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      4330V鋼頂驅旋塞熱處理工藝探討

      4330V鋼頂驅旋塞熱處理工藝探討

      • 分類:基礎研究
      • 作者:孟祥冰,劉道喜,趙麗
      • 來源:
      • 發布時間:2021-12-29
      • 訪問量:0

      【概要描述】頂驅旋塞是頂驅系統配套使用的一種控制閥,是頂部驅動裝置的重要部件,串接于頂部驅動鉆井裝置上。頂驅旋塞的材質為4330V鋼,對其力學性能要求較高。通過調整熱處理工藝,包括淬火冷卻的多種工藝方法,使其滿足抗拉強度、屈服強度、伸長率和沖擊吸收能量等力學性能要求。

      4330V鋼頂驅旋塞熱處理工藝探討

      【概要描述】頂驅旋塞是頂驅系統配套使用的一種控制閥,是頂部驅動裝置的重要部件,串接于頂部驅動鉆井裝置上。頂驅旋塞的材質為4330V鋼,對其力學性能要求較高。通過調整熱處理工藝,包括淬火冷卻的多種工藝方法,使其滿足抗拉強度、屈服強度、伸長率和沖擊吸收能量等力學性能要求。

      • 分類:基礎研究
      • 作者:孟祥冰,劉道喜,趙麗
      • 來源:
      • 發布時間:2021-12-29
      • 訪問量:0
      詳情

       

        1 序言

        頂驅旋塞閥用于頂驅鉆井裝置,可分為頂驅 上旋塞閥和頂驅下旋塞閥兩種,它們是與頂驅系統 配套使用的一種控制閥。通常情況下兩個閥串接于 頂部驅動鉆井裝置上,該閥可承受來自上下兩方向 的高壓,其工作壓力可達10000~15000psi(1psi= 0.006895MPa)。

        閥體材質采用A I S I 4330V(以下簡稱4330V 鋼),它是一種美國標準低合金高強度結構鋼,相 當于國內牌號30CrNi2Mo VA,化學成分見表1。與其他鋼種相比,4330V鋼經過熱處理后可獲得更高 的屈服強度和沖擊性能,且具有淬透性好、淬火變 形小、機械加工性能好等優點。因此,近些年在大 規格、復雜地質條件的鉆井中,越來越多地選用這 種低合金高強度結構鋼制作頂驅接頭。

        表1 4330V鋼化學成分(質量分數) (%)

        2 原熱處理工藝

        閥體需適應低溫工作環境,主要承受大扭矩沖 擊載荷。API spec7規范要求頂驅旋塞閥閥體-20℃ 低溫沖擊吸收能量平均值KV≥42J,單個KV≥32J

        (試件取自閥體最后截面1/2壁厚處)[1]。普通調質 鋼采用油淬調質工藝,很難滿足API spec7規范對頂驅旋塞閥閥體-20℃低溫沖擊吸收能量的要求,而

        AISI 4330V鋼(國內對應牌號30CrNi2MoVA)能夠滿足。

        某油田對頂驅旋塞提出的力學性能要求見表

        2,其結構如圖1所示。

        表2 頂驅旋塞的力學性能要求

       

       

        圖1 頂驅旋塞結構

        頂驅旋塞通常熱處理工藝如下。

        (1) 正火 920℃保溫220min,空冷。目的是為了細化晶粒,消除帶狀組織,調整硬度,便于后 續機械加工。

        (2) 調質 調質工藝在可控氣氛箱式多用爐內完成。此材質淬透性較好,除大壁厚工件外常用調 質工藝為油淬+回火空冷,淬火冷卻介質為快速光 亮淬火油,淬火后及時回火。淬火工藝:860℃保溫180min,油冷25min;回火工藝:(630±20)℃保 溫210min,空冷。

        調質后,-20℃沖擊吸收能量略低,不符合要 求,其他主要力學性能合格。

       

        熱處理工藝如圖2所示。

        

      a) 正火工藝

       

        

        b) 調質工藝

        圖2 4330V鋼頂驅旋塞原熱處理工藝

        3 熱處理工藝改進

        由于4330V鋼屬于剛被廣泛應用的新型材料, 故關于其熱處理工藝的介紹很少。為此,結合相關 資料和生產條件,我們對其正火和調質淬火工藝進 行了試驗。

        試驗用原材料為東北特鋼生產的4330V圓鋼, 規格φ 210mm,其化學成分見表3。

        表3 試驗用4330V鋼化學成分(質量分數) (%)

       

        經多次試驗,工藝改進如下。

        (1) 正火 采用870~890℃加熱,出爐后強制風冷。其目的是均勻組織,細化奧氏體晶粒。

        (2) 調質 4330V鋼的淬火溫度范圍較大,有關資料表明,在830~900℃淬火均可。根據工件有 效厚度,通過幾次對比試驗,最后確定溫度為870~ 890℃,保溫4~5h。

        因4330V鋼的w C僅為0.31%,所以冷卻時需要快速冷卻,但用水冷卻易產生淬火裂紋,用油冷卻 無法獲得理想的心部硬度。因此,調整sencro-P75 水溶性淬火液的濃度至6%,并對淬火槽的攪拌設備 進行改造,配置了一組電動機功率為5.5k W、攪拌器轉速為720r/min的淬火攪拌設備,進行循環、攪 拌,快速將工件冷卻到40℃以下,最終保證淬火工 件表面硬度與心部硬度相差不大,即兩處組織基本

        相同,從而使工件的各項力學性能達到技術要求。 其中濃度6%的sencro-P75水溶性淬火液檢測數據及 冷卻性能曲線如圖3所示[2]。

        水溶性淬火液檢測參數:介質溫度30℃,環境 溫度32℃,V max=194℃/s,V300=67℃/s,T Vmax= 698℃,t200=6.8s。

        

       

        (3) 回火 淬火后及時回火。據相關資料介紹,4330V鋼淬火后560℃回火強度最高,沖擊吸收 能量最低;而在600~620℃回火時,能獲得最佳的 強度、韌性匹配。經過多次試驗,最終確定回火溫 度為595℃、回火時間6~8h、出爐后水冷的熱處理 工藝,以得到均勻細小的回火索氏體+鐵素體+碳化 物的金相組織,使產品具有高強度和良好的韌性, 滿足產品在惡劣地質條件下工作的嚴苛要求。

        

      改進后熱處理工藝如圖4所示。

       

        

       

        a) 正火工藝

        

       

        b) 調質工藝

        圖4 4330V鋼頂驅旋塞改進熱處理工藝

       4 工藝改進后效果

        頂驅旋塞力學性能檢測結果見表4。

        表4 頂驅旋塞力學性能檢測結果

        

        由表4可知,三組檢測的各項力學性能指標均符 合要求。

        5 結束語

        1)通過4330V鋼頂驅旋塞熱處理工藝改進,采 用870~890℃正火+870~890℃淬火(保溫4~5h)

        +595℃回火(6~8h),可使工件滿足API spec7規

        范對頂驅旋塞閥閥體的力學性能要求。

        2)據相關資料介紹,工件通過鍛造比>4:1的 鍛打,可打碎粗大的奧氏體晶粒,從而確保結構緊 密,夾雜物彌散分布,消除帶狀組織,減輕各向異 性。通過650℃回火+正火可以均勻組織,細化奧氏 體晶粒。此次試驗材料為鍛材,今后我們會進一步 試驗,以探索更好的4330V鋼熱處理工藝,從而提 高產品性能與質量。

      參考文獻:

        [1] 李如學,王瑞霄,聶海濱,等.改進調質工藝提高頂 驅旋塞閥閥體低溫沖擊性能[J].金屬熱處理,2013

        (5):112-112.

        [2] 趙麗,孟祥冰,劉道喜.水基淬火液冷卻性能及其在 控時淬火技術上的應用[J].金屬加工(熱加工), 2021(2):82-83.

      本論文發表于《金屬加工-熱加工》2021.12期

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      發布時間:2021-05-12 10:19:16

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      發布時間:2021-05-12 10:18:27
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