采油井口装置铸钢材料AP160K研究与应用

采油井口装置铸钢材料AP160K研究与应用 采油井口装置铸钢材料AP160K研究与应 用 字木交流 理论,研发, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 /耐遁 采油井口装置铸钢材料API60K研究与应用 杨华-,张浩然,郑袖 (1.大庆油田装备制造集团销公司,黑龙江大庆163000;2.黑龙江省机械科学研究院, 哈尔滨150040) 1研制API60K铸钢材料的意义 采油井口设备结构零部件制造采用的铸钢材料, 其性能必须达到API(美国石油学会标准)规定的通用 标准性能指标要求,国际上才能认可.对于制造采油井 口设备所用的API60K牌号的材料,目前我国金属材 料低合金钢系列的标准中没有完全符合API60K规定 机械性能指标的材料.API60K标准中只给出某些合金 化学成分的选用范围,没有指定的定量参数,只对各项 机械性能指标有具体要求,而且其性能检测采样的标 准及方法有着特殊的规定.目前国内生产的井口设备 铸钢件均达不到API的要求,直接影响了我国石油开 采设备的出口. 油田井口装置API60K铸钢材料研究就是针对油田 井口装置在铸造生产中存在的具体技术问题,对API60K 牌号的铸钢材料进行试验,研制,使其性能达到油田设备 通用的API国际标准及规范. 2国内外采油井口制造材料现状分析 目前,国外油田井口铸钢件阀体采用的钢种主要有 AISI4130,AISI4135和AISI8630等.我国采用的钢种主 要有Cr—klo系列的ZG2OCrMo,ZG35CrMo,以及Cr—N 系列的ZG535—720等,它们的性能指标较接近API60K 的性能要求,而且成分也基本符合要求.从一般规律j: 看,强度越高则塑性越低,而井口铸钢件不仅要求较高的 抗拉强度同时又要求有较高的塑性,仅仅从材质上还解 决不了问题.国内外很多学者对提高强度及改变塑性方 面做了大量的研究,目前井口材料多采用低合金钢cr, Mo系列,这一系列的低合金钢在不同行业使用有些差 别,有的抗拉强度能达到要求,但是延伸率达不到要求, 或者相反;有的性能达到要求,但是成分又超标.主要包 括在以下几个方面(低合金钢): (1)Cr系中主要是40Cr,俄罗斯和中国使用这种牌 号; 第4条路线是增加覆膜参数的可控性,涂布量和覆 膜压力是覆膜机械的两个重要指标,要保证覆膜质量就 要向着覆膜参数精确控制的方向发展. 从上面的分析可以看出,采用第4条路线,仍可进一 步发展优化现有覆膜技术,延缓整个系统进入衰退期的 进程,继续为企业取得利润. 2.2.4向微观级和场的应用进化法则 技术系统趋向于从宏观系统向微观系统转化.在转 化中,使用不同的能量场来获得更佳的性能或控制性_41. 主要包含向微观级和应用场两条进化路线. 第l条路线是使滚筒变为微小物体,热熔胶喷涂覆 膜实现了将热熔胶直接喷涂在印刷品表面,实现了涂布 机构的微型化. 第2条路线是采用场.热熔胶喷涂覆膜采用空气射流 技术代替原有的机械式滚筒压合覆膜,提高了覆膜质量. 3结论 通过深入分析覆膜技术的国内专利,运用TRIZ技术 32i机械工程师2010年第7期 进化理论对覆膜技术的发展进化作了系统的研究,得出 覆膜技术正处在成熟期向衰退期的转型时期,需要对现 有技术进一步优化并研究可以替代的核心技术,以保证 覆膜技术的良好发展.基于进化法则和进化路线的分析 可以看出,覆膜技术的发展是向着绿色,环保,精确控制 的方向发展.研究优化当前已有的热熔胶喷涂覆膜技术, 具有较大的市场前景. [参考文献] [1]芮延年.创新学原理及其应用[M].北京:高等教育出版社,2007. [2]阮汝祥.技术创新方法基础[M].北京:高等教育出版社,2009. [3]檀润华,苑彩云,张瑞红,等.基于技术进化的产品设计过程研 究[J].机械工程,2002(12):60—65. [4]张换高,赵文燕,檀润华.基于专利分析的产品技术成熟度预测 技术及其软件开发[J].中国机械工程,2006(4):823—827. (编辑黄荻) 作者简介:韩彦良(1976一),男,讲师.硕士研究生,主要研究方向为机 电产品创新设计. 收稿日期:2010—04一l1 (2)Cr—Mo系是美,俄,中使用低合金钢的主要钢系, 4130或A一487—9Q是适合在含Hs条件下使用的材料, 用Ni+Mo+Nh改型后的4130具有良好的耐酸性能.4140 是井口用传统优良钢材,4l30和4140用于50mm厚的 零件表现出优良的强度性能,21/4Cr一1Mo和11/4Cr— Mo—V钢淬透性和韧性都很高; (3)Cr—Mo—A1系中主要是38CrMoA1,俄罗斯,中国 使用; (4)Ni—Cr—Mo系主要是A一487—4和AISI8630,两者 相近,俄罗斯使用20XH2M,相当于美国的4320; (5)C卜Mn—Si系中主要是20CrMnSi. 综上所述,我们认为采用Cr—Mo—V系更为合适,更 符合API的性能要求.一方面cr可以提高强度,Mo可 以提高淬透性,而v由于有明显细化晶粒的效果,可以 显着地改善塑性,使得这种合金不但强度高而且塑性也 高.同时,热处理工艺也是另一个关键技术,因为材料的 最终性能只有通过热处理T艺才能体现出来. 国内外研究表明,本研究的关键问题是选取合适 的材料系及合理的热处理工艺,结合现有的试验条件 和试验设备,在选取合理的材料成分的基础上,通过适 当地调节材料成分,选择最佳的熔炼工艺和合理的热 处理工艺. 3井口装置API60K铸钢材料研制的工艺规程 铸造生产工艺 3. (1)熔炼生产设备:100kg中频炉,炉前测温仪,成分 检测仪. (2)原材料:Q235废钢,75%硅铁,4%高碳生铁,60% 低碳铬铁,60%低碳锰铁,56%低碳钼铁,50%低碳钒铁, 99.93%纯镍板,铝条.要求:所有原材料必须经化学成分 检测合格后方可使用,P,s含量最好小于0.03%. 材料为Ni—Cr—Mo系铸钢合金. (3)配料:根据原材料的化学成分,按研制的化学成 分范围进行配料.可用废钢和高碳生铁对含碳量进行调 整. (4)熔炼:熔炼采用直径30mm的Q235圆钢,按配方 加入适量的4%高碳生铁,75%硅铁,60%低碳铬铁,60% 低碳锰铁,56%低碳钼铁,99.93%纯镍板等合金材料,进 行熔炼,高碳生铁,铬铁,钼铁,镍板随Q235圆钢先加入 炉内.硅铁,锰铁等易氧化的合金待钢水熔化后再加入, 并采用造渣剂造渣,打渣,最后在炉内和包内采用铝板 (线)脱氧除气,出炉 温度为1600oc, 1620oc. (5)造型:机械 性能试样为龙骨块 形试样,具体尺寸如 图l所示.造型材料 为水玻璃二氧化碳 自硬砂,冒口可为圆 理论,研发,设计,制造 字木交i赢 形或梯形. (a)大龙骨块试样尺寸: R--43mm,31/2R=I50mm,2'/2R=I10ram,=120mm (b)小龙骨块试样尺寸:R=315mm,31/2R=I10mm,272= 78ram.,J=120ram (6)浇注:浇注温度为1540~C,l560?.浇注时包内加 入铝线进行脱氧,并用造渣剂覆盖钢水表面,经造渣,打 渣后浇注,浇注时冒口必须浇满,并用草木灰覆盖冒口表 面,保证试样充分补缩. (7)打箱清砂:1o0qC以下打箱,将试样表面沙子清理 干净,去除冒口,以备加工之用. 3.2热处理生产工艺 经过反复的试验,确定最佳的热处理T艺为:预处理 (正火)+双相区淬火+两次回火+低温去应力退火.实际生 产时,可以根据工件的大小和设备对工艺参数进行适当 的调整. 3.3机械试验试棒取样部位,加工方法及检测结果 取样部位如图2所 示,在1,2,3,4号位任选 3个位置,用线切割方法 切取3根直径为20mm的 圆柱型试棒,作为一组试 样.圆柱型试棒的中心线 应完全在龙骨块形试样距 表面1/4Tmm(或15, 20mm)包线的芯部以内, 但不必在远离龙骨块形试 样表面处切取,应尽量在 靠近1/4Tmm(或15,20mm)包线处切取.用车床将切取 m来的圆柱型试棒加工成标准拉伸试棒,拉伸试棒的尺 寸应符合国家标准GB/T228—2002金属材料室温拉伸试 验方法的规定. 检测结果:对每炉次浇注的龙骨块形试样经热处理 后,按如图2的部位要求加工出拉伸试样,进行机械性 能检测.拉伸试验标准执行GB/T228—2002金属材料室 温拉伸试验方法.试样为标距50mm,直径10mm的圆棒 拉伸试样,在10t液压万能材料试验机进行性能拉伸试 验.通过对不同化学成分,不同的热处理工艺处理后加 _T出的拉伸试样进行性能检测试验,最终获得满足《井 口装置和采油树设备规范》中对API60K要求规定的各 项性能指标. 4结语 通过反复的试验研究,最终研制出API60K牌号的铸 钢材料,从合金元素选用范围到各项机械性能指标均满 足API中规定的国际标准要求. (编辑立明) 作者简介:杨华(1963一),助理工程师,从事石油装备方面的技术工作. 收稿日期:2010—05—20 机械工程师2010年第7期i33