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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。

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。

    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。