚和内外加厚三种。所以石油管加工需要采用多道工序和多种工艺设备。图1为油井管加工基本作业线示意图。图2～7为不同品种的加工工艺流程示意图。

设备选型   石油管加工车间设备主要包括管端加热设备、管端加厚机、热处理设备、热定径机、矫直机、无损探伤设备、钢管螺纹机床、接箍拧接机、水压试验机、接箍螺纹机床和钻杆对焊机。

(1)管端加热设备。钢管端部加厚前的加热炉，有燃气(油)缝式加热炉和电感应加热装置两种，后者加热质量好、烧损小、劳动条件好，采用广泛。

(2)管端加厚机。为了提高连接部分的强度，通常将钢管端部加厚。所用卧式锻造加厚机有机械式和液压式两种，机械式比液压式生产率高。

(3)热处理设备。供石油管热处理用的加热炉要保证钢管的横断面和长度上加热均匀。常用的炉型有分段式快速加热炉，直通式电感应加热炉和步进梁式加热炉。前两种炉型不易达到良好的保温效果。步进梁式加热炉的适应性较强，在现代的石油管加工车间中广泛采用。

淬火装置要使钢管快速而均匀地淬透，可按钢管的化学成分采用水圈喷水淬火和水槽或油槽淬火。除从钢管外表面进行淬火外，还用喷射水或油的方法从内表面进行淬火。采用水槽和油槽兼有的方式，比较合适。

(4)热定径机。钢管本来就有一定的椭圆度。加热和淬火会引起钢管变形，使其外径的尺寸精度降低，因此热处理后的钢管需要进行定径，以保证车螺纹的质量。一般采用三机架二辊式或三辊式定径机，后者效果较好。

(5)矫直机。钢管经热处理后可能产生弯曲，所以要进行矫直。调质处理后的高强度石油管的抗拉强度和屈服点比较接近。在冷状态下要达到矫直的目的会因包辛格效应(Bauschinger effect)而使钢管破裂，因此高强度石油管在从回火炉出来并定径后即应进行热矫直。普通强度的石油管则采用冷矫直。矫直机大多采用上辊可快速升降的多辊矫直机，以利于钢管加厚端的通过。

(6)无损探伤设备。石油管的管体，特别是需车螺纹的管端部分，要进行无损探伤，通常用超声波法或漏磁法检查管体，用磁粉法检查管端。现代化的车间设计采用超声波、复合磁场内表面涡流和管端电磁组成的复合型探伤设备。

(7)钢管螺纹机床。套管和油管的螺纹车削包括倒角、粗车外圆、车端面和车螺纹，广泛采用全自动数控机床。这种机床在结构上分两类，一类是车螺纹时，钢管被夹紧，固定不动，刀架绕管端旋转并自动前进，达到规定的螺纹长度后，自动退刀，刀架也自动退回起始位置。这种机床效率高，适于车制圆螺纹。另一类是车螺纹时，钢管被卡盘夹紧并旋转。刀架前进并车制螺纹，待螺纹长度达到规定要求后，自动退刀，刀架退回到起始位置。可加工特种螺纹。

(8)接箍拧接机。套管和油管的一端除用户要求把接箍用手拧上外，都要按技术规范规定的扭矩将接箍拧紧。选用的接箍拧接机应带预拧接装置并能显示拧接力矩。

(9)水压试验机。每根套管和油管拧上接箍后都应按规定的静水压力进行试验而不泄漏，可选用单根式或多根式水压试验机。

(10)接箍螺纹机床。接箍螺纹加工包括倒棱、搪内孔、平端面和车螺纹，宜选用多工位全自动数控机床，一次加工完成。

(11)钻杆对焊机。每根钻杆上有两个厚壁、粗螺纹的工具接头，钻杆与工具接头的联接采用对焊方法，对焊机多采用摩擦式。闪光对焊机已被淘汰。

车间组成和平面布置   石油管加工车间由多条功能各异的作业线组成，一般有热处理作业线、加厚作业线、油管套管车丝作业线、钻杆对焊作业线、接箍生产线、护丝生产线和工具接头生产线等。这些作业线上的设备布置原则是：尽量减少钢管的纵向移动，配备必要的质量检测设备，操作力求机械化与自动化。接箍护丝和工具接头生产线的布置要考虑与油管套管车丝作业线和钻杆对焊作业线之间的运输方便。还应考虑铁屑收集和运输设施。

刀具的修磨检验及各种量具的存放校验等设施是不可缺少的内容。

消耗指标   石油管生产消耗指标因品种不同而有差异。综合考虑，每吨成品石油管的主要消耗指标为：钢管1.1～1.14t，电力220～240kW•h，燃料3.4～3.6GJ。