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钻杆焊区热处理工艺简述

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[摘要]在石油钻杆制造中,焊接区域的热处理工艺至关重要,决定了产品制造是否合格。本文结合热处理工艺,利用铁碳合金相图进行分析,以便掌握热处理工艺对焊区的影响。

[关键词]钻杆焊接;热处理;淬火;高温回火

石油钻杆制造是在一根钻杆管体的两端采用摩擦焊接技术,分别焊接内螺纹接头和外螺纹接头,并通过机械加工、热处理、无损检测和防腐等工艺完成钻杆制造过程。摩擦对焊钻杆主要以5英寸G105钻杆为主。生产工艺流程成熟,其中焊接区域的热处理工艺至关重要,决定了产品制造是否合格。现结合热处理工艺,利用铁碳合金相图进行分析,以便掌握热处理工艺对焊区的影响。

1钻杆焊区热处理工艺简述

在完成G级钻杆对焊后,通过中频炉加热方式对焊区进行热处理。焊区热处理是钻杆生产制造过程中的关键工艺,目的是使产品达到符合要求的机械性能,良好地应用于钻井生产。因此,热处理工艺水平的高低直接决定了钻杆对焊结果的优劣,决定了钻杆的质量性能。

1.1钻杆产品对焊制造过程经过惯性

摩擦焊机对焊,管体和接头熔为一体,并在焊缝区域产生两条焊接飞边。

1.2热处理工艺

钻杆焊区热处理工艺依次为退火(之后切削掉焊接飞边)、淬火、高温回火。①退火:将焊区加热到680℃,保温190s左右,然后在空气中冷却至室温。目的是降低硬度,改善切削性能,同时消除部分金属内应力。②淬火:飞边切削完成后,将焊区加热到890℃(临界温度以上的某一温度),保温90s后,在淬火介质中急速喷淋冷却。目的是显著提高硬度,但此时塑性和韧性都较差。③高温回火:将焊区加热到680℃(临界温度以下的某一温度,高于500℃已属于高温回火),保温360s后,随炉冷至室温。目的是消除内应力,降低脆性,提高韧性,达到使用性能(既有一定的强度、硬度,又有一定的塑性、韧性)。

1.3后序检验

经过热处理工序后,对焊缝区域进行打磨,加工至适当的粗糙度。经过目视检验和几何尺寸测量后,检定硬度,最终经过磁粉和超声探伤后,完成产品。按照相应要求,定期定量选取试样送检,通过试验,对拉伸、弯曲、冲击功、硬度、化学成分、金相分析等六项指标进行检验,以此检定产品质量,同时也是对热处理工艺的检定。

2钻杆焊区热处理工艺分析

钻杆焊区热处理工艺基于合理准确的设计,依靠稳定的中频炉设备和管体接头材料,形成一套完整细致的热处理流程。在已知管体和接头材料以及热处理流程的设计参数下,结合铁碳合金相图,简要分析焊缝区域在热处理过程中随温度而变化的情况。管体材料为26CrMo4Si2,通常C元素含量(%)为0.23~0.29,Cr元素含量(%)为0.75~1.2,S和P的含量低于0.03,在图3中,柱状阴影部分为C元素含量(%)为0.23~0.29钢件在淬火和回火过程中的温度变化区域。点M为淬火过程中,管体钢件加热到临界温度以上的大致区域点(890℃),点N为高温回火过程中,管体钢件加热到临界温度以下的大致区域点(680℃)。现对淬火和高温回火过程中,金相组织情况进行分析。

2.1淬火过程分析。在淬火过程中,当加热温度达到890℃时,M点已经落入A区(即奥氏体区域),奥氏体是一种高温组织,稳定存在于图示区域内,此时表现出的主要特点是硬度低,塑性较高,经过保温过程,使钢件完全奥氏体化后,在淬火介质中迅速冷却,目的是在温度降至F(铁素体)+P(珠光体)获得马氏体组织以及贝氏体组织(在260~400℃温度区域)。获得马氏体组织后,马氏体是一种不太稳定相,是产生淬火应力,导致变形开裂的主要原因,表现出硬度高,塑性、韧性差的特点,所以,淬火后的钢件不能直接使用,需通过回火才能使用。

2.2高温回火过程分析。在高温回火过程中,再次加热温度达到680℃(低于727℃这一临界温度),在F(铁素体)区域,淬火后获得的马氏体经过较长时间保温和缓慢冷却过程后,演变成一种回火组织,即回火索氏体,是一种平衡稳定组织,是热处理过程后,想要获得的组织。此时钢件表现出良好的韧性和塑性,同时具有较高的强度,力学性能良好。在试样的金相分析中,还会反映正常存在铁素体组织和存在少量贝氏体组织以及良好的晶粒度情况。在分析热处理工艺后,通过不断优选和调试参数,可以达到提高生产效率、扩大产品系列和强化产品合格率的目的。

参考文献

[1]钱继锋主编.热加工工艺基础[M].北京:北京大学出版社,2006.

[2]崔忠圻,覃耀春主编.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,2010.

作者:徐刚 单位:大庆钻探工程公司钻技一公司

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