石油钻杆形变热处理摩擦焊工艺.docx

石油钻杆形变热处理摩擦焊工艺 军1 ，秦国梁2 ，齐秀滨1周( 1．机械科学研究院 哈尔滨焊接研究所，哈尔滨150080; 2．山东大学 现代焊接技术研究所，济南250061)摘 要: 对石油钻杆 37CrMnMo 管体和 42CrMoA 管接头进行了形变热处理摩擦焊接，对接头金相组织和力学性能分析检测． 结果表明，接头完全淬火区晶 粒 度 达 到 8 级， 不完全淬火区窄且其被形变区完全覆盖，回火后不完全回火区组织为回火索氏体 + 铁 素体或碳化物过分长大的回火索氏体; 管体和管接头热影响区的硬度最大下降幅度分2% ;接头屈服强度比为 0． 905，冲击吸收功平均达 95 J，拉伸别仅为 6． 9% 和 4．试验断裂位置为 37CrMnMo 管 体 侧 母 材，接头力学性能均超出国家标准 SY / T5561—1999 和美国石油学会标准 APISPEC5D 的要求，表明形变热处理克服了石油钻杆摩擦 焊接头韧度大幅降低和热处理热影响区边界硬度下降的难题．关键词: 摩擦焊; 石油钻杆; 形变热处理; 组织性能周 军中图分类号: TG453． 9文献标识码: A文章编号: 0253 － 360X( 2011) 08 － 0001 － 04摩擦焊和形变热处理的特点，文中将两过程有机结合起来，开发了石油钻杆形变热处理摩擦焊新工艺， 实现了石油钻杆的高强高韧焊接．0序言目前国内外石油钻杆生产厂家普遍采用美国的专利技术将接头组织恢复到调质热处理组织状态， 即摩擦焊接后要经感应加热退火 + 调质( 淬火 + 回 火) 三道工序． 但目前常用的焊后感应加热热 处 理 工艺仍然存在接头韧度有较大幅度降低和焊后局部 热处理热影响区边界硬度、强度下降等两方面问题．国内研究人员基于感应加热对石油钻杆焊后热 处理工艺进行了改进． 张浩等人［1］通过调整正火工 艺参数，细化珠光体组织，提高了接头冲击吸收功． 胡荣生等人［2］ 采 用 在 线 喷 雾 气 冷，提 高 冷 却 速 率， 冲击韧度值大幅度提高． 毛信孚等人［3］设计了感应 加热穿透调质工艺方案，通过提高淬火温度、实现在 钻杆表面不过热的条件下使奥氏体均匀化． 但李鹤 林等人［4］对 从全国各油田收集的 近百件石油钻杆 焊接接头断裂失效样品进行分析，结果表明，绝大多 数属于低应力脆断，其根本原因在于接头韧度低，并 认为热处理不当是接头韧度低的主要原因． 这充分 说明改进后的焊后感应加热调质处理仍未从根本上 解决钻杆接头韧度低的问题． 综 上 所 述，当 前 焊 后 感应热处理工艺已很难满足日益发展的深层井对石 油钻杆强度和韧度的要求，开发新的热处理工艺已 成为石油钻杆制造亟待解决的一项关键技术． 根据1试验方法设备选用带形变热处理 功 能 的 HSMZ － 130 混合型摩擦焊机，如 图 1 所 示． 摩擦焊接过程在优化 的工艺参数下施焊． 试验材料采用石油钻杆管体和钢 级 材 料 组 合，管 体 采 用接头 常 用 的G10537CrMnMo 调质钢 管 材，管 接 头 采 用 42CrMoA 锻 件调质钢，其化学 成 分 如 表 1 所 示． 管体和管接头均 为调质状态，组织均为回火索氏体．形 变热处理过程采用液 － 气雾化冷却介质，即图 1 形变热处理摩擦焊机2焊 接 学 报第 32 卷表 1 管体和管接头化学成分( 质量分数，% )Table 1 Chemical compositions of pipe body and jointCSiMnPSCrMoNiVTiCu管体 37CrMnMo管接头 42CrMoA0． 370． 430． 250． 260． 710． 910． 0130． 0100． 0020． 0021． 031． 110． 150． 280． 0610． 0780． 0100． 0270． 0070． 0080． 0360． 071水 + 压缩空气的复合介质，调节介质喷施工艺参数如气、水压力、流量等参数以达到最优的冷却效果．形变淬火以后采用 690 ℃ 回火处理．长大的回火索氏体，如 图 3a 所 示; 42CrMoA 侧 金 相组织为全部回火索氏体，如图 3b 所示． 经过 690 ℃ 回火处理 后，37CrMnMo 侧不完全回火区金相组织 为细晶回火索氏体 + 铁素体或碳化物过分积聚长大 的回火索氏体，宽 度 约 为 0． 6 mm 左 右，如 图 3c 所 示; 42CrMoA 侧不完全回火区金相组织为回火索氏 体 + 碳 化物过分积聚 长大的回火索氏体，宽 度 为0. 3 mm 左右，如图 3d 所示．2接头组织与性能分析2． 1形变热处理摩擦焊接头组织将摩擦焊和形变热处理过程结合起来得到的接 头