非开挖地质钻杆的淬火方式对其性能的影响.doc

非开挖地质钻杆的淬火方式对其性能的影响张双关摘要：本文通过对钻杆的两种不同的淬火方式和这两种不同淬火方式下经高温回火调质后，对钻杆两端部位的硬度检测及金相组织的比较，研究提出了淬火方式的选择对力学性能的影响，采用了横式淬火的淬火方法，解决了钻杆因竖式淬火而造成的钻杆两端硬度不均匀的问题，满足了客户的要求和钻杆在使用过程中所需的力学性能要求。关键词：钻杆；淬火方式；硬度；力学性能。一、钻杆的工作环境与失效分析1、钻杆的工作环境分析钻杆是连接钻机与钻头的重要构件，在地质钻探或其它非地质钻探过程中，钻头若想在地层中顺利地进行钻探，包括深度的加深、改变钻探的方向等，都必须依靠钻杆将钻机施予的力传递给钻头；对于钻机来说，它也要通过钻杆的旋转和拉动将转矩和轴向压力传递给钻头，从而才能带动钻头，达到对地层进行钻探的目的。因此，在整个钻探过程中，钻杆要承受巨大的弯曲、扭转及冲击力的作用。2、钻杆的失效分析由钻杆的工作环境及受力情况分析，钻杆的主要失效形式有断裂、塑性变形（如弯曲）、丝扣严重磨损等。其中以断裂这种失效形式最为严重。这种失效形式表现为当钻杆头部的轴肩处承受较大的扭转作用及冲击力作用时，钻杆便会在此处发生断裂。断裂发生后，三牙钻头由于和外界失去了连接，只能留在地层而无法取出，而三牙钻头的造价又相当昂贵，这样就会给客户带来相当大的损失。 出现断裂的原因往往是由于钻杆头部轴肩处与管体相连接的地方硬度较高，塑性和韧性较差。通过金相组织的分析，这一部分的回火索氏体组织（淬火+高温回火得到的组织）的晶粒度等级通常不在要求的等级范围之间，这种情况的产生与淬火过程有着极大的联系。除断裂外，还有就是弯曲。即钻杆的杆体部分发生塑性变形。当管体弯曲的弧度较大，超过管体的弹性极限时，管体则发生塑性变形。钻杆发生塑性变形对客户的影响较小，没有断裂产生的影响严重，只需要经过校直，即可以使钻杆恢复，然后再次重新投入使用，之所以会发生塑性变形，这也跟钻杆的淬火调质处理有着密切的关系。若调质的钻杆硬度较低，组织中回火索氏体组织较少或索氏体晶粒较为粗大，层片间距较大，则钻杆的塑性，韧性就差，那么出现弯曲也就在所难免了。钻杆丝扣的磨损现象是与丝扣的表面硬度有关，这与产品在镀铬处理过程中的质量有关，与调质处理无关，在此不再作进一步分析。二、钻杆的性能要求非开挖地质钻杆在工作过程中主要受到钻机方向传来的扭转作用和冲击作用，在钻头改变钻探方向时，钻杆的管体要受到弯曲的作用。所以，这时我们就要要求钻杆既要有足够高的强度用来抵抗扭转和冲击作用，而不使钻杆发生断裂；又要有足够高的塑性和韧性用来满足在钻头变向时而不使管体发生弯曲变形。所以，钻杆的热处理方式要采用调质热处理。目前，对钻杆的性能要求主要是对硬度方面的要求，因为在通常情况下，钻杆硬度在3035HRC之间时的力学性能即可满足钻杆在使用时的性能要求。但是也有公司提出了具体的力学性能要求。如提出API钻杆管体钢级为S135的：931Mpas1138Mpab1000MpaAKv54%钻杆接头：s827 Mpab965MpaAKv54%但是总的来说，调质后的钻杆，从理论上讲已经完全可以达到上面所要求的力学性能，至于实践中的具体结果是否和理论上的一致，要取决于生产过程中的控制了。三、钻杆常用材料及其性能分析我们企业钻杆常加工的材料主要有两种：42CrMo和30CrMnSi材料42CrMo和30CrMnSi的化学成分分析1、42CrMo的化学成分分析材料42CrMo的含碳量为0.380.45%,属于亚共析钢，同时0.25%c0.60%,是典型的中碳钢。0.90%Cr1.20%,铬元素的加入可以提高钢的淬透性，但同时却增加了钢回火脆性的敏感性。0.15%Mo0.25%,属于微量元素，钼元素的加入也可以提高钢的淬透性，但它的加入则可以明显的降低钢的回火脆性的敏感性。2、30CrMnSi的化学成分分析材料30CrMnSi的含碳量为0.270.34%,同样是在亚共析钢范围内的低中碳钢，其合金元素的含量3%，属于低中碳低合金结构钢。其中0.80%Cr1.10%，铬元素的加入是为了提高钢的淬透性，淬火后可获得更多的马氏体组织，和铬元素的作用一样，锰元素和硅元素的加入也是为了提高钢的淬透性的能力。其中0.80%Mn1.10%，0.90%Si1.20%，但是CrMnSi三个元素复合加入时，则明显提高钢的回火脆性。由此可知，材料30CrMnSi是有回火脆性的低中碳低合金钢，且淬透性较好。材料42CrMo和30CrMnSi的在淬火后不同温度下回火的力学性能曲线如图1-1和1-2所示，淬透性曲线如图1-3和1-4所示。图1-1 42CrMo钢在淬火后不同温度下回火的力学性能曲线图1-2 30CrMnSi钢在淬火后不同温度下回火的力学性能曲线图1-3 42CrMo淬透性曲线图1-4 30CrMnSi淬透性曲线四、钻杆的加工工艺流程本文所论述的钻杆是用于非地质开挖场合，所以，其加工工艺会有所区别。如下图为非地质开挖钻杆的加工工艺流程：下料镦头机加工1调质检测校直机加工2镀铬涂漆包装1、下料从无缝钢管上截取等长的单个管体。这里的无缝钢管是由圆柱形钢材通过热挤压之后形成的。2、镦头由于钻杆两头在工作过程中是接触部分，所以，要对钻杆两头进行镦头加厚处理。即采用中频炉将管子头部加热，然后采用热挤压的方法，将一些钢材加到管子上去。即称为镦头3、机加工一紧随镦头之后的一道工序，是指将管体两头进行粗加工，如下图所示为粗加工完成后的钻杆。4、调质热处理工序，用于改善钻杆整体力学性能，使其具有较强的硬度和良好的塑性、韧性。5、检测即对调质处理后的钻杆进行力学性能检测，主要为硬度检测。检测设备为洛氏硬度计。6、校直由于钻杆在淬火过程中的组织应力和热应力的作用，调质处理后的钻杆会产生变形，通过校直使其恢复。7、机加工二即在钻杆两头分别车出外螺纹和内螺纹，用于连接。8、镀铬为了增加螺纹表面的耐磨性，即在内外螺纹处电镀铬元素，以增加螺纹表面的硬度。9、涂漆机加工完成后的钻杆，要进行涂漆处理，目的是为了防止钻杆管体生锈，另外也为了产品的美观。10、包装上述9道工序即完成了钻杆加工，剩下的就是包装了，将钻杆包装成捆，交给客户，完成交易。五、钻杆加热设备及冷却剂概述1、钻杆加热设备概述无锡长江热处理厂所采用的加热设备为普通的台车式电阻炉。优点是价格低廉，生产成本低，生产量大等；缺点是容易使工件氧化脱碳，炉温不均匀，密封性也差等。台车式电阻炉的电热丝主要分布在炉子的两个侧墙上的搁砖上和台车炉板的下面。为了使炉温尽量均匀，故在炉子的上方安装了风机；为了减小由于炉子密封性不好造成的氧化脱碳现象，在炉门口的两侧和台车的两侧添封耐热石棉。2、冷却剂概述无锡长江热处理厂所采用的淬火介质为32号机械油，闪点为180200，燃点为220。其性能是流动性较差，冷却能力低，但是却降低了工件在淬火过程中开裂的倾向，而且因为其闪点比其他的淬火油高，所以在淬火过程中不易产生起火的危险，同时，它又具有价格便宜的优点。六、钻杆调质工艺的选择及优化1、钻杆调质工艺的选择由本文中钻杆的常用材料及其性能分析可知，用于制造钻杆的材料为中碳低合金钢，所以在淬火时，一般都为高温油淬。在此理论基础上，我进行了以下实验：实验材料：42CrMo和30CrMnSi的环形试样各一只，直径为73mm,壁厚为8mm。实验记录如下：淬火温度为860加热设备为100%NaCl盐浴炉,最高使用温度950保温时间5min淬火介质为32#机械油硬度检测范围为:45HRC46.5HRC检测设备为洛氏硬度机回火温度为550加热设备为台车式电阻炉(放在别的工件上带回火)保温时间为5h硬度检测范围为30.5HRC33HRC检测设备为洛氏硬度机2、钻杆调质工艺的优化由上述实验可知,材料42CrMo和30CrMnSi都可用同一种工艺达到客户所要求的硬度范围之内(3035HRC)。所以，在此基础上，结合企业的实际生产情况便可对工艺进行优化。由于钻杆要进行批量生产，而且每批钻杆淬火的相隔时间较短，每炉的装炉量又较大，所以容易出现油温过高的问题，这样就不仅会造成钻杆淬火后的硬度没有理论结果的好，而且油温过高更容易使淬火油发生起火的危险；再考虑到无锡长江热处理厂的加热设备较落后，易使工件发生氧化脱碳现象，加热效果较差，淬火油的流动性较差等现有的生产状况，实验中的淬火温度已不能达到预想的结果。据此制定如下工艺以待检验：1.5h880h油冷空冷5h550经实践反复证明，经上述工艺加工完成后的钻杆，通过硬度检测，验证此工艺完全满足实际生产的需要。检测结果记录：炉号淬火后硬度回火后硬度CJ/T1001H42.845.6HRC30.134.2HRCCJ/T1002H42.546.5HRC30.334.8HRCCJ/T1003H43.145.9HRC30.633.9HRCCJ/T1004H42.746.3HRC30.035.0HRCCJ/T1005H42.445.3HRC30.234.0HRC检测位置如下图所示这样确定钻杆的调质工艺为：1.5h880h油冷空冷5h550钻杆调质工艺卡片：某钻探工具厂热处理工艺卡标记工件名称钻杆工件编号000481产品型号（工件草图）材料及牌号30CrMnSi化学成分（质量分数）%处理要求处理前之要求外形尺寸738309030-35HRC工件重量46kg每车件数24件工件送来部门工件送往部门处理前状态正火工序号工序设备型号名称加热冷却同时装炉数量工序之要求工人等级工时定额温度/加热时间/h保温时间/h冷却剂温度时间方式基本工时/min辅助工时/min每件工时/min001淬火RT2-240-98800.51.532#机油5010min24中级002回火RT2-65-95500.56空冷80中级003校直YW41-63高级编制001校对001审核000七、钻杆采用竖式淬火时的工装夹具1、钻杆淬火时的工装夹具钻杆属于长轴类管体工件，所以在竖式淬火时，若钻杆的两头不进行密封处理，则会出现喷火现象，即沸腾的淬火油从上端的管孔冒出，并且会燃烧，冲出很高。有时会发生引燃厂房顶部的危险；不仅如此，若钻杆两头都不密封，行车也无法进行起吊工件。所以至少要对钻杆的一头密封。这里我们采用的是钩挂件（如下图所示）。既能完成密封，钻杆在淬火时不会发生危险，又能为行车起吊工件提供便利。2、钻杆进炉时的工装夹具解决好钻杆淬火时的工装夹具，那么怎样才能完成装炉工作呢？待加工的钻杆，当一头焊接好钩挂件后，另一头也需要一个类似钩挂件的工具，以方便行车吊装时链条钩挂。为此，我们采用下图所示的钩挂工具 这样，在进炉时，我们只需要将放在最下面一层的钻杆摆放好，插入钩挂件，然后叠加放置钻杆，行车就可以吊装进炉，整齐的摆放在台车板上，便完成装炉的工作了。八、钻杆采用横式淬火时的工装夹具1、钻杆采用横式淬火时的吊具要使钻杆在淬火时横着放置进入冷却介质，必须有一个支架能够用来支撑钻杆。仔细研究工件的特点，不难发现钻杆若横着放在支架上，行车在起吊时，有可能会从支架上滑落下来。所以，我们要求支架在起吊后支架上的铲脚能够向上倾斜一定的角度，由此，我设计制作出了下图所示的吊具： （1）吊环：用于钩挂行车和起吊，且吊环的位置应当比整个支架的重心线往前偏出80mm（如上图），这样才能保证行车起吊后支架上的铲脚能够往上倾斜一定的角度，钻杆才能平稳的起吊而不至于滑落下来。（2）加强臂：增加吊架的强度，保证吊架可长期、连续使用。（3）铲脚：用于支承钻杆。另外，还要有吊架的辅助工具。因为在实际的操作过程中，当行车起吊时，吊架会随行车的走动而发生摆动，这时，铲脚便不能保持平稳。所以，要有一个辅助工具来对吊架的平稳性进行协调。下图即为吊架的辅助工具2、钻杆在横式淬火时进炉的工装夹具由于要采用横淬，而且吊架带有铲脚。那么，每层钻杆之间要留有间隙，以方便铲脚的插入。在这里我们采用每层钻杆下方垫方管的方法，将钻杆进行隔离。方管示意图如下：钻杆虽然以分层的方式摆放好，但还是不能进炉，因为行车无法对钻杆钩挂。只有将分层摆放好的钻杆放在一个可以用行车起吊的吊架上即可进行装炉。吊架如下图所示： 有了上述的工装夹具，钻杆才能进炉、淬火，顺利地完成操作。九、两种不同淬火方式下的钻杆质量对比1、两种不同淬火方式下的钻杆金相组织的比较在竖式淬火过程操作中，钻杆进入冷却介质时是由行车吊着一头先进入，另一头后进入油槽，两头进入介质时存在时间差，这样两头进入冷却介质时的温度是完全不一样的。根据红外线测温仪的数据显示，先进的一头在进入介质之前的温度表明其并没有发生珠光体型转变，所以，在淬火后经高温回火调质后的钻杆组织为回火索氏体+残留奥氏体+合金碳化物，且回火索氏体的晶粒度6级，所占的比例较多；而后进的一头在进入介质之前的温度表明其已经开始发生珠光体转变，这样再通过调质后的钻杆组织为回火索氏体+珠光体+残留奥氏体+合金碳化物，其中回火索氏体的晶粒度6级，但是所占的比例较少。但客户要求得到的组织中不允许有珠光体存在，那么竖式淬火已经不能满足客户的要求了。如果采用横式淬火方法，则不会出现上述问题。原因是，钻杆淬火时是横着进入淬火介质的，即钻杆的两头进入冷却介质时不存在时间上的差别，那么进入介质时的温度也基本上是一致的。所以钻杆的两头都没有发生珠光体转变，调质出来的钻杆组织均为回火索氏体+残留奥氏体+合金碳化物，且回火索氏体的晶粒度6级，所占的比例较多。上述组织完全满足了客户的要求。2、两种不同淬火方式下的钻杆硬度方面的比较竖式淬火过程中，钻杆的淬火要用行车吊着进入冷却剂，钻杆两头的淬火存在时间的差别，很明显先进入的一头由于温度较高，在临界温度线以上，淬火后得到的组织基本上是马氏体组织+合金碳化物；而后进入的一头在进入淬火介质时已经有珠光体转变，所以淬火得到的组织除了马氏体组织+合金碳化物以外，还有少量的珠光体组织。不仅如此，钻杆在装炉时是采用了一头焊接钩挂件，而且，要放在靠近炉门口的炉底板上，以便淬火时的出炉。这样一来，焊有钩挂件的一头是最先出炉，但进入冷却介质时却是最后才进入的，所以等到它进入冷却剂时，它的温度已经在临界转变温度线以下了，也就是说已经发生了珠光体转变，淬火得到的组织中有珠光体，马氏体组织也就相对少了许多。也就是这些原因造成了钻杆先进入冷却剂的一头的硬度比后进入的一头的硬度高。那么再经高温回火调质出的钻杆的两头的硬度也就出现了一头硬一头软的现象，通常情况下，软的一头的硬度也没有在所要求的硬度范围之内（HRC3035）。但是，如果采用横式淬火的方法，上面所出现的问题便可迎刃而解。在横式淬火过程中，由于钻杆是通过吊架的铲脚水平放置进入冷却介质的，那么钻杆的两头应是同时进入冷却介质中的。当然也就不会存在时间差和温度差，所以，最后钻杆两头所得到的组织应基本上保持一样的，那么硬度也就一样了。这样再经高温回火调质出的钻杆两头的硬度值也就非常均匀了。3、两种不同淬火方式下的钻杆的力学性能的比较（1）竖式淬火过程中的各种不利因素造成了钻杆两头组织不一样，硬度不一样，所以力学性能也就不一样了。如下表所示，先进入冷却介质的一头的力学性能明显优于后进入冷却介质的一头：钻杆位置抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）攻口（后进）954b987876s972母口（先进）1020b1245945s1148（2）横式淬火过程避免了竖式淬火过程中的各种不利因素，基本上保证了钻杆两头的组织一致性，硬度一致性，所以，在力学性能方面也就能保证一致了。如下表所示：钻杆位置抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）攻口b1050950s1139母口b1080964s11584、两种不同淬火方式下的钻杆变形方面的比较在淬火过程中，油槽中的冷却液要不停的翻动，以保证工件带来的热量尽快的散发出去，而不致使油温过高产生危险。但是冷却介质的流动也往往会给淬火工件带来严重的变形。在钻杆的竖式淬火过程中，油槽中的介质是左右方向流动的，而工件的入油方向则是上下方向移动的。而淬火本身就因热应力和组织应力的作用会使工件发生变形，再加上淬火介质的流动方向互相垂直，油的左右方向的流动力会增加钻杆的变形，所以，在竖式淬火过程中的钻杆的变形量是相当大的。变形量过大所带来的后果就是，在校直时会给工人师傅带来一定的难度和巨大的工作量，这样不仅需要消耗掉许多工时，而且还增加了由校直带来的新的内应力。但是，如果是横式淬火，钻杆水平放置在油槽中，油在钻杆里的油可以自由地流通，钻杆除了自身的热应力和组织应力外，油槽里的油的流动不会再给钻杆带来新的外力，所以产生的变形量较小，那么在校直时就方便了许多。综上所述，钻杆的淬火方式对钻杆的调质后的质量有着巨大的影响，在不能改变企业现有生产条件的情况下，选择优良的淬火方式对企业的生存和发展是至关重要的。十、两种不同淬火方式的生产效率的对比采用竖式淬火的方法，钻杆不能马上进炉，首先要进行的是封头处理，焊接钩挂件。然后才能用行车吊装进炉。在淬火时，必须要有五个人才能完成淬火工作。一个人负责开行车，一个人负责钓钩钻杆，一个人负责开炉门和抬钻杆，一个人负责将钻杆从炉中拉出来，最后一个人负责抬钻杆。而且，只能一根一根地淬火，每次淬火时，还要不停的开炉门和关炉门。每炉淬火所需要的时间为三十分钟。所以，每个生产班组在八个小时的工作时间里最多只能完成两炉钻杆的淬火。每炉27根，共54根。而我们客户每天所需要的量为七十根左右，可见，竖式淬火的工作效率相当低。若采用横式淬火，钻杆不用做封头处理即可进行装炉。将钻杆分层放在方管上，一层并排摆放四根方管，钻杆和方管互相垂直，然后，每层可以放8根钻杆，最后，将三层钻杆放在一个吊架上进炉。钻杆在淬火时，用装有铲脚的吊架分层淬火，即将铲脚铲入每层钻杆之间的缝隙中，然后吊起进入淬火介质。这个淬火过程只需要三个人便可以完成。一个人负责开行车，一个人负责开炉门，一个人负责稳定铲脚。而且每次淬火即可以一次性对八根钻杆完成淬火，每炉淬火的时间只需十分钟左右，每个班组八个小时的工作时间里可完成三炉钻杆的淬火，共72根钻杆，满足了客户的要求。相比竖式淬火的方法，工作效率提高了33.3%。十一、两种不同淬火方式的生产劳动强度对比钻杆采用竖式淬火时，从装炉到淬火完成都需要很大的人力，在焊接钩挂件时，电焊师傅的工作量是相当大的，有时候要蹲在地上一天，才能把工件焊接完毕。在装炉时，钻杆要摆放整齐，需要工人师傅一根一根地摆放好，然后才能吊装进炉。在淬火时，需要工人师傅把钻杆一根一根从炉里拉出来，然后还要一根一根地抬着走到油槽旁，用行车吊起进油。尤其在夏天，天气炎热，这样的工作强度只会让人感觉天气更加闷热。钻杆采用横式淬火时，首先电焊师傅不再对钻杆焊接挂钩件，在装炉时，师傅只需要将钻杆用行车吊装放在摆好的方管上，摆放整齐后用行车吊着进炉；淬火时，也只需用行车进行吊装。所以整个工作过程只需要行车进行完成，对工人师傅而言，劳动强度减轻了很多。十二、两种不同淬火方式的生产成本对比钻杆采用竖式淬火的生产方式，对人力，物力和能源的需求都很大，从人力方面来说，不管是进炉前的准备工作，还是进炉及淬火都需要投入大量的人力与劳动力，那么厂家就需要投入相应多的资金来偿付工人劳动报酬，从物力方面来说，焊接辅助工具钩挂件所用的焊条耗费量也很大；不仅如此，调质后的钻杆还要用氧气把钩挂件从钻杆上烧下来，也要消耗资金和人力。从能源上来说，淬火时，每次开炉门都带来能源的损耗，降低了能源的利用率。钻杆采用横式淬火的生产方式，在人力，物力和能源方面的需求要明显比采用竖式淬火的生产方式低，首先不需要大量的人力，少数几个人就可以完成多数人（竖式淬火的生产方式）的工作量，其次，此生产过程中不需要消耗焊条及氧气，在物力上就节省了。再次，因为在淬火时开炉门的次数减少了，所以对能源的利用率也大大提高。生产成本自然也就降下来了。十三、结论 通过优化热处理工艺，改进热处理工装和淬火操作方式可以有效地提高产品质量、提高企业效益。参考文献1、热处理手册第三版全册，机械工业出版社。热处理手册编委会 编 2001.82、热处理工程师手册第二版，机械工业出版社。樊东黎等 编 2004.93、热处理及工程材料 无锡职业技术学院 徐年宝 主编 2005.114、热处理工艺全书 山西人民出版社 谢绍自 主编 2005.105、世界钢号手册 机械工业出版社 林慧国 主编 1990.96、热处理实用数据速查手册机械工业出版社 叶卫平等 编 2005.6毕业设计小结转眼间，为期两个多月的毕业设计已接近尾声。回顾这两个多月的设计过程，感慨万千。吃了许多苦，做了许多事，虽然每天