连铸工艺生产石油钻杆接头

连铸工艺生产石油钻杆接头 高质量石油钻挺的生产 摘要 4145H是国际上常用的钻挺用钢，要求有较好的强韧性配合和端淬性能，特别是对低温冲击韧性提出了严格的要求。本文研究Si-Ca-RE复合处理工艺，改善硫化物夹杂的形态，提高低温横向冲击韧性;采用聚合物作为淬火介质，淬火加热后出炉空气中予冷，减小冷却应力，有效消除淬火裂纹。采用这些组合工艺后，连铸大方坯生产的钻挺的性能完全可以满足用户的要求。 关键词 钻挺 Si-Ca-RE复合处理工艺 淬火裂纹 在钻探过程中，钻铤接在方形钻杆的下方,与钻头衔接,在钻井过程中起加压和防止井偏的作用。钻挺是一种在低温、摩擦和腐蚀等极端条件下工作的结构件，因而对材质的要求较高，特别是对强韧性配合和可焊性有较高的要求。采用淬透性较强的Cr-Mn-Mo类钢及必要的强化工艺也可生产石油钻挺，但通常提高钢的合金化程度和强度水平会导致其可焊性恶化, Cr-Mn-Mo类钢淬透性高,空冷即可产生一定量变形能力较差的马氏体组织,在焊接冷却过程中热影响区容易产生裂纹[1]。生产证明,这类材料的不仅焊接时易产生裂纹,尤其是热加工过程,稍有不慎,易造成开裂。为此,钻挺用钢在保证淬透性和强韧性的同时,必须兼顾热加工性和焊接性。此外，钢中的硫含量和硫化物的分布也会影响4145H的工艺性能,2,。4145H是国外常用的石油钻挺用钢，其化学成分与GB/T2077中的42CrMo接近，但技术条件要求更为严格。 在国内进行国产化时，为了保证材料内部质量，一般采用模具工艺生产，以加大压缩比，获得良好的强韧配合。冶钢目前已经投产了一条大连铸坯生产线。为了降低生产成本，我们采用连铸工艺生产4145H石油钻挺，取得了良好的效果，实现了大批量出口，挤入了国际先进行业。 1. 基本要求 4145H钢的化学成分要求见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1.石油钻挺由于其工作条件的特殊性，要求材料有很高的内部品质，用户对夹杂物、力学性能和淬透性均提出了严格要求。 表1 ASTM4145H钢的化学成分/% C Mn Si Mo Cr Ni S P 0.42~0.48 0.85~1.05 0.15~0.35 0.15~0.25 0.95~1.15 ??0.03 ?0.03 0.3 横截面酸浸低倍组织试片不得有目视可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮、白点、分层、晶间裂纹等。允许一般疏松?2.0级、中心疏松?2.0级、偏析?2.0级。夹杂物A、B、C、D类级别均不能超过2级。用Φ20?热处理试样毛坯测定其力学性能和淬透性应该达到表2和表3 要求。 表2钻挺的力学性能要求* 屈服强度 抗拉强度 面缩率 冲击功(,冲击功(, MPa MPa 延伸率 , , 20?)(纵)10?)(横) J ?820 ?980 ?13 ?45 ?54 ?41 表3 钻挺的端淬性要求 端淬温度 J1.5 J25 860?10? ?HRC56 ?HRC50 由表1和表2可见，钻挺用钢的力学性能和淬透性要求都较高，特别是纵向和横向低温冲击功要达到54J以上，这些都需要相应工艺 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 去保证。 2 冶炼工艺措施及期效果 350×470mm方坯。 4145H钢的冶炼生产工艺路线均为60EBT-LF-VD-CC 一般认为，低温冲击韧性，特别是横向冲击韧性取决于硫含量及硫化物的形态。因为硫化物容易沿加工方向变形，形成条状夹杂物，割裂了基体的连续性，降低冲击性能。降低钢中的硫含量，可以减少钢中硫化物夹杂的数量;降低浇铸温度，可以细化夹杂物的尺寸。这两种工艺措施都可以有效提高钢的冲击性能。 但是，即使是低硫含量的情况下，硫化物仍然是存在的，因此低硫钢的横向性能与纵向性能仍然存在较大差别。为了进一步减小硫化物夹杂的危害，我们采用了Si-Ca-RE复合处理，改善夹杂物的形态，提高横向性能。在VD后、起坑前5分钟，喂入复合包芯线0.7,1.5kg/t，然后缓慢吹氩2,3分钟起坑上连铸中间包进行连铸。检验结果表明，经过这种工艺处理后的冲击值有了很大的提高，统计值如表4，最小值达到了80J.需要说明的是，我们进行Si-Ca-RE复合处理钢中的硫含量在0.008,0.012%之间，低温横向冲击功的最小值得到了显著提高，也大幅度高于用户的要求，有力地保证了材料的内部品质。 表4 Si-Ca-RE复合处理对横向低温冲击功的影响 最大值/J 最小值/J 平均值/J 未处理(110炉) 89 34 72 Si-Ca-RE复合处理108 80 90 (50炉) 我们的研究表明，Si-Ca-RE复合处理比Si-Ca线处理的效果好。这是因为4145H钢中硅的含量有限制，为了使硅不超标，Si-Ca线的喂入量不能提高，钢中的Ca达不到硫化物变性需要的量，对横向冲击韧的改善不大。当钢中的钙含量不足时，还会生成高熔点的钙铝硅酸盐夹杂，并将Al2O3夹杂粘合在一起，不能上浮,3-4,，反而降低了钢水的纯净度，使得高倍检验夹杂物超标。 稀土可以同时与钢中的氧化物和硫化物起作用，生成细小的稀土复合氧化物和硫化物，这些夹杂物在热加工过程中不变形，可以有效提高横向冲击韧性，净化钢液，同时不会使得钢中的硅超标,3,。50炉的统计结果表明，钢中的夹杂级别分别为A类1.5,2级，B类1~1.5级，C类0级，D类0,1级。一般疏松、中心疏松和偏析圴未超过1.5级，化学成分和力学性能完全符合要求，表明钢材的内部质量良好。 3 成品钻挺的热处理工艺措施 如表2 和表3，钻挺的力学性能和淬透性要求都较高。可是作为一个中碳低合金钢，它的合金含量较低，淬透性不高。Ni是一个对提高淬透性和冲击韧性都较为有利的元素，国产40CrMnMo钢比较容易达到性能要求，可是在4145H 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 中，Ni的含量也受到了严格的限制。 用户在使用冶钢生产的4145H钢管生产钻挺时发现，采用油作淬火介质不容易达到力学性能要求，而采用聚合物溶液淬火时性能可以达到要求，可是很容易出现淬火裂纹，如图1。 图1 钻挺上的淬火裂纹 主裂纹可以完全穿透钻挺，在钻挺的中间形成分叉。钻挺管开裂的比例高达30%。分析表明钢的化学成分，高、低倍组织和力学性能、端淬性能完全符合要求。这表明裂纹是淬火工艺不当引起的，与材质无关。但冶钢本着用户至上的原则，我们分析了裂纹产生的原因，帮助用户制定合理的淬火工艺制度，消除了淬火裂纹。 比较水和油的冷却曲线可以发现，随着水温的升高,水的蒸汽膜阶段明显延长,高、中温阶段的冷速显著下降,这是使用热水淬火的零件容易产生淬火软点以及淬火硬度不足的主要原因;与机油相比，水在低温阶段具有过快的冷却速度,这是导致零件产生淬火开裂的主要原因。而机械油,在整个冷却过程都表现出极其缓和的冷却速度，高、中温阶段冷却速度太慢,对于有一定截面厚度的中碳合金结构钢零件,根本无法达到要求的淬火硬度和淬硬层深度，力学性能难以满足要求。基于以上分析,必须使用合适的冷却介质,既具有水在高、中温阶段快速冷却的特点,同时又具有机械油那样缓慢的冷却速度。聚合物淬火溶液是符合这种要求的理想淬火溶液[5]。用户选择使用好富顿公司提供的AQ 35 聚合物水性淬火介质。热处理工艺为860?淬火，620?回火。用此淬火液淬火，回火后力学性能能满足要求，但仍会出现大量淬裂情况。 对主淬火裂纹的形貌进行观察。沿径向方向断口形貌不断变化，接近外壁部分，裂纹平直，裂纹为沿晶扩展，如图3a，是裂纹的起源区。外侧和孔内侧同时最先接触淬火冷却介质，组织转变和热应力变化最剧烈，先以沿晶方式形成裂纹扩展，裂纹一方面沿纵向扩展也沿径向中心扩展。壁中间部分断口表现为有一定变形，呈快速撕裂，脆性低于两侧,图3b。内侧可见垂直于孔壁的二次裂纹，可见颗粒状夹杂分布于小孔洞内，相对于外侧疏松一些,图3b。淬火裂纹容易沿内外壁同时形成，向纵向和壁中间同时扩展，沿最有利的和最薄弱的方向扩展(一般轧制料横向材质性能低于纵向)，因此出现一条大的纵向主裂纹和多条一定角度的横向裂纹，表面晶粒直径在38-40μm,相当于晶粒度7级，符合要求。 (a)外侧形貌 (b)中间形貌 (c)内侧形貌 图2 钻挺淬火裂纹断口形貌 材料分析表明，出现裂纹炉号的化学成分、高低倍组织和力学性能均符合要求。说明工艺仍是主因。以上裂纹分析表明，裂纹起源于钻挺管的外表面，这里的热应力和组织应力变化最剧烈，应力超过了4145H钢的强度即导致钻挺开裂，尹宝俊等的研究工作也得出了相同的结论,6,。他们建议减小低温转变区的冷却当量。但4145H对综合力学性能有有较严格的要求，减小低温转变区的冷却当量可能导致混合组织的出现，进而影响到回火后的力学性能。理想的淬火工艺应是转变成马氏体，因而组织应力不可避免，应当减小热应力。实验表明，降低淬火温度并不能完全避免裂纹的产生，反而使得力学性能达不到要求。经过计算，4145H钢的Ac3温度为790?左右，因此仍将淬火温度选定为860?，但出炉后空到810?以上，减小热应力，同时确保奥氏体没有分解，得到完全的马氏体组织。经过这种工艺改进后，完全消除了淬火裂纹，力学性能也能满足要求。 3 结论 连铸坯生产的钻挺管性能可以满足最终的要求，可以有效降低生产成本，增强市场竟争能力。 对硫化物进行变性处理，改善夹杂物的形态，可以有提高效低温横向冲击韧性，对于4145H钢，硅含量较低，Si-Ca-RE复合处理更为有效。 对于中碳低合金钢4145H，为了达到较高的力学性能，同时确保不出现淬火裂纹，需要采用聚合溶液作为淬火介质，同时在淬火前必须在空气中予冷。 参考文献 1. 李鹤林，冯耀荣，李京川，安丙尧。钻挺和转换接头材料及热处理工艺的研 究。石油机械。Vol.20(1992), No.3.1~4. 2. 唐正华，范洪远，李静媛. 4145H钻挺钢中MnS夹杂物的含量和分布对开裂的 影响. 兵器材料科学与工程.Vol.20(1997), No.2,24-28. 3. Holappa.L.钢中的非金属夹杂物控制.沈阳:东北工学院出版社，1982.20 4. 姜钧普.庆祝林宗彩教授80寿辰论文集.北京:冶金工业出版社.1996.152 5. 周凤云。工程材料及应用。华中科技大学出版社，第二版。2002.118 6. 尹宝俊，黎晓华。230mm钻挺热处理裂纹分析。热加工工艺。2003年，No.6， 46-49.