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地质钻杆的热处理工艺介绍

2017-12-19 14:10:21 qjjx

要 : 本文通过对钻杆的工作环境、受力情况、性能以及带状偏析的危害分析,通过金相组织分析,回火索氏体组织(淬火+高温回火得到的组织)的晶粒度等级通常不在要求的等级范围之间, 这种情况的产生就与组织的情况有极大的联系。钻杆的热处理就是调质处理, 本文研究的钻杆的热处理工艺其实主要研究消除钻杆带状组织的热处理工艺,解决了公司钻杆工件中存在的问题。

关键词 : 钻杆;硬度要求;金相组织;力学性能;带状偏析

一、引言

在经济飞速发展的今天, 机械行业的发展也是日新月异, 钻杆在平日生产活动中扮演着越来越重要的角色,钻杆分为地质钻杆, 非地质钻杆等。 本文主要研究的是非开挖地质钻杆。 非开挖地质钻杆是用于定向钻进施工中传递钻机扭矩与拉力的一种工具, 由于它在定向施工中需要承受扭曲、拉力、弯曲、摩擦、振动,所以它的制作过程非常严格。 但是由于生产力水平的局限性, 在平时生产过程中经常会发现钻杆存在有带状偏析的现象,这严重影响了钻杆的质量及使用寿命。

通过对钻杆热处理,解决了该问题,对提高钻杆质量起到重要的作用。

二、钻杆失效分析

钻杆失效形式主要是钻杆的断裂。钻杆在导向、定向钻进过程中一但断裂,将会对工程造成严重影响, 不仅是经济上的巨大损失, 而且影响工期, 失去信誉,后果不堪设想。 因此,作为施工个人或企业, 一定要学会如何正确地选择和使用钻杆;而作为钻杆生产厂家,要知道各种开挖或非开挖工程对钻杆的特殊要求,生产出高强度、 高韧性和高可靠性钻杆。 非地质钻杆失效原因我们可从两方面来分析,人为因素和钻杆本身存在的缺陷, 钻杆本身的缺陷又分设计缺陷和材料本身存在的缺陷。 试验证明, 钻杆受交变应力作用而疲劳断裂是钻杆断裂失效的主要原因。下表是钻杆的主要失效形式和失效原因。

钻杆的失效形式和原因

失效名称

表现形式

失效原因

操作原因

钻杆自身原因

公扣根部断裂

断口较平整,无塑性变形

1.曲率半径过小;2.扩孔钻头与正常钻杆间未连接过度杆;


1.氮化层太厚


2.无应力减轻槽

断口呈螺旋状,有局部塑性变形

施加的扭矩过大 

 1.接头材料强度低;2.调质处理硬度太低

断口处有缩径

施加的拉力过大


杆体断裂

断口较平整,无塑性变形

1.曲率半径过小;2.扩孔钻头与正常钻杆间未连接过度杆;

1.杆体材料韧性差;2.杆体有严重划痕

断口呈螺旋状,有局部塑性变形

施加的扭矩过大 

1.接头材料强度低;2.调质处理硬度太低

断口处有缩径

 施加的拉力过大

杆体磨损变薄

杆体至接头过渡段断裂

摩擦焊口处断 


1.焊口处未加厚;2.摩擦焊接工艺不对

杆体弯曲变形

有不可恢复的弯曲变形

1.施工导向孔时,钻杆处于自由状态的长度过长;

2.孔内遇较大障碍物

杆体材料刚性差

丝扣齿形变形严

丝扣严重变形重,公母扣旋合变松,甚至脱扣

1.所受负荷过大; 2.未使用丝扣油

丝扣部分调质硬度过低,未做硬化处理

粘扣

上扣时有冒烟现象,卸扣扭矩大,扣面有削落现象

未使用合格丝扣油

1. 丝扣硬化处理不合格;2.扣面光洁度低

3 钻杆的组织性能要求

3.1 性能要求

钻杆在使用过程中必须能够承受巨大的内外压,这使得钻杆必须要有足够高的强度、硬度和耐磨性。而在钻头扭曲改变钻探方向时又不能使管体发生弯曲变形、所以钻杆又要有足够高的塑性和韧性。通常情况下钻杆应满足抗拉强度?b≥750Mpa,屈服强度?s≥550Mpa,伸长率1513660845276383.png≥10%,断面收缩率?≥45%,冲击韧度 A K ≥50J。

3.2 金相组织要求

对于非开挖地质钻杆来说, 既要有足够高的强度, 又要有足够高的塑性韧性。通过调质处理得到的回火索氏体可以满足这样的要求。想要获得具有良好的回火索氏体组织, 前提是必须得要马氏体, 因此调质效果和钢的淬透性有着密切的关系,我们必须保证我们所用材料具有足够的淬透性。

回火索氏体是马氏体于回火时形成的, 在光学显微镜下放大 500~600 倍以上 才能分辨出来。其为铁素体基体分布的碳化物(包括渗碳体)球粒的复合组织。 它也是马氏体的一种回火组织是铁素体与粒状碳化物的混合物。 此时的铁素体已 基本无碳的过饱和度,碳化物也为稳定型碳化物。常温下是一种平衡组织。 如图 1 所示: 

回火索氏体

4 钻杆的材料成分和性能分析(35CrMo和 36Mn2V)

在企业的生产过程中根据钻杆的性能要求通常会选用了35CrMo和 36Mn2V这两种材料。

4.1 35CrMo

35CrMo 合金结构钢 , 有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限,淬透性较 40Cr 高,高温下有高的蠕变强度与持久强度,长期工作温度可达500℃;冷变形时塑性中等。

化学成分


36Mn2V

力学性能

35CrMo

36Mn2v

碳C

0.32~0.40

0.34~0.39

抗拉强度σb(MPa)

≥985

700

硅Si

0.170.37

0.250.40

锰Mn

0.400.70

1.451 .70

屈服强度σs(MPa)

≥835

870

硫S

≤0.035

≤0.025

磷P

≤0.035

≤0.015

伸长率δ5(%)

≥12


铬Cr

0.801 .10

0.100.15

镍Ni

≤0.030

≤0.20

冲击击韧性值αkv

(J/cm2)

≥10

≥75

铜Cu

≤0.030

≤0.20

钼Mo

0 .150.25


冲击功Akv(J)

≥63

≥55

钒V


0 .110.16

 表 2 35CrMo 合金结构钢与36Mn2v化学成分及力学性能的对比

  4.2 36Mn2v   

  36Mn2v 属于中碳合金钢具有高的强度和韧性。铬元素的加入可以提高钢的 淬透性,细化晶粒,减小过热敏感性,但增加了钢的回火脆性的敏感性。                                                                                                                                                                                                       0.15 % ≤ ωMo ≤0.25%,属于微量元素,钼元素的加入不仅可以提高钢的淬透性,消 除铬元素带来的回火脆性,并使其调质后能有高的冲击韧性。

3.3 两种材料合金元素的作用

 (1) 碳元素的作用 钢中含碳量增加,屈服点和抗拉强度升高,但塑性和冲击韧性降低,当碳 量超过 0.23%时,钢的焊接性能变坏,因此用于焊接的低合金结构钢,含碳量一 般不超过 0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力,在露天料场的高碳钢就 易锈蚀;此外,碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

(2)Cr 元素的作用 铬可提高钢的强度和硬度, 还可以提高钢的高温机械性能, 使钢具有良好的 抗氧化性和抗腐蚀性,阻止石墨化,提高淬透性。

(3)Mn 元素的作用 锰是良好的脱氧剂和脱硫剂, 提高钢的淬性, 改善钢的热加工性能, 提高了 钢的屈服点和耐磨性。

(4) 钒元素的作用 钒是钢的优良脱氧剂。钢中加 0.5%的钒可细化组织晶粒,提高强度和韧性。 钒与碳形成的碳化物,在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。

(5) 钼元素到作用 钼能使钢的晶粒细化, 提高淬透性和热强性能, 在高温时保持足够的强度和 抗蠕变能力 ( 长期在高温下受到应力,发生变形,称蠕变 ) 。结构钢中加入钼,能 提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。 在工具钢中可提高红性。

(6) 硅元素的作用 提高钢种固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的塑性和韧性降低 硅能显著的提高钢的弹性极限、 屈服极限和屈强比以及耐腐蚀性。含有硅的钢在 氧化气氛中加热时, 表面也将形成一层二氧化硅氧化膜,       从而提高钢在高温时的 抗氧化性。

5 石油钻杆的加工工艺流程

 (1) 下料从无缝钢管上截取等长的单个管体。这里的无缝钢管是由圆柱形钢材通过 热挤压之后形成的,并对钢管的成份进行检测。

 (2) 镦头

由于钻杆两头是在工作过程中直接接触部分,所以要对钻杆两头进行镦头 加厚处理。即采用中频炉将管体的两头部分加热,然后采用热挤压的方法,将 一些钢管上的材料加到两头处,即称为镦头。

 (3) 机加工一 紧随镦头之后的一道工序,是将管体的两头进行粗加工,如下图所示为粗 加工完成后的钻杆。 

 (4) 调质 热处理工序, 是用于改善钻杆的整体力学性能, 使其具有较强的硬度和良好 的塑性、韧性。 ①奥氏体化: 把在室温非奥氏体组织的钢加热热到                                                                                                                                                                                                         Ac1 温度以上时, 则钢的 室温组织开始转变为奥氏体; 称之为奥氏体化。 这种奥氏体组织只有在高温时稳 定。 ②淬火:将钢加热到临界温度      Ac3 或是 Ac1 以上所给定的温度并保温一定时 间,然后将其快速冷却。 ③回火:将淬火或正火后的钢加热到低于临界温度下的某一选定的温度,                                                                                                                                                                                                                        并 保温一定的时间, 然后以一适宜的冷却速度冷却, 借以消除淬火和正火所产生的 残余应力和增加钢的延展性及韧性。

(5) 检测 对调质处理后的钻杆进行力学性能检测。其主要的是硬度检测, 检测设备洛 氏硬度计;以及对组织的分析。

(6) 校直 由于钻杆在淬火过程中的组织应力和热应力的作用,调质处理后的钻杆会产 生变形,通过校直使其恢复。 

(7) 超声波探伤 用来检查金属材料以及部分非金属材料表面和内部缺陷,                                                                                                                                                                                                                        利用物理特性来判 断工件或材料的缺陷和异常。

(8) 机加工二 在钻杆的两端分别车出外螺纹和内螺纹,用于连接。

(9) 涂层 机加工完成后的钻杆, 要进行涂漆处理, 目的是为了防止钻杆管体生锈, 另 外也是为了提高产品的美观。

地质钻杆(10) 包装 所有加工的工序完成后对产品进行包装销售给顾客。   

6 钻杆中带状组织偏析形成原因及其危害 

6.1 钻杆中带状组织偏析形成的原因                    

图 3 CuCl2 —的试剂浸蚀试样

1 带状组织是由铁素体和珠光体或铁素体和奥氏体或铁素体和贝氏体以及铁 素体和马氏体在锻件中呈带状分布的一种组织,它们多出现于亚共析钢, 奥氏体 钢种半马氏体钢种中, 这种组织是在两相共存的情况下,锻造变形时产生的带状 组织能降低材料的横向塑性指针。 带状偏析分为两种: 管体上的带状偏析为钢管冷拉过程中形成,带状偏析呈 冷拉的方向纤维状,另一种是在管头镦粗过程中形成的呈镦粗挤压的方向。 一般认为, 带状组织是由于钢锭的枝晶偏析所致。        钢水在凝固时, 由于选择 性结晶,在枝干上的成分较为纯净, 而在枝晶间富集了较多的碳、 合金元素和磷、 硫等杂质。 钢锭锻轧变形时枝干和枝晶间被压延而伸长为纤维组织, 形成一次带 状组织。用含有 CuCl2 的试剂浸蚀后在显微镜下观察, 则会发现肉眼观察到的那 些纤维组织经放大后,变成黑白交替的带称为一次带状组织。

黑色条带相当于原树枝状晶的较纯的枝干,白色条带为原来富含合金元素和 杂质的树枝间区域。 热轧低碳钢、中碳钢在缓冷国能中会出现先共析铁素体和珠光体交替相间的 显微组织带状,这些不同的组织是固态相变的产物。 这种带状组织称为二次带状。 二次带状的形成意味着碳在固态相变中发生了不匀称的重新分布,称为二次探偏 析。一般所谓的钢中的带状组织, 也即上述观察到的带状组织即为二次带状组织。 将具有二次带状组织的热变形钢试样改用含有CuCl2 的试剂浸蚀后在显微镜下 观察,则显示出一次带状组织。 只有在一次带状的基础上才能形成二次带状组织。 一次带状组织难以消除, 虽然在高温下或缓冷过程中, 碳能够优先达到相对均匀, 然而代位原子均匀化十分困难, 这些合金元素难以达到均匀状态,尤其是碳化物地质钻杆形成元素的阻碍碳原子的扩散, 实际上碳也难以十分均匀。 这就是树枝偏析能够 稳定存在的原因。 但是在具有一次带状的热变形钢中可以出现二次带状,也可以 不出现二次带状, 如图 4 所示就没有出现带状组织, 控制相变条件就可以控制二 次带状组织。

锻材没有带状组织 6.2 带状组织偏析存在的危害 带状组织的存在使得钻杆工件中的化学成分不均匀性。 对钢的使用性能有很 大的影响,特别使钢的冲击韧性降低,降低横向的塑性和断裂韧性。   

7 加热设备——井式炉 井式电阻炉主要由炉壳、炉衬、炉盖、炉盖升降机构、加热元件等部分组成。 炉壳由角钢和钢板焊接而成, 呈圆筒形, 工作室为圆形炉膛, 默认采用本公 司自行研发的“新型不定形组合炉衬”进行制作,也可根据用户需求采用耐火砖 或纯纤维模块砌筑。 炉膛与炉壳间填充保温材料。 炉膛两壁搁砖上, 置放着铁铬 铝丝绕成螺旋形的电加热元件,       炉膛上面有炉盖, 炉盖为手动压把结构。 控制炉 温的热电偶从炉壳上的热电偶空插入炉内。   

8 消除钻杆工件带状组织的热处理工艺 8.1 通过高温扩散退火 高温扩散退火奥氏体化温度一般为Ac1 以上,大约 1000~2000℃,退火温度 越低, 则退火后的硬度越高, 保温时间一般为 10~15 小时, 保温时间与钢种的溶 质元素偏析程度、 扩散温度及工件尺寸有关。 扩散退火主要目的是消除合金结晶 石产生的枝晶偏析,使成分均匀,改善组织。 将试样 1 进行高温扩散退火,即可消除带状组织。取试样加热到1250℃, 保温,然后炉冷到 600℃,出炉空冷。经过金相检验,评定带状组织级别,均为 0~1 级。铁素体以及聚集,虽然沿着变形方向取向分布,但是带状不明显,或者地质钻杆没有带状。P+F 8.2 通过两相区淬火 为了避免出现带状组织, 采用两相区处理, 具体工艺曲线如图 6 所示。 首先 高温奥氏体化,然后空冷到        Ac1 稍下( 700℃)保温,使过冷奥氏体分解为珠光 体组织。然后再缓慢升温到两相区760℃保温,得到奥氏体 +铁素体两相。                   

两相区处理工艺 在两相区, 合金元素发生了两相间的再分配。       由于铁素体中固溶碳少, 故碳 原子将向奥氏体扩散。原珠光体条带区,现已转变为奥氏体,它是原枝晶间,含 有较多的合金元素,如 Cr,Mo 在,这些铁素体形成元素将向铁素体中扩散,这 样,碳浓度和合金元素发生了重新分配。合金元素分布趋向均匀。 由于碳原子与 Cr ,Mo 元素有较强的亲和力,因而碳原子也趋向均匀。从 760℃空冷,合金元 素来不及扩散,结果不明显的带状组织.

2.jpg


8.3 通过调质前先正火
    
正火是为了消除冶金及冷热加工过程中产生的组织与性能缺陷而进行的预 备热处理工艺,并为以后的机械加工及热处理准备良好的组织 状态。 它是将工件加热到奥氏体化后在空气中冷却,        等到含有珠光体的均与组织的 热处理。 可消除网状碳化物和带状组织,       细化晶粒, 消除内应力以及改善钢的可 加工性。将有带状组织的原材料进行正火处理,正火后的金相组织为等轴晶粒的 铁素体和珠光体。 8.4 通过加快淬火冷却速度淬火是将工件加热到临界点        Ac3 或 A1 以上,经过一段时间保温使钢奥氏体化,然后以大于临界冷却速度进行快速冷却,从而发生马氏体转变。                             
图 8 理想淬火冷却温度                              

图 9 实际生产过程   在淬火时如果能使组织完全转变为马氏体, 要获得 马氏体组织, 不需要在整个冷却过程中都快速冷却, 在 C 曲线鼻尖处, 这里的奥地质钻杆氏体最不稳定,因此650-550℃温度范围内要快速冷却,而在于A1 点和稍高于 Ms 点处过冷奥氏体较为稳定,为了减少淬火冷却中因工件截面内外差引起的热 应力,冷却速度应缓慢些;特别是           Ms 点处,冷却速度太大,工件体积膨胀变化 大,组织应力也愈大,容易引起变形和开裂。 8.5 结论 通过对钻杆的反复实验与实践证明, 这四种方法均能消除或减轻带状组织对 工件的力学性能的影响, 及解决了公司钻杆工件中存在的问题, 有满足的客户的 要求和钻杆中所需的力学性能要求。 使用效果上看通过高温扩散退火和正火是最 好的,但由于高温扩散性退火所需的保温时间比较长所以选择调质前正火这一工 艺;而通过两相区淬火和通过由于加快淬火冷却速度前者只能减轻带状偏析对钻 杆工件的危害, 不能完全解决问题; 后者只能是在理想状态下完成, 但在大多数 情况下受设备、人员、工艺条件以及环境的影响很难做到。 

9 钻杆的热处理工艺终述

9.1 正火 工艺定义:将钻杆加热到840-860℃,达到完全奥氏体化,保温一个小时然 后空冷。

 工艺特点:消除偏析,带状组织,网状组织,细化晶粒。 目的:可消除内应力,降低硬度和脆性,增加塑性,稳定钻杆尺寸并防止变 形开裂,改善加工切削性能。 

9.2 淬火 工艺定义:将钻杆加热到 850 C. 保温两个小时,油冷至室温。 

工艺特点:淬火加热温度高于Accm,有助于 Mn,Si,Cr 元素的溶解,提高淬 透性,改善回火稳定性,同时也降低Ms点,增加残余奥氏体,减小淬火变形。 

9.3 回火 工艺定义:将钻杆加热到550 C ,保温 4 个小时,然后出炉空冷。 目的 : 消除淬火所产生的内应力,降低硬度和脆性,以获得所需要的机械性 能。

10 结论 本文通过对钻杆的工作环境、 受力情况、 性能以及带状偏析的危害分析, 制 定了钻杆的热处理曲线和热处理工艺方案, 消除了钻杆带状组织, 获得了优质的 钻杆,解决了公司钻杆工件中存在的问题。