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高壓活動接頭爆裂,熱處理人怎么處理?

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)

/MPa

屈服強(qiáng)

/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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