石油钻杆接头调质处理工艺设定与改进论文

石油钻杆接头调质处理工艺的设定与改进石油钻杆接头作为钻杆的一部分,通过摩擦焊连接在钻杆杆体
两端,分为外螺纹接头和内螺纹接头.在钻井过程中接头处需要经
常拆卸,故接头大钳空间处要承受相当大的大钳咬合力,而且在钻
井过程中钻杆接头本身要承受扭曲、拉伸、压缩等复合力的作用,所以在设计时对其力学性能要求较高.根据sy/t5290-2000的标准要求,其表面硬度为285~341hb,力学性能为最小屈服强度827.4 mpa,最小抗拉强度965.3 mpa,最小延伸率13% ,最小冲击功54.0j.
1.现状分析
目前,石油钻杆接头不管是国内还是国外都存在着巨大的市场,而且对其机械性能及抗硫化氢性能等都有了更高的要求.根据现采用的材料scm435h (国内相应牌号37crmnmo4)与天津丰东bbh-1000真空渗碳加热炉对其进行热处理,通常情况下,采用880℃油冷
+600-630℃回火的调质工艺,不但可以提高材料的强度和硬度，而且还能使材料的韧性得到提高。

经调质处理后的钻杆接头具有较好的综合机械性能，能够达到sy/t5290-2000标准中对钻杆接头的要求.但在实际生产过程中，由于不同型号的钻杆接头具有不同的尺寸，因此，调质工艺也应当做相应调整，为确保不同型号的钻杆接头的各项性能指标能够符合sy/t5290-2000标准 [1],同时也为了能够更好的适应市场变化与更高发展,完善和改进石油钻杆接头的热处理工艺势在必行。

2.37crmnmo4钢热处理工艺过程
2.1材质成份
37crmnmo4材质成份如下：
0.35%＜c＜0.38%，0.85%＜mn ＜1.0%，0.15%＜si ＜0.35%， p ＜0.15%，s ＜0.008%，
ni＜0.25%，0.9%＜cr ＜1.2%，0.28%＜mo ＜0.33%，ca ＜
0.006%
由上可知,其材料成份最大合金量为3.553%＜5%,含碳量为
0.25%＜0.37%＜0.5%,所以其为低合金调质钢.是一种需要经过调
质处理（淬火+高温回火）后使用的中碳合金钢,主要用于制造在多种载荷（如扭转、弯曲、冲击等）下工作，受力比较复杂，要求具有良好综合力学性能的重要零件,其碳的质量分数(wc)0.25%＜
0.37%＜0.5%，能够保证调质处理后具有良好的综合力学性能。

主加合金元素有cr、ni、mn、si等，能提高淬透性和回火稳定性,并起固溶强化的作用，强化钢材，而其中少量的mo等元素可形成稳定的合金碳化物，阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒及防止回火脆性的作用[2]。

2.2预处理
37crmnmo4钢合金含量较高，锻造后存在着组织不均、硬度较高、较大内应力等，同时由于锻造不当会出现晶粒粗大和带状组织，不利于切削加工和后序调质处理。

为改善钢体组织结构，便于切削加工，锻造后应采用退火处理.在实际生产过程中，为了提高工作效率，可用正火取代退火。

正火为加热至900℃，保温0.5～1h，然
后出炉空冷。

正火后硬度为210hb，可满足切削加工要求。

2.3 调质处理
2.3.1 工艺流程
淬火。

根据该材料的成份, 查表可知，37crmnmo4钢的ac3为790℃，淬火加热温度为860～880℃（油淬），由于钻杆接头尺寸较大，取其上限。

根据接头尺寸,先计算出有效厚度,然后再根据钢材种类和加热设备类型，通过计算淬火保温时间的经验公式，将5寸钻杆接头淬火保温时间暂定为160min,3.5寸钻杆接头淬火保温时间暂定为100min.
回火。

回火时间一般根据工件的截面厚度而定，一般每25mm厚度保温1～2h。

对空气炉为40～60min＋每毫米最大厚度2～3min，如材料含有较多合金元素，可适当延长保温时间。

综合考虑接头尺寸、加热设备、材料成份，将回火时间定为180min,回火温度视淬火硬度而定。

2.3.2 机械性能分析
依据sy/t5290-2000标准，分别将这两种调质后的接头做成标准试样,对其机械性能进行分析.
1、5寸钻杆接头机械性能试验数据如下：
1#试样屈服强度857 mpa，抗拉强度970 mpa ，断面伸长率18.0%，冲击功80.0 j
2#试样屈服强度858 mpa，抗拉强度971 mpa ，断面伸长率18.0%，冲击功76.0 j
3#试样屈服强度847 mpa，抗拉强度968 mpa ，断面伸长率19.0%，冲击功71.0 j
2、3.5寸钻杆接头机械性能试验数据如下：
1#试样屈服强度859 mpa，抗拉强度963 mpa ，断面伸长率17.0%，冲击功82.0 j
2#试样屈服强度854 mpa，抗拉强度974 mpa ，断面伸长率18.0%，冲击功86.0 j
3#试样屈服强度833 mpa，抗拉强度969 mpa ，断面伸长率17.0%，冲击功90.0 j
标准值屈服强度≥827 mpa，抗拉强度≥965 mpa ，断面伸长率≥13.0%，冲击功≥54.0 j
从1的数据可以看出,虽然钻杆接头的各项指标均在标准值以上，但是屈服强度和抗拉强度都是略高于标准值，冲击功也不是很高。

这是由于淬火后马氏体组织粗大，导致回火后所形成的回火索氏体组织不够细密，使得材料的综合机械性能不是很好，由于该钻杆接头尺寸较大，为保证让它能够淬透，先不改变淬火温度，把淬火保温时间降低到100min，以防止奥氏体长大，从而阻止马氏体的粗化，能够在调质后得到较细密的组织，减少钻杆接头的脆性。

从2的数据可以看出, 3.5寸钻杆接头机械性能与5寸钻杆接头差不多，但是其保温时间为100min,并不是很长。

如果降低其淬火保温时间，可能会使工件加热不均，从而引起其机械性能指标波动很大。

因此,应该通过降低淬火温度，来防止组织粗化，获得较好
的综合机械性能。

由上述分析,可将调质工艺调整为: 将5寸钻杆接头淬火温度暂定为880℃, 淬火保温时间暂定为100min; 将3.5寸钻杆接头淬火温度暂定为860℃, 淬火保温时间暂定为100min.回火时间不变,回火温度视淬火后硬度而定。

将调整后的调质工艺对钻杆接头进行处理, 依据
sy/t5290-2000标准，做成标准试样,对其机械性能进行分析如下：
1、5寸钻杆接头机械性能试验数据如下：
1#试样屈服强度879 mpa，抗拉强度986 mpa ，断面伸长率20.5%，冲击功125 j
2#试样屈服强度875 mpa，抗拉强度989 mpa ，断面伸长率21.5%，冲击功118 j
3#试样屈服强度879 mpa，抗拉强度988 mpa ，断面伸长率20.5%，冲击功120 j
2、3.5寸钻杆接头机械性能试验数据如下：
1#试样屈服强度878 mpa，抗拉强度998 mpa ，断面伸长率19.5%，冲击功124j
2#试样屈服强度871 mpa，抗拉强度989 mpa ，断面伸长率20.5%，冲击功127 j
3#试样屈服强度875 mpa，抗拉强度988 mpa ，断面伸长率21.5%，冲击功134j
标准值屈服强度≥827 mpa，抗拉强度≥965 mpa ，断面伸长率
≥13.0%，冲击功≥54.0 j
以上数据表明,5寸钻杆接头与3.5寸钻杆接头经调整后的调质工艺处理后,综合机械性能明显提高,完全符合sy/t5290-2000的标准要求.
3.结论
1) 37crmnmo4钢热处理后,具有良好的机械性能,用于钻杆接头能满足sy/t5290-2000标准要求.
2)5寸钻杆接头调质工艺:淬火温度为880℃, 淬火保温时间为100min; 回火时间为180min.
3)3.5寸钻杆接头调质工艺:淬火温度为860℃, 淬火保温时间为100min. 回火时间为180min.
参考文献:
[1] 魏开龙,唐建平,苗同勇浅谈36crnimo4钢调质处理在钻杆接头中的应用.
[2] 谭淑梅,石油钻杆接头热处理工艺.
[3] 张浩,唐俊强,梁晓辉提高钻杆接头冲击功的工艺方法.。