高壓活動接頭為石油鉆采管路的關(guān)鍵連接件，在石油鉆采中主要起輸送流體的作用。 由于活動彎接頭多安裝在管路變向拐彎處（如圖1），常因流體擁堵和沖刷造成較大的應(yīng)力集中，加之材料不可避免地存在一些微觀缺陷，在高壓下極易發(fā)生爆裂（見圖2），導(dǎo)致井液泄漏噴射，危及人身安全，帶來很大的事故隱患。為此，我們對某油田現(xiàn)場發(fā)生開裂的彎頭進(jìn)行了全面分析，找出了爆裂的原因，并進(jìn)行了工藝改進(jìn)，取得了滿意的效果。
圖1 高壓活動彎接頭
圖2 彎接頭現(xiàn)場使用爆裂
1.彎接頭技術(shù)要求
該零件材料為20CrNiMo，技術(shù)要求：表面滲碳硬度56～62HRC，滲碳層深1.0～1.2mm，心部硬度25～30HRC。彎頭加工工藝路線：鍛造→正火→粗車→時(shí)效→精加工→彈道滲碳淬火→噴砂修磨→磁粉探傷→成品。為保證表面硬度，采用圖3所示的滲碳淬火工藝。
圖3 滲碳直接淬火工藝
2.檢驗(yàn)方法和結(jié)果
（1）斷口形貌檢查
斷口平齊呈脆性斷口（見圖4），說明材料延展性較差。
圖4 彎接頭斷口形貌圖
（2）化學(xué)成分
在失效樣品上取樣進(jìn)行化學(xué)分析，其結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，見表1。
（3）硬度和金相分析
取樣進(jìn)行硬度和金相分析，表面硬度為57HRC，心部硬度為22HRC，彈道滲層深度為1.1mm，金相組織表面為回火馬氏體2級，碳化物1級。滲碳深度和組織符合技術(shù)要求，但心部硬度較低。
表1爆裂彎頭的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
（4）力學(xué)性能
從失效樣品取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。
表2 爆裂彎頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果
項(xiàng)目 | 抗拉強(qiáng) 度/MPa | 屈服強(qiáng) 度/MPa | 伸長 率（%） | 斷面收 縮率（%） | 沖擊功 Akv（ -29℃）/J |
實(shí)測結(jié)果 | 740 | 625 | 14 | 40 | 20/22/27 |
技術(shù)指標(biāo) | 800 | 680 | 12 | 35 | 27（平均值） |
從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，材料強(qiáng)度和沖擊韌性低于指標(biāo)要求。
（5）夾雜物檢測
經(jīng)在裂紋附近取樣觀察，發(fā)現(xiàn)脆性夾雜物級別達(dá)到3級，技術(shù)要求為≤2級。
3.原因分析與討論
彎接頭工作時(shí)承受較高壓力和交變載荷，要求材料具有高強(qiáng)度高韌性，若材料韌性不足易在薄弱部位造成開裂。在開裂樣品裂紋處發(fā)現(xiàn)有氧化物夾雜，說明材料冶金質(zhì)量不過關(guān)。材料的塑韌性不足原因是滲碳工藝不當(dāng)，心部存在較多的混合組織。
4.改進(jìn)措施及效果
影響彎接頭材料質(zhì)量的因素有材料冶金質(zhì)量和內(nèi)部金相組織。為此，在對比多種材料的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多次工藝試驗(yàn)總結(jié)出以下改進(jìn)措施：
（1）提高材料冶煉等級，將原來采購普通材料改為真空精煉脫氣鋼，雖然成本有所增加，但大大提高了鋼的純凈度，由于減少了雜質(zhì)含量，結(jié)果因夾雜物超標(biāo)導(dǎo)致的廢品大大減少。所以，總的來看，費(fèi)用基本沒有增加。
（2）滲碳采用一次淬火細(xì)化晶粒（見圖5），提高心部強(qiáng)韌性。
（3）對改進(jìn)后的彎接頭進(jìn)行材料檢驗(yàn)，夾雜物級別≤1級，對心部取樣做力學(xué)性能試驗(yàn)，強(qiáng)度和沖擊性能均達(dá)到技術(shù)要求。跟蹤產(chǎn)品現(xiàn)場使用情況，再沒有發(fā)生爆裂問題。
圖5 彎接頭滲碳一次淬火工藝
5.結(jié)語
彎接頭20CrNiMo材料采用真空冶煉工藝和熱處理滲碳+一次淬火工藝可以有效提高產(chǎn)品的材料性能，從而大大減少廢品率，避免產(chǎn)品在使用中的開裂，提高了企業(yè)的產(chǎn)品形象。
作者：劉瓊、胡順、李平
單位：江漢石油管理局第四機(jī)械廠
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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