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高压活动接头爆裂,热处理人怎么处理?

高压活动接头为石油钻采管路的关键连接件,在石油钻采中主要起输送流体的作用。 由于活动弯接头多安装在管路变向拐弯处(如图1),常因流体拥堵和冲刷造成较大的应力集中,加之材料不可避免地存在一些微观缺陷,在高压下极易发生爆裂(见图2),导致井液泄漏喷射,危及人身安全,带来很大的事故隐患。为此,我们对某油田现场发生开裂的弯头进行了全面分析,找出了爆裂的原因,并进行了工艺改进,取得了满意的效果。

图1 高压活动弯接头

图2 弯接头现场使用爆裂


1.弯接头技术要求

该零件材料为20CrNiMo,技术要求:表面渗碳硬度56~62HRC,渗碳层深1.0~1.2mm,心部硬度25~30HRC。弯头加工工艺路线:锻造→正火→粗车→时效→精加工→弹道渗碳淬火→喷砂修磨→磁粉探伤→成品。为保证表面硬度,采用图3所示的渗碳淬火工艺。

图3 渗碳直接淬火工艺


2.检验方法和结果

(1)断口形貌检查

断口平齐呈脆性断口(见图4),说明材料延展性较差。

 图4 弯接头断口形貌图


(2)化学成分

在失效样品上取样进行化学分析,其结果符合标准要求,见表1。


(3)硬度和金相分析

取样进行硬度和金相分析,表面硬度为57HRC,心部硬度为22HRC,弹道渗层深度为1.1mm,金相组织表面为回火马氏体2级,碳化物1级。渗碳深度和组织符合技术要求,但心部硬度较低。

表1爆裂弯头的化学成分(质量分数)(%)

(4)力学性能

从失效样品取样进行力学性能试验,结果如表2所示。


表2 爆裂弯头力学性能试验结果

项目

抗拉强

/MPa

屈服强

/MPa

伸长

率(%

断面收

缩率(%

冲击功

Akv -29/J

实测结果

740

625

14

40

20/22/27

技术指标

800

680

12

35

27(平均值)

从试验数据看,材料强度和冲击韧性低于指标要求。


(5)夹杂物检测

经在裂纹附近取样观察,发现脆性夹杂物级别达到3级,技术要求为≤2级。


3.原因分析与讨论

弯接头工作时承受较高压力和交变载荷,要求材料具有高强度高韧性,若材料韧性不足易在薄弱部位造成开裂。在开裂样品裂纹处发现有氧化物夹杂,说明材料冶金质量不过关。材料的塑韧性不足原因是渗碳工艺不当,心部存在较多的混合组织。


4.改进措施及效果

影响弯接头材料质量的因素有材料冶金质量和内部金相组织。为此,在对比多种材料的基础上,经过多次工艺试验总结出以下改进措施:


(1)提高材料冶炼等级,将原来采购普通材料改为真空精炼脱气钢,虽然成本有所增加,但大大提高了钢的纯净度,由于减少了杂质含量,结果因夹杂物超标导致的废品大大减少。所以,总的来看,费用基本没有增加。


(2)渗碳采用一次淬火细化晶粒(见图5),提高心部强韧性。


(3)对改进后的弯接头进行材料检验,夹杂物级别≤1级,对心部取样做力学性能试验,强度和冲击性能均达到技术要求。跟踪产品现场使用情况,再没有发生爆裂问题。

图5 弯接头渗碳一次淬火工艺


5.结语

弯接头20CrNiMo材料采用真空冶炼工艺和热处理渗碳+一次淬火工艺可以有效提高产品的材料性能,从而大大减少废品率,避免产品在使用中的开裂,提高了企业的产品形象。

作者:刘琼、胡顺、李平

单位:江汉石油管理局第四机械厂

来源:《金属加工(热加工)》杂志

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