（机械工程专业论文）闸板防喷器壳体材料及其可控淬火研究.pdf

闸板防喷器壳体材料及其可控淬火研究 张彦苏( 机械工程) 指导教师鲁玉祥副教授 林庆合高级工程师 摘要 闸板防喷器主要是用于石油钻井、修并及试油等作业中控制井口压 力，可有效地防止井喷事故发生，实现安全生产的必备装备之一。壳体 是闸板防喷器中重要的承压件。 本文要达到的目的是优化调整z g 2 5 c r n i m o 和2 5 c r n i m o 闸板防喷 器壳体材料，加强热处理淬火质量，提高其在批量热处理生产中性能的 稳定性和可靠性。 优化调整材料从冶炼合金化入手，通过对z g 2 5 c r n i m o 和2 5 c r n i m o 材料淬透性的研究、不同试块热处理后的力学性能分析、金相组织分析， 合理地优化调整了该材料的化学成分。另外，通过抗h 2 s 应力开裂( s s c ) 试验，说明了该材料在设计要求硬度下具有抗s s c 的能力。 在该材料壳体的热处理中，通过研究可控淬火槽的结构和控制系 统，使壳体在淬火过程中实现了可控生产，保证了壳体的热处理质量。 主题词：2 5 c r n i m o ，闸板防喷器，淬火槽，热处理 s t u d yo ns t e e l sa n dc o n t r o l l a b l eq u e n c h i n gf o rp r e s s u r e h u l li nt h er a mb l o w o u tp r e v e n t e r s z a n gy a n s u ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rl uy u x i a n g s e n i o re n g i n e e rl i nq i n g - h e a b s t r a c t t h er a n lm o w o m p r e v e n t e r , u s i n gt oc o n t r o lt h ep r e s s u r eo f t h em o u t ho f o i lw e l ld u r i n gd r i l l i n g ，r e p a i ra n dt e s to fo i lw e l l 。i sa l la b s o l u t e l yn e c e s s a r y e q u i p m e n ti no r d e rt os a f e l yp r o d u c et h r o u g hp r e v e n t i n gb m w o n t p r e s s u r e h u l lo f t h er a mb l o w o n tp r e v e n t e ri sa ni m p o r t a n tp r e s s u r er e s i s t a n tp a r t t h ep u r p o s ei nt h i sd i s s e r t a t i o ni st o o p t i m i z et h ec o m p o s i t i o no f z g 2 5 c r n i m oa n d2 5 c r n i m ou s i n ga sh u l lm a t e r i a l si nr a mb l o w o u t p r e v e n t e r , a n di m p r o v eq u a l i t yo fq u e n c h i n gt h r o u g he n h a n c i n gs t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo f h e a tt r e a t m e n tv o l u m ep r o d u c e i no r d e rt oo p t i m i z eh u l lm a t e r i a l st h r o u g hm l o y i n gd u r i n gam e l t i n g p r o c e s s t h eh a r d e n a b i l i t yo fz g 2 5 c r n i m oa n d2 5 c r n i m os t e e l sa n dt h e i r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa f t e rh e a tt r e a t m e n ta n dm i e r o s t r u c t u r ew e r es t u d i e d i na d d i t i o n , t h er e s u l t so f t e s t i n gs h o wt h a tt h e s es t e e l s 、丽mt h ec o n d i t i o no f d e s i g nh a r d n e s sh a v es a t i s f i e dh y d r o g e ns u l f i d es t r e s sc r a c k i n gr e s i s t a n c e t h es t r u c t u r ea n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f c o n t r o l l a b l eq u e n c h i n gc o n t a i n e r w e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tp r e s s u r eh u l lc a nb e c o n t r o l l a b l y p r o d u c e dd u r i n gq u e n c h i n g ，w h i c he n s u r e st h eh e a tt r e a t m e n tq u a l i t yo f h u l l k e y w o r d s ：2 5 c r n i m o ，r a mb l o w o u tp r e v e n t e r , q u e n c h i n gc o n t a i n e r , h e a tt r e a t m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其他教育结构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：鳓垂加，乡年，月谚日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 旅袁曩 坩年罗月话e t 炒缛? 月订e t 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 防喷器是井控装备中最为关键的设备，主要用于钻井、修井及试油 等作业中控制井口压力，可有效地防止井喷事故的发生，实现安全生产。 并且可以满足现代钻井新工艺的需要，减低对环境的污染和对油气资源 的浪费。闸板防喷器是防喷器中控制井口压力的主要设备，具有承压能 力高、可靠性高的特点。防喷器组联动试验和组装的闸板防喷器见图1 1 和图1 - 2 。壳体是闸板防喷器中重要的承压件，随着制造压力等级不断地 提高，对壳体内在制造质量的要求也越来越高。 图1 1 防喷器组联动试验 图1 2闸板防喷器 河北华北石油荣盛机械制造有限公司是国内较大的防喷器制造 企业之一，生产防喷器有近二十年的历史，闸板防喷器壳体材料一直选 用z g 2 5 c r n i m o 和2 5 c r n i m o 材料。随着研发闸板防喷器通径和压力等级 的不断提升，原来使用的这种材料已逐渐不能适应厚壁壳体的承 压要求，而原先采用的热处理调质淬火方式也受到了极大的挑战，尤其 是1 0 5 m p a 系列闸板防喷器的开发和研制，使得如何保证厚壁壳体的力学 性能问题变得更为迫切。 中国石油大学( 华东) t 程硕士学位论文第1 章前言 在河北华北石油荣盛机械制造有限公司的大力协助和支持下，为了 最终稳定和可靠地保证闸板防喷器壳体承压的力学性能要求，尤其是厚 壁壳体承压的力学性能要求，本文在原z g 2 5 c r n i m o 和2 5 c r n i m o 选材的 基础上，采取了将壳体材料的优化调整( 包括化学成分和钢水冶炼方法 在内) 与批量生产中热处理调质淬火的保证方式相结合的方法，开展了 进一步的研究工作。 1 1 国内外防喷器的研究现状 国外防喷器经过了8 0 多年的发展，目前已经发展成多种功能和规格 标准的系列产品。生产的防喷器已具有各种压力等级及通径规格，能满 足从陆上到海洋等各种环境工况的要求。防喷器品种规格已超出了a p i s p e c1 6 a 规范所覆盖的范围，通径从6 5 m m 到7 6 2 m m ( 2 ”到3 0 ”) ， 压力等级从3 5 m p a 到1 7 5 m p a ( 5 0 0 p s i 到2 ，5 0 0 0 p s i ) 都一应俱全。 国外防喷器系统装备经历了三个技术发展阶段，第一阶段为手动闸 板防喷器，第二阶段为液动闸板防喷器和环形防喷器的组合，第三阶段 仍为液动防喷器，以高压、大通径、可变通径和不断完善的结构为其主 要特征。目前正在开发、完善第四代产品即井下防喷器。美国在防喷器 研制的各方面都处于领先地位，其三个公司( h y d f i l 、c a m e r o n 及s h a f f e r ) 的产品代表了当今世界最先进水平。 目前国内已有多家工厂能生产防喷器，主要生产厂有河北华北石油 荣盛机械制造有限公司、上海神开股份有限公司、宝鸡石油机械制造有 限公司、信得石油机械厂等。生产的防喷器品种、规格多达4 0 余种，通 径从6 5 m m 到5 4 0 m m ( 2 ”到2 l l ，4 ”) ，压力级别从3 5 m p a 到1 0 5 m p a 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 ( 5 0 0 p s i 到1 , 5 0 0 0 p s i ) ，逐渐形成了标准系列化产品。几个生产防喷器的 主要厂家都取得了a p i 会标使用权，产品的设计、制造、检测、试验均 严格执行的是a p is p e c1 6 a 标准“1 。但到目前为止，各生产厂家仅致力 于产品规格系列化，在制造技术上没有大的突破，与国外先进水平相比 有较大差距，主要表现在以下几个方面嘲： ( 1 ) 设计技术相对落后 美国各防喷器生产公司广泛采用c a d 技术，运用弹塑性力学和断裂 力学理论进行非线性结构分析和优化设计，大大缩小了设计周期，充分 利用材料特性，提高其安全可靠性。而我国几个从事防喷器设计制造的 厂家大多仍处于半理论、半经验的设计阶段，以常规方法来验证设计质 量。 ( 2 ) 制造技术相对落后 国产防喷器特别是大通径防喷器的承压件大多采用铸钢件，由于工 艺手段有限，因而铸造时微量有害元素不能有效控制，毛坯缺陷较多， 成品率较低，返修率较高，且内部质量不稳定。而国外目前广泛采用大 型水压机锻造壳体承压件，充分发挥了材料性能，重量轻、可靠性高， 而且加工余量小。 在加工设备方面，美国各公司普遍采用大型数控机床加工防喷器的 主要零件，而国内厂家大多仍采用普通机床。制造技术的落后也限制了 防喷器结构设计的优化和一些先进结构的应用。 防喷器关键密封件的制造工艺差距更大，国产密封件寿命低，不能 满足恶劣环境工况的密封要求。特别是高压、大通径的密封件大多数仍 然依赖进口。 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 ( 3 ) 试验检测手段不全 国内各厂家虽然都建成有整机性能试验室，但仅限于整机出厂前的 常规试验，在检测手段及功能上尚需完善。还没有用于压力试验监测的 声发射仪，各种工艺动作的模拟也仍是常规工况，在高、低温环境性能、 气密封性能、旋转工况性能、酸性环境性能等方面的试验设备都有待扩 充。 ( 4 ) 产品性能可靠性低、功能不完善 国产防喷器在现场工作时故障率高，经常出现密封失效、环型壳体 拉伤、闸板轴断裂等的现象。配备的闸板只是以常规的管柱闸板为主， 大范围变径闸板、高性能的承重闸板和剪切闸板仍处于试验使用和试用 阶段，性能不稳定；修井、测井用的防喷器的闸板更为单一，仅有普通 管柱闸板和电缆闸板，缺乏进一步的研究，对闸板密封的机理缺乏深入 的研究，在结构设计上也没有多大的发展，大多靠测绘模仿国外的产品， 没能采用国外的一些复杂的先进结构，如自动锁紧机构、快速装配结构 等，仍处于传统的结构设计。关键部件、材料、工艺技术的研究和改进 进展缓慢。对在高温( 1 2 1 ) 及低温( - 2 9 c 以下) 环境中工作的密封 件缺乏深入的研究，适用于海底用的防喷器开展的工作也很少。 ( 5 ) 产品质量不稳定 影响产品质量的主观因素多，国内制造过程缺乏科学的管理。样机 的质量好，而批量产品性能差。特别是关键密封件的性能，一直是困扰 防喷器质量的主要因素。 4 中国石油大学( 华东) i 程硕士学位论文第l 章前言 1 2 国内外防喷器壳体材料的研究状况 在防喷器壳体承压件的制造上，国内制造厂家大多采用2 5 c r n i m o 材料，使用较多的是铸件，使用锻件的较少，而a p i1 6 a 规范对防喷 器壳体承压件的材料要求较为广泛。美国较多采用的是a i s l 4 1 3 0 、 a i s l 4 3 4 0 和a i s t 9 6 3 0 钢等，大多数防喷器壳体的材料已经使用了锻件， 仅少部分使用铸件。 国产防喷器承压件材料在8 6 年前各厂家选用不一，在最初的设计中 选用的是z g l 8 c r i n s i m o v 和z g 2 0 c r m o v 合金钢，资料喇认为由于其断 裂韧性太差，而且设计主要强调了材料的强度指标，在进行壳体强度试 验时曾出现静水压强度试验多次发生“超前断裂”的爆裂情况。经断裂 力学分析研究后，改用性能符合美国a n s i 标准的2 5 c r n i m o 合金钢来 制造防喷器壳体等一些重要承压件，加上在锻、铸及热处理工艺上的合 理控制，使得材料在强度、韧性等指标上具有较好的综合性能，大大减 少了壳体断裂现象的发生。此外，为了降低生产成本，对于诸如f z l 8 3 5 之类的较低压力等级的壳体，还采用锻造3 5 c r m o 焊接法兰。1 的结构。 国产防喷器特别是大通径防喷器壳体承压件大多采用铸件，由于工艺技 术落后，因而铸造时微量有害元素不能有效控制，毛坯缺陷多，成品率 较低。 四川石油管理局钻采工艺技术研究院“1 对2 5 c r n i m o 材料的特性指 标经过反复探索试验，充分利用了材料的韧性，而不以强调提高材料的 强度为目的，最后将屈强比设计值控制在屈强比0 8 0 内。其断裂韧性 指标k l c 由上海材料研究所测试为： 在0 。c 以上时为2 8 0 3 0 0 k g f m m 3 彪 5 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 在2 0 。c 时为2 5 8 k g f m m 3 彪 在4 0 。c 时为1 9 7 k g f m m 3 尼 试验证明，该材料的试件在室温单向拉伸及循环加卸载时，在断裂 前先发生宏观塑性变形，最后以正断式韧性断裂告终。该材料有较好的 塑性，断裂前的塑性变形分为均匀塑性变形和非均匀塑性变形两个阶段， 在均匀塑性变形的终结，且承载水平达到极值以后出现颈缩，试件进入 非均匀的集中塑性变形阶段。利用这种特性，可以通过检测试验时壳体 承压件的变形量及变形速率来判别壳体承压件内部是否存在缺陷( 裂纹、 类裂纹) 的延伸或扩展失稳，在目前没有声发射仪先进测试仪器的条件 下，对新制造的防喷器和在役防喷器的壳体承压件都不失为一个简单而 有效的检测手段。 由于目前国内生产厂家大多仍采用铸钢件来制造壳体承压件，基于 现有的工艺手段，内部缺陷不可避免。所以在壳体承压件实际承载性能 检测中，判断壳体承压件在承载中的动态二次效应极为重要。出现裂纹 或裂纹扩展失稳正是二次效应的主要特征。四川石油管理局钻采工艺技 术研究院通过分别对六台防喷器的两次静水压强度试验检测，提出了在 额定工作压力下壳体承压件不会发生功能失效应满足如下条件： ( 1 ) 5 分钟稳压期内压降小于o 7 0 m p a ； ( 2 ) 两次试验中压力变形曲线重合性好，且每一次试验压力一变形 曲线呈较好的线性关系： ( 3 ) 5 分钟稳压期内变形量不增加； ( 4 ) 泄压后5 分钟内变形量完全恢复。 上述条件分别基于如下考虑：条件( 1 ) 是目前施行的防喷器试压合 6 中国石油大学( 华东) 工程硕七学位论文第1 章前言 格的唯一标准，着眼于整机密封性能。条件( 2 ) 主要是检验壳体承压件 结构的循环加载特性，避免后期加载( 压) 使壳体承压件结构内部产生 新的缺陷，并保证在单次加载中结构内部应力一应变呈弹性关系，防止 塑性变形产生。条件( 3 ) 主要是考虑壳体承压件结构的变形与加载是否 同步，避免应变落后于应力而出现与时间有关的正弹性后效现象，同时 防止稳压期间结构内部缺陷加剧，即防止内部裂纹或类似裂纹延伸扩展。 条件( 4 ) 是进一步强调和保障壳体承压件结构在受载时内部应力处于弹 性状态，卸载后变形完全恢复，从而说明承载时没有新的塑性变形产生， 壳体承压件结构处于安全状态。 国外先进防喷器壳体承压件现在以锻造结构为主，复杂的零件辅以 焊接。各公司选材的共同特点是嘲：材料都属于低碳合金钢：韧性、塑 性好：材料的屈服强度与抗拉强度之比较低，且该值严格控制，一般为 屈强比o 8 5 ，该比值是设计的主要依据之一；材料的硬度不高，提高 了构件的抗腐蚀能力。壳体的材料h y d r i l 采用a i s l 4 1 3 0 ( 屈强比o 8 4 ) ， c a m e r o n 采用a i s l 4 3 4 0 ( 屈强比o 8 3 ) ，s h a f f e r 采用a i s l 8 6 3 0 ( 屈强比 o 8 2 ) ；而国内无论是锻件壳体还是铸造壳体大多采用2 5 c r n i m o 和 z g 2 5 c r n i m o 材料，控制屈强比4 0 8 0 ，但一些厂家在实际生产中往往 突破这项指标。对于在实际生产中如何稳定控制屈强比o 8 0 ，本文没 有进行深入的研究，但这也是今后防喷器的研究者和各生产厂家不断研 究的课题。 由于石油开采中地下作业越来越恶劣，这样对在钻采和井控等装备 的作业环境要求也越来越高。在材料抗酸性介质应力开裂方面，美国国 家抗腐蚀工程师协会n a c em r 0 1 7 5 油田设备抗硫化物应力开裂金属 材料“1 标准中规定，要使碳钢和低合金钢不发生h 2 s 应力开裂( s s c ) ， 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 在制造中就必须控制材料的硬度小于等于2 2 h r c 。此外研究资料”1 表明： 影响s s c 敏感性的材料因素除了硬度因素外还有材料的显微组织和化学 成分。对碳钢和低合金钢而言，当其硬度相近时，各显微组织对s s c 敏 感性由小到大的排列顺序为：铁素体中均匀分布的球状碳化物、完全淬 火+ 回火组织、正火组织、贝氏体及马氏体组织。淬火后高温回火获得的 均匀分布的细小球状碳化物组织是抗s s c 最理想的组织，而贝氏体和马 氏体对s s c 最敏感。对于化学成分来说，其对抗s s c 的影响迄今尚无一 致的看法，但一般认为在碳钢各低合金钢中，镍、锰、硫、磷为有害元 素。在n a c em r 0 1 7 5 标准中规定抗s s c 的碳钢和低合金钢含镍量不能 大于1 。因此，对于2 5 c r n i m o 材料的防喷器壳体材料来说，在确定了 材料化学成分外，其热处理淬火中必须加强淬火质量来保证其内部组织 尽量获得分布均匀的球状珠光体组织而避免获得贝氏体和马氏体组织。 1 3 制造壳体承压材料性能的主要影响因素 壳体承压件的性能要求和使用温度在a p is p e c1 6 a 中都有明确规 定。 性能依据不同的压力级别分为4 5 k 、6 0 k 、7 5 k 等级别。 使用温度是指环境的最低温度和流经防喷器的流体的最高温度。按 规定要求分为三个等级：t o ( 一1 8 1 2 1 ) 、t 2 0 ( - 2 9 1 2 1 ) 、 3 7 5 ( 一5 9 1 2 1 ) 。承压壳体不发生低温脆裂的主要指标是金属件的 低温冲击韧性。 金属学明确指出，金属材料的性能决定于其化学成分和内部组织结 构，以下分别阐述： 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 1 3 1 化学成分、淬透性和冶炼技术 对于化学成分的控制是钢材冶炼技术中最重要也是最基本的内容。 它对材料的淬透性发生直接的影响，而材料的淬透性又直接影响材料热 处理后的性能指标。淬透性技术不但对控制和提高产品质量有重要作用， 而且还同提高生产效率和经济效益密切相关。 有关淬透性技术的研究。1 一直成为从业学者和工作者重要的研究 内容，通过钢材淬透性的评估、预测和控制在实际生产中已经得到广泛 的应用。 在铸造生产中，除了化学成分控制外，还要控制好钢中的各种夹杂 物。其中菲金属夹杂物”“1 的含量和形态、以及各种残留元素的含量对 材料的性能也有较大的影响。钢中非金属夹杂物通常被认为是有害的， 它破坏了基体的连续性，起着缺口及应力集中的作用，钢中夹杂可视为 裂纹，所以需要通过各种措施使其含量尽可能的降低。m n s 是钢中最常 见的非金属夹杂物之一，对于绝大多数钢来说，这种硫化物夹杂作为钢 的组成部分，它的尺寸、形态和分布严重地影响着钢的性能，为了保证 钢的质量，在冶炼时还要尽量降低钢中的硫、磷含量和控制硫化物的形 状“4 。资料“”针对精炼与非精炼船钢低温冲击值的差异，分析了两种不 同钢种的化学成分、夹杂物和显微组织等对冲击功的影响，表明精炼可 以增加钢的耐冲击能力，使钢的冲击韧性大大提高。 太重集团在铸造z g 2 5 c r n i m o 防喷器壳体“”过程中，在铸造工艺和 操作上采取措施，较好的保证了壳体的材料质量。他们为了满足铸件的 探伤耐压要求，增大了铸件的补缩斜度，由一般探伤耐压铸件的6 加 大到1 1 ，局部加大到1 5 ；内浇道设置四层，冒口上也增设有一层浇 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 道以加强铸件的顺序凝固，保证铸件组织的致密；钢水采用精炼真空脱 气钢水，以保证钢水内的气体含量较低。 化学成分、淬透性和冶炼技术是材料热处理调质的前提保障，是防 喷器壳体承压件的力学性能稳定的重要保障。 1 。3 。2 材辩的内部组织结构 材料的内部组织结构主要是晶粒尺寸和组织形态等。 ( 1 ) 晶粒尺寸 2 0 世纪5 0 年代，英国科学家h a l l 和p e t c h 提出了晶粒尺寸与屈服 强度之间关系的著名h a l l p e t c h 关系式”“，使人们步入定量研究组织 结构一力学性能关系的道路。在此基础上，根据材料的强韧化理论及试 验事实，针对低合金钢，人们提出了组织与性能之间的一般关系式彻： os = oo +oc + 0g + 0d + op0 4 ) 式中oo 一常数项，有些对性能影响比较恒定的困素常常并入该项； o c 一间隙原子和置换原子引起的固溶强化。表示为oc = k m ，【m 。】；【m d 为元素的含量，系数k m i 取决于基体和溶质元素i 的性质： 0 g 一晶粒细化引起的强化。 0d 一位错引起的强化。 a p 一为第二相强化，包括珠光体强化。溶质元素量很少时， 该溶质元素的第二相强化有时可与其固溶强化进行简单线性相加，并入 k m 。 m ，】。 其中，晶粒细化引起的强化即用细化晶粒来提高屈服强度的方法口q 细晶强化，它不仅可以提高强度，而且可以提高塑性和韧性。h a l l p e t c h 1 0 中国石油大学( 华东) 工拌硕士学位论文 第1 章前言 通过研究多晶体在塑性变形过程中的位错塞积理论，指出多晶体塑性变 形滑移时需要克服晶界的阻力，因而晶粒大小会影响屈服强度。同时， 给出了著名的h a l l - p e t c h 公式“蛔： os = o j + l q d 1 “0 - 2 ) 式中0 。一材料的屈服强度； 0 j 和l 【s 一与材料有关的常数； d 一晶粒尺寸。 该公式描述了金属屈服强度和晶粒尺寸的关系，由此可以看出，细 化晶粒是钢获得高屈服强度的重要措施之一。 另外，通常材料强度的提高都会以牺牲材料的塑性和韧性为代价， 细化晶粒则可以在提高强度的同时保持较高的韧性。材料的韧性通常是 由裂纹形成与扩展功的大小来表征的，如断裂韧性和冲击韧性。冲击韧 性的脆化转变温度也可以反映材料韧性的优劣。脆化转变温度越低，材 料的韧性就越好。研究表明“”：材料的晶粒直径d 与脆性转变温度存在一 定的线性关系( 见图1 3 ) ，晶粒越细，脆性转变温度越低。 式( 1 - 3 ) 表述了材料的脆性转变温度和晶粒尺寸之间的密切关系， 即材料塑性和韧性与晶粒尺寸之间的密切关系。 t e = a b d 1 垃 ( 1 3 ) 式中a 和b 一常数，b o ； t c 一脆性转变温度； d 一晶粒尺寸。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 盟 掣 口甚 尝 尝i 拦 图1 - 3 晶粒尺寸与脆性转变温度的关系 根据裂纹形成的断裂理论，式( 1 - 4 ) 表明了晶粒尺寸d 与裂纹扩展 临界应力o f 的关系。当v p 一定时，d 越小，o f 越高。凡提高o f 值的因 素都能改善材料的塑性。 of ( 2 g v p i y ) d 1 庀( 1 - 4 ) 式中v p 一比表面能，即裂纹扩展对每增加单位面积所消耗的功， 岛一p e t c h 斜率。 ( 2 ) 组织形态 在钢的强韧化方面，珠光体组织的形态对材料力学性能有着很重要 的作用。文献“”介绍了亥查克( j m h y z a k ) 和伯恩斯坦( i m b e r n s t e i n ) 阐述的珠光体强度和组织形态之问的关系和珠光体塑性与组织形态之间 的关系，即 o0 2 = ( 3 1 6 1 1 0 1 ( s ”) 5 7 9 1 0 2 晦”) - 4 1 7 i x 0 1 ( “1 ”m 5 8 1 6 8 6 ( 1 - 5 ) v = 1 2 4 x1 0 1 ( s 1 。) + 2 6 6 1 0 。1 ( 1 胆) + 1 8 5 ( d t a ) - 4 7 1 1 0 0 - 6 ) 式中s 一珠光体片层间距； d d 一珠光体领域尺寸； “一奥氏体晶粒大小。 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 钢调质后的组织一般为回火索氏体和其它混合组织。回火索氏体具 有良好的综合力学性能，而其他混合组织如少量铁素体组织、残余奥氏 体、下贝氏体、少量的粒状贝氏体对材料的塑韧性会有一定的好处，但 出现较多的铁素体、较多的残余奥氏体和上贝氏体则对材料的塑韧性就 没有好处。因此，在冶炼能够提供较好材质的前提下，在调质过程中， 淬火质量将严重地影响材料的组织结构和形态，这是我们在材料热处理 和防喷器壳体调质生产中必须重视的部分。 1 4 壳体材料热处理设备的使用状况 提高热处理设备的技术水平，满足工艺要求是产品热处理质量不断 提高的迫切要求。在衡量热处理设备水平的诸多指标中，有效区工艺要 素的温度均匀性和可控性是影响产品质量的主要因素。 目前国内使用的热处理加热设备主要有电阻加热炉和煤气或天然气 加热炉，从有效区温度的均匀性来说，多数使用的电阻加热炉能够达到 a p is p e c1 6 a 规范1 2 i 附录a 中规定的要求，有些老的大型企业还在使用 的煤气或天然气加热炉，其炉内有效加热区的温度均匀性就较差，尤其 在回火加热中，这对壳体调质最终的性能均匀性有一定的影响。 相对加热设备来说，对冷却设备的重视、研究和使用程度相对不足。 淬火槽是为工件淬火提供足够冷却能力的设备，是热处理设备中极其重 要的设备之一。国内大多生产企业目前正在使用的淬火槽比较落后，还 是在静态介质下的淬火方式，多数搅拌是用泵或用气或没有搅拌，淬火 液不能充分参与淬火，介质温度不均匀，淬火过程难以控制，影响质量 的人为可变因素较多。淬火冷却过程几乎都不能够实现自动记录。 随着人们对热处理生产质量的可靠性的要求越来越高，热处理冷却 1 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 技术日益受到重视。可控淬火冷却是影响热处理调质的重要因素之一， 在可控淬火冷却中，搅拌是浸入淬火的唯一调节冷速的可变因素，包括 搅拌器的数量和分布，搅拌速度和导向。韩国s a mw o n 工业公司开发的 一种能连续调节搅拌能力的淬火装置。该系统使用连续可调的螺旋浆 搅拌器，淬火区的介质流动线速度是通过改变电机频率来调节。需要精 确计算通过c 曲线鼻部的时间，以便分别控制淬火过程不同阶段的冷速。 有人在淬火冷却设备对淬火冷却的影响方面进行了研究”，认为淬 火槽搅拌功能的主要作用包括： ( 1 ) 改变淬火介质的淬火烈度 通过搅拌在一定程度上提高淬火介质的冷却烈度( h ) ，如表1 1 所 示。因此，在使用搅拌功能时，首先要判断淬火介质的淬火烈度是不足、 合适还是过剩。 ( 2 ) 提高淬火工件的有效硬化层深度 由于搅拌提高了介质的淬火烈度，因而使工件冷却速度加快，使表 面层在更深区域内获得马氏体组织。 ( 3 ) 提高淬火介质的利用率 搅拌使淬火介质全部参与淬火冷却的热交换过程，工件附近的热介 质不断的快速更新，可在一定程度上缓解介质老化。 此外还有降低介质表面温度和较少工件淬火变形的作用。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 表1 1各种介质淬火烈度h 流动速度的关系 流动状态油水 不搅动 o 2 5 - 0 3 00 9 1 o 轻微搅动 o 3 0 o 3 51 o 1 1 中等速度搅动 0 1 3 5 0 4 01 2 1 3 良好搅动 0 4 0 0 5 01 4 1 5 强烈搅动 o 5 0 o 8 01 6 2 o 在淬火过程中，冷却强度( h 值) 对钢的淬火结果的影响很大。淬 火强度一方面取决于淬火介质的冷却能力，另一方面取决于淬火槽的冷 却能力。对于生产和科研的实际淬火操作来说，冷却能力不仅仅是淬火 介质的冷却能力，更重要的是淬火槽整个系统的冷却能力。 k h a v s k i i 等啪1 认为除了材料因素外，淬火件产生开裂和变形的主要 原因是淬火冷却的均匀性，而不是淬火介质本身。影响淬火冷却均匀性 的主要原因之一是淬火槽的设计，恰当的淬火介质搅拌不但明显提高淬 火冷却的均匀性，同时，提高介质的冷却强度咖。 在热处理生产各控制环节中，冷却过程的控制水平目前是最低的， 它已成为了制约热处理控制过程水平的瓶颈问题嘲。因此。为了使防喷 器壳体承压件获得稳定的内在质量，必须加强壳体热处理设备尤其是冷 却设备的研究。 1 5 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 1 5 研究目的及主要内容 针对目前国内防喷器的发展状况，本文根据华北石油荣盛机械制造 有限公司企业发展的需要，主要在调研国内外闸板防喷器的设计要求和 原z g 2 5 c r n i m o 和2 5 c r n i m o 选材应用的基础上，合理优化调整 z g 2 5 c r n i m o 和2 5 c r n i m o 材料的化学成分，改善冶炼质量，增加材料 淬透性，测定c c t 和n t 曲线，为热处理调质淬火冷却工艺的制定提 供理论参考。同时，考虑以装备保障热处理调质质量，加强对热处理设 备尤其是热处理调质生产中淬火冷却设备的研究，注重提高调质淬火的 质量和效果，以获得更多马氏体组织来保障壳体力学性能而又不出现淬 火开裂现象为目标，使热处理调质淬火由原来以操作者经验为主即人为 因素占主导的传统热处理调质淬火操作方式，转变为以装备保障占主导 即较少或不参入操作者人为因素的可控淬火方式，来提高国产闸板防喷 器壳体内在质量的稳定性和可靠性。 开展的研究工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 对闸板防喷器壳体z g 2 5 c r n i m o 不同冶炼炉的化学成分、力学 性能以及淬透性情况进行试验和分析。通过优化调整壳体材料的化学成 分，改进和提高冶炼技术水平、增强材料的淬透性等手段来提高壳体制 造质量，为后期的热处理调质创造良好的材料条件。 ( 2 ) 在热模拟试验机上测定z g 2 5 c r n i m o 材料的c c t 和t r r 曲线， 为壳体热处理淬火冷却工艺的制定提供参考；并对等速和等温冷却后的 金相组织进行观察。 ( 3 ) 通过解剖调质后的试样如等效圆试样等，研究它们调质后截面的 硬度分布、不同位置的组织变化以及系列试验温度下的韧性性能，并观 1 6 中国石油大学( 华东) 工稃硕士学位论文第1 章前言 察其组织变化情况。 ( 4 ) 研究壳体材料抗h 2 s 应力开裂的性能。 ( 5 ) 通过对热处理生产现场淬火槽结构的改造和淬火介质的合理选 用，改进壳体淬火质量，确保调质后壳体力学性能指标的稳定和提高。 通过本文的研究工作，壳体在批量生产中能达到热处理过程可控的目的。 同时，减少操作人员人为对调质热处理的影响因素，实现工艺确定后， 淬火过程可控并自动记录完整的目标。 1 7 中国石油大学( 华东) 工稃硕士学位论文第2 章试验原理及方法 第2 章试验原理及方法 2 1 材料制备方法 2 1 1 试块制各 ( 1 ) 冶炼方法 z g 2 5 c r n i m o 钢的名义化学成分见表2 1 。 表2 1z g 2 5 c r n i m o 钢的名义化学成分( 、艟) 序 号 csps i c rm nm on i lo 2 7o 2 70 6 0o 6 5o 2 2o 6 0 0 0 3 50 0 3 5 该材料是在3 吨非标准的碱性电弧炉中冶炼的，这种冶炼方式是在 常规冶炼方法的基础上再加上炉底部吹氩进行精炼的；化学成分优化调 整研究用材料在2 0 吨真空冶炼炉中精炼的。 用于化学成分优化调整研究的梅花形试块见图2 - 1 ，其规格是常用的 铸钢试块。 等效圆试块见图2 - 2 ，其规格符合g b 厂r 2 0 1 7 4 2 0 0 6 石油天然气工 业钻井和采油设备钻通设备标准的规定。 等效圆试块分别有3 ”、4 ”和5 ”的尺寸规格。 1 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章试验原理及方法 图2 1梅花试块的尺寸规格 l 淤a h 西 brc l 37 91168 35 8 3 37 0 | 4 111 15 51 17 74 49 6 5 13 819 31 49 7 5 5i2 g 汪：截取试样的中心线应在曲圆内 图2 - 23 ”、4 ”和5 ”等效圆试块的尺寸规格 ( 2 ) 试块的热处理： 梅花试块随壳体进行热处理，工序包括冶炼后的高温正火、细化晶 粒正火和调质的热处理过程。 各种规格的等效圆试块的高温正火和细化晶粒的正火是与壳体一起 进行的，而调质过程是单独进行的。 2 1 2 试块调质后截面硬度分布的试样 ( 1 ) 等效圆试块调质后硬度分布的试样是在等效圆试样试样截取区 1 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学付论文第2 章试验原理及方法 即由= 0 2 5 r ( 见图2 2 ) 处横截一个2 0 m m 厚的薄片，并在磨床上将其 上下两个面均磨光，然后在其上表面上进行硬度分布测试。3 ”、4 ”和 5 ”等效圆试块截取硬度分布试样的宽度分别为7 0 r a m 、9 6 r a m 和1 2 0 m m ， 它们的长度均为3 4 0 m m 。 ( 2 ) 从锻件防喷器壳体调质后的本体截取的截面硬度分布试样，该试 样是从厚度为2 0 5 m m 法兰的螺栓孔处套取的，该该位置距法兰外璧约 7 0 m m 。套取的试样为巾2 0 m m 的圆棒，将其沿轴向铣出两个平行的平面， 然后磨光，再在其一个面上测试布氏硬度。套取的试棒两端为法兰的外 表面，试棒中问部分为法兰的心部，也就是说，该试棒沿长度方向就是 法兰的厚度方向，试棒长度方向的硬度分布即为法兰厚度方向的硬度分 布。 2 1 3 力学性能试样 在整个热处理过程结束后，梅花试块从中心将试块切成四个小试棒 制作成拉伸和冲击试样做力学性能试验，而等效圆做力学性能的试棒则 在等效圆试块截取区截取的，即做力学性能试验的试样中心线在等效圆 试块试样截取区内。 拉伸试样的标距直径为巾1 2 5 m m ，标距长度为5 0 m m 即4 倍的标距 直径。 冲击试样采用1 0 m i n x1 0 m i n x 5 5 m m 的v 形缺口冲击试样，其开槽 设备使用的是v & u b 冲击试样缺口拉床。 2 1 4 金相试样 金相试样在砂轮上磨平后，分别用1 8 、3 2 0 # 、4 0 0 。、6 0 扩和8 0 0 # 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章试验原理及方法 水砂纸上磨光，用o 5um 的a j 2 0 3 细粉配制抛光液并在细呢布上进行抛 光，用4 硝酸腐蚀剂进行金相腐蚀。金相试样的取样分别为： ( 1 ) 测c c t 和m 曲线的金相试样 利用不同冷却速度和不同等温温度冷却后的试样分别进行金相组织 的观察。 ( 2 ) 正火后的金相试样 在化学成分优化调整前后的梅花试样上截取的。 ( 3 ) 调质后的组织试样 在锻件防喷器2 0 5 m m 法兰厚度方向上截取试样的端部截取的。 2 1 5 抗h 2 s 应力开裂( s s c ) 试样 1 号样取自化学成分优化调整前的梅花试样，2 号样是从化学成分优 化调整后的锻造防喷器壳体法兰螺栓孔处套取的，3 1 和3 - 2 号样是从锻 件l o o m m x l o o m m x 2 0 0 m m 上截取的。 抗h 2 s 应力开裂试验的试样标距直径为由6 4 m m ，标距长度为 2 5 4 m m 的拉伸试样。 2 2 试验分析方法 2 2 1 化学成分 使用希尔格2 0 0 0 ( h i l g e r a u a l t i c a lp o l y v a c2 0 0 0 ) 直读光谱 分析仪对试样进行化学成分分析。 2 l 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章试验原理及方法 2 2 2 力学性能 本文中壳体的力学性能指标按a p is p e e1 6 a 规范要求中7 5 k 的性 能要求进行测试，具体确定为： 2 5 1 7 m p ar m 6 5 5 m p aa 45 2 1 8 z 3 5 a k v f - 2 9 铆一 2 1 j ( 铸造壳体和锻造壳体的横向取样) a k v r 2 9 。、， 2 7 j( 锻造壳体的纵向取样) 硬度为1 9 7 2 3 5 h b w 拉伸性能试验使用的是w e 一3 0 液压式万能试验机，冲击试验使用的 是j b 3 0 0 b 冲击试验机。冲击试验是在不同要求的低温条件下进行的， 为了保持试样的试验温度，试样使用了c d w - 6 0 冲击试验低温仪保温。 试样的硬度测试使用了h b 3 0 0 0 布式硬度试验机。 所有力学性能测试结果都是取3 5 个实验数据的平均值。 2 2 3 金相组织观察 金相组织是在j s m 6 4 0 0 电镜扫描仪上进行观察的。 2 2 4 淬透性 ( 1 ) 钢的淬透性评估 通过格罗斯曼理想临界直径相乘系数计算法评估钢的淬透性。 人们很早就已确认了钢的淬透性主要取决于奥氏体的化学成分和晶 粒度，1 9 4 2 年格罗斯曼提出了计算钢的理想临界直径d i 的相乘系数法， 其计算公式为嗍： d i = d i b f 岛f m 。 ( 2 - 1 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章试验原理及方法 式中d r a - - 基本淬透性，这里处理成碳和晶粒度的淬透性系数； 6 血一m n 元素对淬透性影响的淬透性倍乘系数； 龟，- - c r 元素对淬透性影响的淬透性倍乘系数，等等； 在该公式长期的实际运用和研究发展中，通常认为其原则是完全正 确的，但计算值与实测值之间的误差往往达到2 0 2 5 ，甚至更大，从 而很难达到格罗斯曼提出的1 5 2 0 的水平，其原因主要有： 实验钢的杂质含量不同或不明； 钢件的热加工过程不同或不明； 各元素的淬透性系数同其含量并不总是保持线性关系，甚至也不 保持连续函数关系； 多数合金元素同时存在时，往往发生交互作用，此时它们的淬透 性系数显然不同于单独加入某一合金元素的实验而获得的淬透性系数。 本文采用该评估方法，通过化学成分的平均值计算钢淬透性的方法 来对化学成分优化调整前和优化调整后淬透性的变化进行对比。优化调 整前的化学成分选自1 0 个冶炼炉生产的z g 2 5 c r n i m o 材料，这些材料 的冶炼方式是在常规冶炼方法的基础上再加上炉底部吹氢进行精炼的： 优化调整后的化学成分选自l o 个冶炼炉生产的2 5 c r n i m o 材料，这些材 料的冶炼方式是在2 0 吨真空冶炼炉中精炼的。所有化学成分值均为炉前 熔炼分析结果。 ( 2 ) c c t 、1 广r 曲线的测定 本文测定z g 2 5 c r n i m o 试验材料c c t 曲线和r r r 曲线的所有实验 均