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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、.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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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/T1001H42.845.6H
13、RC30.134.2HRCCJ/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
14、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
