石油套管主要用作油井、气井井壁的支撑设备，由于其工作条件十分恶劣，管体会受到如弯、压、拉、扭等各种应力综合作用，且石油套管不能够重复使用，这就要求套管具备较高的综合机械性能。所以石油套管在生产中必须进行调质处理，以提高石油套管综合力学性能。目前生产中采用传统的淬火工艺进行热处理时，发现套管易出现淬火裂纹，难以保证套管质量，给企业带来了巨大的经济损失。本文以25MnV材质的P110级石油套管为研究对象，在分析传统淬火工艺（直接将套管淬水至室温）的基础上，提出了一种新型的水-空交替淬火冷却方式，并利用有限元数值模拟的方法研究淬火冷却过程中产生的残余应力，结合正交方法模拟在不同淬火工艺参数下的组织应力与热应力的变化规律，得到了石油套管较佳的淬火工艺参数。研究中，针对尺寸规格为：244.48mm×11.99mm的P110级石油套管，首先利用有限元分析软件ANSYS14.5，建立了石油套管淬火过程的数学模型，对石油套管沿着套管壁厚方向温度场进行计算，将模拟结果与实际测量结果进行对比，两者吻合较好，验证了数值模型的可行性；然后利用正交方法对不同水空交替淬火工艺参数进行模拟比较，从温度场，应力场分析结果表明工艺参数组合为：水冷7s，空冷7s，再水冷10s时，套管在组织转变过程中的热应力与组织应力有所减少，管材的残余应力得到降低；其后再对现场实验样件取样分析，对其显微组织进行观察，结果表明：该参数下，套管基本完成了马氏体转变，且金相组织中还含有少量的下贝氏体，而下贝氏体有较高的强度和韧性，会阻止产生微裂纹和抑制其扩展，且管材的淬火硬度仍能达到48HRC左右，有效地保证了淬火质量。该研究提供的水-空交替淬火方式，不仅可以减少淬火时产生的内应力，还可以保证套管内外马氏体转变的同时性，有利于抑制淬火裂纹的产生或者扩张。本文提出的建模方式及模拟方法对分析不同工况和不同实际操作参数下套管的温度场、应力场的变化，提供了一定的理论依据，对进一步分析不同规格，不同用途的石油套管的热处理工艺具有较大的参考价值。其研究结果对提高热处理合格率，保证产品质量，提高企业经济效益具有较大的作用。