热处理工艺对弹性防退卡瓦性能的影响

2013年第41卷第11期石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY钻井技术与装备热处理工艺对弹性防退卡瓦性能的影响张瑞郭朝辉尹慧博马兰荣中国石化石油工程技术研究院摘要弹性防退卡瓦是一种新型井下锚定机构，该卡瓦在坐封过程中需要发生较大的弹性变形，因此对零件的不同部位提出了完全不同的性能要求，加工制造难度也随之加大。通过对该防退卡瓦结构特点的分析，研究了2种不同的局部渗碳工艺对防退卡瓦性能的影响。研究结果表明，采用整体渗碳后肋部退火工艺加工的卡瓦坐挂后肋部发生明显的断裂，这是由于整体渗碳而使卡瓦肋部碳含量大大提高后，退火处理并不能有效改善其塑性和韧性。而采用涂抹防渗涂料的局部渗碳淬火工艺，既保证了防退卡瓦的齿部硬度，又达到了卡瓦肋塑性和韧性的要求。相对于整体渗碳后肋部退火工艺，涂抹防渗涂料的局部渗碳淬火工艺具有更好的整体性能。关键词防退卡瓦；热处理；渗碳；淬火；退火；力学性能；显微组织中图分类号TG156文献标识码ADOI103969JISSN10014578201311007EFFECTSOFTHERMALTREATMENTTECHNOLOGYONTHEPERFORMANCEOFELASTICANTIBACKSLIDINGSLIPSZHANGRUIGUOZHAOHUIYINHUIBOMALANRONGSINOPECRESEARCHINSTITUTEOFPETROLEUMENGINEERINGABSTRACTTHEELASTICANTIBACKSLIDINGSLIPSAREAKINDOFNEWDOWNHOLEANCHORINGMECHANISMTHESLIPSWILLUNDERGOREMARKABLEELASTICDEFORMATIONINTHEPROCESSOFSETTINGTHEREFORE，THEDIFFERENTPERFORMANCEREQUIREMENTSAREGIVENTOTHEDIFFERENTPOSITIONSOFTHEPANSANDTHEPROCESSINGANDMANUFACTURINGDIFFICULTYINCREASESTHROUGHANALYSISOFTHEDESIGNFEATUREOFTHESLIPS，THEEFFECTSOFTWOLOCALCARBURIZINGTECHNOLOGIESONTHESLIPSPERFORMANCEWERESTUDIEDTHERESEARCHFINDINGSSHOWTHATNOTICEABLEFRACTURETAKESPLACEONTHESLIPSRIBPROCESSEDBYANNEALINGAFTEROVERALLCARBURIZINGTHISISDUETOOVERALLCARBURIZINGWHICHMAKESTHESLIPSRIBCARBONCONTENTINCREASEREMARKABLYANDANNEALINGCANNOTEFFECTIVELYIMPROVETHERIBSPLASTICITYANDTOUGHNESSBUTLOCALCARBURIZINGQUENCHINGTECHNOLOGYWHICHAPPLIESIMPERMEABLEDOPEENSURESTHETOOTHHARDNESSOFTHESLIPSANDSATISFIESTHEPLASTICITYANDTOUGHNESSREQUIREMENTOFTHESLIPSRIBCOMPAREDWITHRIBANNEALINGAFTEROVERALLCARBURIZING，ITHASTHEBETTEROVERALLPERFORMANCEKEYWORDSANTIBACKSLIDINGSLIPS；THERMALTREATMENT；CARBURIZING；QUENCHING；ANNEALING；MECHANICALPROPEY；MICROSTRUCTURE0引言防退卡瓦是一种常用的井下锚定机构，广泛应用于悬挂器、封隔器和桥塞等井下工具中，能够有效地防止工具的轴向窜动。该卡瓦主要分为整体式和分瓣式2种，无论是整体式卡瓦还是分瓣式卡瓦都存在一定的结构缺陷。整体式卡瓦容易出现的失效形式有整体断裂、严重磨损、牙齿剥落及塑性变形等_1；分瓣式卡瓦则需要通过特定且复杂的机构将卡瓦固定，在实际入井过程中容易出现坐挂不稳及卡瓦易损坏等问题。卡瓦齿部的强度直接基金项目中国石化科技开发部项目“内嵌卡瓦旋转尾管悬挂器的研制”P11052。石油机械2013年第41卷第LL期影响卡瓦的防退能力，国内外学者对卡瓦的结构优化和力学分析都局限在齿部，通过分析研究卡瓦齿部与套管壁接触应力，优化齿部结构，提高卡瓦的承载能力。然而，这些研究并没有有效解决整体式卡瓦断裂和分瓣式卡瓦提前脱落等问题。为了解决以上问题，国外公司研发了一种新型弹性防退卡瓦。该卡瓦通过将分瓣式卡瓦、推杆及载荷支撑套组合设计为一个零件，去除了复杂的连接机构，从而避免掉卡现象的产生，有效地提高了卡瓦坐挂的可靠性和稳定性。然而，该防退卡瓦在坐挂过程中需要发生较大的弹性变形，因此对一个零件的不同部位提出了完全不同的性能要求，加工制造难度也随之加大。目前，对防退卡瓦的研究主要局限在齿部渗碳工艺，对于弹性防退卡瓦制造工艺的研究则尚未发现相关文献。笔者采用局部热处理工艺对弹性防退卡瓦不同部位的性能进行精细控制，以达到其工作性能要求，并研究了不同的局部热处理工艺对弹性防退卡瓦性能的影响，为该弹性防退卡瓦的加工制造提供了一种新的方法。1弹性防退卡瓦的结构弹性防退卡瓦是介于整体式卡瓦与分瓣式卡瓦间的一种新型防退机构，主要应用于尾管顶部封隔器和套管牵制短节等井下工具中，用于防止井下管串的轴向移动。它根据功能的不同可以大致分为承载环、卡瓦肋和卡瓦齿3部分，如图1所示。在坐挂过程中，承载环起到承受轴向载荷、固定及限位的作用；而卡瓦肋在锥体的作用下发生弯曲变形，使卡瓦张开；卡瓦齿则是与套管壁咬合，起到楔紧和锚定的作用。1一承载环；2卡瓦肋；3M卡瓦齿。图L弹性卡瓦的结构示意图FIG1STRUCTURALDIAGRAMOFELASTICSLIPS因此，要想实现弹性防退卡瓦的顺利坐挂且具有较高的承载能力，整个卡瓦必须具有足够的强度；卡瓦肋需要具有很好的塑性和韧性，能够提供卡瓦涨开时发生的弹性变形；而卡瓦齿部则需要具有更高的强度和表面硬度，以保证在与套管壁咬合过程中不会发生撕裂，进而确保卡瓦的承载能力。对于金属材料来说高强度与高韧性是一对矛盾体，因此如何在弹性防退卡瓦的不同部位实现完全不同的力学性能，这是防退卡瓦加工制造的难点。2材料的选择及热处理工艺研究21卡瓦材料的选择弹性防退卡瓦坐挂后肋部将发生较大的弹性变形，需要足够的韧性和伸长率，因此需要选用低碳合金钢。而齿部需要具有较高的表面硬度4555HRC和较好的耐磨性J，常规的低碳合金钢进行适当的渗碳处理就可以达到这样的性能要求。但是，如果将弹性卡瓦进行整体渗碳势必会影响卡瓦肋部的韧性，因此必须对弹性防退卡瓦齿部进行局部渗碳处理。综合弹性防退卡瓦的性能与工艺要求，最终选择了一种渗碳钢作为卡瓦的材料。该材料具有良好的淬透L生，在保证淬透的情况下具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性，完全能够达到卡瓦承载环与肋部的性能要求。通过合适的渗碳处理，该材料可以达到很高的表面硬度，这也能达到卡瓦齿部的性能要求。因此，如何选择合适的热处理工艺成为弹性防退卡瓦制造技术的关键。22热处理工艺研究根据以上分析可知，要想同时满足弹性防退卡瓦齿部和肋部的性能要求，可以采用局部渗碳工艺。常用的局部渗碳淬火工艺有以下4种方法局部镀铜防渗法。此方法适用于渗碳层深度0815NLM的工件，但成本较高。留加工余量法。将不需渗碳部位的表面留有加工余量，在渗碳后去除多余部份，最后整体进行淬火和低温回火。此方法工序繁琐，操作复杂。整体渗碳、局部高频感应淬火法。此方法对设备要求较高。局部涂料防渗法。该方法成本较低，操作简单。根据弹性防退卡瓦加工的实际情况对方法、进行相应改进，制定了2种操作简单的局部渗碳淬火工艺方案。一种是整体渗碳局部退火工艺称工艺A，具体方法是首先将弹性卡瓦整体放入渗碳炉中进行渗碳处理，取出后只将卡瓦齿部浸入水中进行淬火处理，使得齿部具有较高的表面硬度，最后采用火焰加热对卡瓦肋部进行退火，以增加肋部的韧性。另一种是涂抹防渗涂料进行整体渗碳工艺称工艺B，方法是将齿部以外的所有表2013年第41卷第11期张瑞等热处理工艺对弹性防退卡瓦性能的影响一31一部碳含量大大提高后，退火处理并不能有效改善其塑性和韧性。因为在退火过程中，虽然形成了大量的铁素体，同时也在铁素体内部出现了大量渗碳体。这2类硬度相差悬殊的组织共存，促进了裂纹的萌生。而采用工艺B加工的弹性卡瓦肋部的硬度和组织都比较均匀，不存在软硬相，且组织均为强韧性很好的回火马氏体组织，因而在卡瓦坐挂后能够发生很大的弯曲变形，不会发生卡瓦断裂现象，所以，采用涂料防渗的局部渗碳工艺能够简单有效地达到弹性卡瓦的性能要求。5结论1采用涂抹防渗涂料的局部渗碳淬火工艺，既保证了弹性防退卡瓦齿部的硬度，又达到了卡瓦肋部塑性和韧性要求，相对于整体渗碳后肋部退火工艺，具有更好的整体性能。2在整体渗碳而使卡瓦肋部碳含量大大提高后，退火处理并不能有效改善其塑性和韧性。整体渗碳后肋部退火工艺加工的弹性卡瓦肋部发生断裂的原因是退火后组织不均匀，铁素体内部存在大量渗碳体。这2类硬度相差悬殊的组织共存，促进了裂纹的萌生。参考文献1赵越超，马状，徐瑞采油封隔器整体卡瓦材质及热处理工艺研究J阜新矿业学院学报自然科学版，1996，153345348234567891O毕勇分瓣式卡瓦接触应力实验研究J大庆石油地质与开发，2008，2738689王迪，何世平，张熹封隔器卡瓦接触应力研究J实验力学，2006，213351356伍开松，谢斌，杨新克封隔器卡瓦的三维接触有限元分析J石油矿场机械，2005，34174749刘汝福，吴晋霞整体式卡瓦断裂过程的有限元分析J石油机械，2010，3855254耿岱，张仕民，王德国，等桥塞卡瓦坐封下套管磨损机制研究J润滑与密封，2011，3622629席俊杰，吴中，刘利平20CRMNTI钢渗碳研究J煤矿机械，200598890王泾文淬火温度对20CRMNTI钢组织和性能的影响J热加工工艺，200515053刘桂燕，高泊依，李俊英，等20CRMNTI钢渗碳齿轮轴失效分析及预防措施J金属热处理，2O07，321095赵国防，杨卯生，刘东雨，等高性能渗碳钢轴承的组织与性能J钢铁研究学报，2011，23113440第一作者简介张瑞，助理工程师，生于1985年，2011年毕业于北京科技大学材料物理与化学专业，获硕士学位，现从事石油固完井工具的相关技术研究工作。地址253005山东省德州市。EMAILZHANGRSHELILCONL。收稿日期20130603本文编辑刘峰简讯PDC钻头持续给力西南油气田钻井提速提效2013年，西南油气田依靠科技，积极创新，持续扩大PDC钻头应用面，分区块、分井段对PDC钻头开展优选和应用试验，在提高机械钻速、大幅度缩短钻井周期方面取得了良好成效。2013年19月，平均机械钻速31MH，生产时效8925，比去年同期提高143。具体体现在以下几个方面。一是磨溪一高石梯探井再提速。通过进一步优选PDC钻头、扩大螺杆PDC应用，攻克瓶颈地层，全面提高了磨溪一高石梯第二轮探井机械钻速。其中在3112MM井眼的沙溪庙、自流井、雷口坡至嘉二3段开展新技术试验及推广运用，钻井周期由上轮最快的3946D缩短至2788D；在龙潭组、沧浪铺分别大胆试验，突破了PDC钻头钻不穿龙潭组和沧浪铺组速度慢、无法连续钻进的瓶颈。第二轮探井震旦系井180D完钻、龙王庙专层井100D完钻的提速目标全面实现。二是页岩气水平井组钻井提速。综合分析长宁页岩气水平井井组各层段的岩性特点和可钻性，对茅口以上、茅口以下、定向段、水平段的钻头分别进行个性化研究和优选，缩短了钻井周期。6口完钻井平均机械钻速522MH，同比第一轮井提高1522