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    行業(yè)動(dòng)態(tài)

    公司名稱:南昌孟龍實(shí)業(yè)有限公司
    聯(lián)系人:劉經(jīng)理(13767010068)
    固定電話:0791-86653069
    文本傳真:0791-86653269
    電子郵箱:menglonggj@126.com
    公司地址:江西省南昌市灌嬰路金潤(rùn)二期6棟32-33號(hào)

    延長(zhǎng)高壓活動(dòng)彎頭壽命的工藝研究
    發(fā)布人:管理員 發(fā)布日期:2019-11-11 9:17:18 

    0引言

        高壓管匯廣泛用于石油行業(yè)之中,如鉆井管匯、固井管匯和壓裂管匯等。其中,鉆井管匯的工作壓力一般低于50MPa;固井管匯的工作壓力一般低于70MPa;而壓裂管匯的工作壓力范圍比較大,視具體情況而定,隨著超深井及頁(yè)巖氣的開發(fā),壓裂管匯的工作壓力有逐步升高的趨勢(shì),目前最高工作壓力接近140MPa,在這種情況下,高壓管匯將會(huì)出現(xiàn)不同的失效形式。從現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)來(lái)看,高壓管匯的主要失效形式表現(xiàn)為:活動(dòng)彎頭的彎曲部分刺穿、爆裂、歧管接頭爆裂和多數(shù)由壬(如活動(dòng)彎頭三通四通、旋塞閥和歧管等)端部爆裂等。破壞的原因主要有以下幾個(gè)方面:①材料方面。主要是成分配比不合理,材料有害雜質(zhì)(如S和P)的含量太高,造成材料本身的斷裂韌度不夠,在較低的應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂紋快速擴(kuò)展。②結(jié)構(gòu)方面。局部設(shè)計(jì)質(zhì)量不高(如過(guò)渡連接處應(yīng)力集中情況嚴(yán)重),各個(gè)彈導(dǎo)受力不均勻,管件壁厚設(shè)計(jì)不合理(沒(méi)有遵循等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)原則),致使局部刺穿或爆裂。③工藝方面。熱處理沒(méi)有達(dá)到理想的效果(如最終組織成分、晶粒度和性能指標(biāo)等),使管件內(nèi)部晶粒不均勻,抗交變應(yīng)力和腐蝕能力不足。對(duì)于延長(zhǎng)高壓管匯壽命的研究工作,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多工作,文獻(xiàn)從材料、結(jié)構(gòu)和工藝方面探討了高壓管匯的改進(jìn)問(wèn)題,文獻(xiàn)從不同角度介紹了高壓管匯元件的在線檢測(cè)問(wèn)題。筆者擬從高壓管匯的熱處理工藝出發(fā),引用等溫淬火工藝對(duì)高壓管匯中的活動(dòng)彎頭進(jìn)行最終熱處理,以期提高活動(dòng)彎頭的耐磨性并延長(zhǎng)其使用壽命,供相關(guān)研究人員和使用人員參考。

    1活動(dòng)彎頭的熱處理工藝

    1.1材料的選擇

        國(guó)內(nèi)高壓管匯所用的材料有CrMo系列鋼和CrNiMo系列鋼,對(duì)于中低壓管匯多采用CrMo系列鋼,但隨著壓力的升高,高壓管匯逐步使用CrNi-Mo系列鋼。筆者選用20CrNiMo鋼,適用高壓管匯工作壓力為70105MPa,該鋼類似美標(biāo)AISI和SEA標(biāo)準(zhǔn)中的鋼號(hào)8720。該鋼具有較高的強(qiáng)度和良好的沖擊韌性,并對(duì)鋼材表面也要求較嚴(yán)。20CrNiMo鋼化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。鋼試件直徑25mm,經(jīng)850℃油淬后,200℃低溫回火,再進(jìn)行空氣冷卻,力學(xué)性能如表2所示。

    20CrNiMo 鋼化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)20CrNiMo 鋼的力學(xué)性能

    1.2工藝方案

        以50型活動(dòng)彎頭為例介紹具體的工藝方案。毛坯經(jīng)過(guò)粗加工以后進(jìn)行滲碳+等溫淬火+水淬火的熱處理工藝,最后進(jìn)行磨削加工。具體作法是:第1步,滲碳處理。對(duì)于彈導(dǎo)表面和內(nèi)壁表面進(jìn)行滲碳處理,其余不進(jìn)行滲碳的部分加上涂層,工件在AICHELIN滲碳爐上進(jìn)行。裝爐后,以150℃/h的速率進(jìn)行加熱,當(dāng)溫度升到920℃時(shí),先以1.10%碳勢(shì)進(jìn)行強(qiáng)勢(shì)滲碳12.0h,再以0.85%碳勢(shì)進(jìn)行擴(kuò)散滲碳5.0h。這樣,在彈導(dǎo)表面和內(nèi)壁表面形成厚度1.82.5mm滲碳層,表層最高含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.70%,深層(2.0mm處)含碳質(zhì)量分數(shù)為0.49%。滲碳完成后先在滲碳爐中冷卻至830℃,再轉(zhuǎn)入另外一個(gè)氮?dú)鉅t中(溫度約650℃)自然冷卻,使工件處于正火和回火之間的冷卻狀態(tài),目的是使鋼的組織成分均勻,同時(shí)使?jié)B碳層進(jìn)一步擴(kuò)散,細(xì)化晶粒,消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化,為等溫淬火做好組織準(zhǔn)備。第2步,等溫淬火處理。工件進(jìn)行滲碳處理后再以200℃/h的速率進(jìn)行加熱,當(dāng)溫度升到820℃時(shí),保溫0.5h,為防止在加熱過(guò)程中工件被氧化,工件在鹽浴爐中進(jìn)行加熱,然后將工件立即轉(zhuǎn)入等溫爐中進(jìn)行淬火處理,等溫爐中的介質(zhì)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%的NaNO2和45%的KNO3硝鹽浴。根據(jù)20CrNiMo滲碳后的C曲線圖,選定淬火溫度270300℃,等溫時(shí)間2.0h。等溫淬火完成后,將工件置入常溫水中冷卻35min,最后將工件取出即可。

    1.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

        滲碳后,整個(gè)活動(dòng)彎頭的材料成分可分為2部分:第1部分是滲碳層部分。其主要變化是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅提高,由原來(lái)的0.18%0.23%提高到0.49%0.70%,且由表層到內(nèi)層的成分是從高到低逐漸變化的(注:采用車削剝層法測(cè)定各個(gè)截面的含碳量,分別測(cè)出表層、距表層1.0mm、距表層2.0mm以及距表層3.0mm的含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù),繪制碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線,結(jié)果如圖1所示)。實(shí)際上這部件材料已由低碳鋼轉(zhuǎn)化為中碳鋼,比較適合等溫淬火。等溫淬火后的金相組織如圖2所示,圖中主要組織為下貝氏體。第2部分是未滲碳部分。其成分仍與20CrNiMo的成分相同,對(duì)它進(jìn)行270-300℃的等溫淬火意義不大,且不會(huì)產(chǎn)生貝氏體轉(zhuǎn)變。因?yàn)楦鶕?jù)20CrNiMo材料的C曲線,不管其成分中各個(gè)合金元素如何進(jìn)行微小的變化,其貝氏體轉(zhuǎn)變溫度均高于300℃,所以它只能在隨后的水淬火過(guò)程中產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變,其金相組織如圖3所示,但在此溫度區(qū)間,馬氏體的轉(zhuǎn)變量不是很多。在距表層2.0mm處,其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.49%,此處既含有下貝氏體,也有馬氏體的混合組織,如圖4所示。

    滲碳層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與距表層距離關(guān)系圖淬硬區(qū)( 表層) 金相組織( 400 倍)心部金相組織( 400 倍)過(guò)渡區(qū)( 距表層2. 0 mm 處) 金相組織( 200 倍)

        等溫淬火完成后,在活動(dòng)彎頭的內(nèi)壁和彈導(dǎo)表面上的主要組織是下貝氏體,下貝氏體可以大幅提高該區(qū)域的耐磨性能,并提高抗腐蝕性能(詳見(jiàn)文獻(xiàn);同時(shí)由表層向內(nèi)層,逐步出現(xiàn)下貝氏體和馬氏體等不同的晶體,原始裂紋在擴(kuò)散的過(guò)程中必須穿過(guò)這些不同的晶格,從而可以減緩裂紋的擴(kuò)展速度,延長(zhǎng)活動(dòng)彎頭的使用壽命。另外,未滲碳部分材料的力學(xué)性能變化不大。

        根據(jù)測(cè)定,經(jīng)滲碳+等溫淬火處理+水淬火后,活動(dòng)彎頭內(nèi)壁和彈導(dǎo)工作面的硬度為5155HRC,其他未滲碳表面的硬度為3235HRC。從金相圖可以看出,對(duì)于經(jīng)過(guò)淬硬的表層,大部分金相組織為下貝氏體;對(duì)于過(guò)渡區(qū),金相組織有馬氏體、貝氏體和少量的殘余奧氏體;在心部未滲碳的部分主要成份是馬氏體和少量的殘余奧氏體組織。

        需要說(shuō)明的是:試驗(yàn)的活動(dòng)彎頭在等溫淬火以后,放入常溫水中冷卻510min,使大部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。如果再經(jīng)250℃回火4h,可以消去殘余奧氏體,使表面材料硬度為4852HRC,具有良好的耐磨性和抗腐蝕性。同時(shí),心部材料獲得較為理想的硬度2832HRC,具有更好的力學(xué)性能。


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