石油钻具的热处理工艺改进

石油钻具的热处理工艺改进

乔旺

中石化中原石油工程有限公司管具公司钻具制造厂河南濮阳457331

摘要：石油钻具的热处理工艺的改进对于提高和保障石油探测和开采有着重要的作用，因此，改进石油钻具的热处理工艺有着重大的现实意义，石油钻具的热处理工艺问题是整个热处理行业普遍存在的现象，调整处理工艺、提高热处理工艺的科技水平是保障石油钻具的有效方法。为此，文章将围绕石油钻具的热处理工艺改进方面展开详细分析。

关键词：石油钻具；热处理工艺；工艺改进

引言：在对石油实施勘测以开采的过程中，石油钻具起到了非常重要的作用。但是，在对该项工具进行处理的过程中，由于我国对其的探究起步比较晚，有很多的工作还有待进一步完善。因为工艺的不成熟，所以在天气较情况比较差的情况当中，经常会出现损坏的现象，对日常工作的有序实施造成了阻碍，所以，在实际工作当中，要对实践经验进行总结，以便将热处理工艺进行改进，对石油的勘测以及开采工作的进行有着非常重要的帮助作用。

一、工作条件及损坏形式

在地质钻探过程中，钻机通过钻具（包括钻杆、岩心管和各种管接头）将转矩和轴向压力传到钻头，从而对地层进行钻探，钻具除了外表不断与孔壁岩层发生摩擦外，还遭受巨大的弯曲、扭转及冲击力的作用。不合格的石油钻具在其恶劣的工作条件下极易发生损坏，其损坏的形式主要有有：其一，断裂。其二，丝扣处磨损变形，其三，管壁裂缝和产生洞眼。其四，管壁磨损，弯曲太大。

二、热处理工艺的编制

（一）纵裂和横裂的主要原因

在石油钻具的断裂中，纵裂主要发生在直径较小的颈部，横裂主要发生在直径尺寸较大的工作部位。不考虑材料缺陷造成材料强度下降的情况，断裂是内应力（拉应力）超过材料的实际破断强度的结果。一般情况下横裂是由热应力造成的，纵裂是由组织应力造成的。对于大锻件，加热和冷却过程中都可以产生很大的热应力，加热时产生的热应力往往增加了横裂的危险性，组织应力是淬火冷却过程中形成的，冷却越激烈，终冷温度越低，纵裂的危险就越大。决定淬裂形成的最基本因素仍是淬火件内的最大拉应力及其存在的部位。因此，在保证力学性能符合要求时，如何降低加热、冷却过程中的最大拉应力和改变其出现的位置，是解决大型稳定器断裂的关键。结构因素、工艺因素等都对瞬时内应力的产生和残余应力大小有很大影响。大型实心轴类零件和有中心孔的轴类零件在冷却方式上的不同，会使热处理后的残余应力有所不同，中心孔不冷却时与实心轴类零件热处理后残余应力相同，中心孔和外表面同时冷却时，内壁和外表面皆受压，而中间受拉，其峰值也大大降低。

（二）提高综合力学性能的措施

在正确选材的基础上，采取用精锻机精锻内孔或用深孔钻钻孔后，再对空心钻具调质处理，可以使有效壁厚减小，有利于获得所需要的淬火组织。合理选用淬火介质，钢的淬透性与淬火介质有很大关系，水基淬火介质通过调节浓度改变冷却的特性温度从而达到所需的冷却速度，在保证淬硬性的同时，能大大增加工件的淬硬深度（提高钢的淬透性），工件淬裂倾向小。采用以上措施，使处理的大型钻具颈部得到足够的马氏或马氏体+下贝氏体组织，回火得到均匀的回火索氏体组织，颈部横截面各处硬度均大于285HB，保证了大型稳定器获得较高的综合力学性能。

（三）工艺编制及曲线

综合上述降低内应力（拉应力）以及调整最大内应力出现部位的方法，首先参照有关技术规范，在保证石油钻具整体性能的条件下，所选择的冷却时间为下限，温度为35℃，上下浮动为5℃，符合规定要求。选择接近理想冷却特性的水基淬火介质，淬火冷却时，高温期适当快冷，获得较高的热应力值以抵消组织应力，中心孔和外表面同时浸淬冷却，以获得过渡性残余应力，参考Ms点，在冷却获得所需组织情况下，控制终冷温度，减小马氏体的正方度，降低组织应力，提高断裂抗力。用此工艺方法处理的不同尺寸的大型稳定器力学性能符合要求，避免了断裂发生。

三、石油钻具的热处理存在问题分析

（一）来料质量

对材料的质量进行细致的分析，主要有以下几个层面：材料表面的质量、材料当中的构成成分、杂质物呈现出不均匀的分布状态[2]。如果选用了较差的钻具，最直接的表现便是该项工具的表面有裂纹产生，裂纹一般会在炼钢以及锻造之后实施热处理。在一系列的加工工序完成之后，可以把钻具的质量进提升。

（二）工件外形

石油钻具几何外形呈空心厚壁管状，管道主要壁厚度均小于内孔直径，长度为9500mm，，淬火时易开裂。

（三）设备

在该项设备的当中存在的问题主要涵盖了两个方面，其一，在仪表的指示方面产生的问题为所有的指示仪器都没有严格按照相关的规定进行检查，也没有定期对仪表的精准程度进行校对，将其中可能产生的误差严格把控在5℃的范围当中。在进行淬火的过程中，工件的内外表面存在的时间差，是由设备自身所具有的局限性产生的，只能部分优化，而无法彻底改变。

（三）工艺

工艺主要包括两部分：冷却时间、水温，根据来料质量以及工件外形，参照有关技术规范，在保证石油钻具整体性能的条件下，所选择的冷却时间为下限，温度为35℃，上下浮动为5℃，符合规定要求。通过仔细的分析，石油钻具热处理存在问题是主要原因在于工艺、设备与工件外形之间的存在的矛盾。

四、钻具的热处理工艺改进

（一）石油钻具的制造工艺路线简析

4.1调质处理改进

在对材料进行淬火时，温度要选择在830℃~850℃之间，用水进行冷却，在进行间火的过程中，要将温度选择在550℃~600℃之间，用空气进行冷却。在对40Cr材料进行淬火时，温度要选择在850℃~870℃之间，用油进行冷却，在进行间火的过程中，要将温度选择在600℃~620℃之间，用水进行冷却。在对45Mn2材料进行淬火时，温度要选择在830℃~850℃之间，用油进行冷却，在进行间火的过程中，要将温度选择在620℃~640℃之间，用水进行冷却。

4.2优化钻具工艺

对钻具工艺的优化，要在之前的空气当中实施的遇冷，水淬以及油冷淬火的前提下，将水冷的冷却时间进行增加，以便将高心部的冷却速度进行提升，把中温转变的组织缩减[3]。水淬的实际系数应该由之前的系数增长为1.85。通过将水冷的时间进行延长，严格把控其中的化学成分，工件力学的性能会提升至8%左右，将钻具在热处理当中产生问题进行有效的解决。

4.3高强度钻杆热处理

在进行热处理的过程中，所应用的材料为35MnMoVTi钢进行制造的，在应用正火进行处理的过程当中，对其进行加热的温度应该在860℃~900℃的范围当中，应用空气进行冷却，贝氏体为组织，之后应用600℃~650℃的温度进行回火[3]。

结论

总之，石油钻具当中的热处理工艺对勘探以及开采的相关工作起到了非常重要的作用，所以要是对该项工艺的改进措施不断进行探究。虽然，我国对于该项工艺的研究起步稍晚，但通过不断的总结经验，对于改项工艺的改进已经取得了非常大的进步。未来，针对在实施空心调质时极易出现的裂纹等问题，还要继续研究改进的措施，以便工艺水平能得到更大的进步，推进行业的发展。

参考文献：

[1]中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5051-2009钻具稳定器［S］．北京：石油工业出版社，2015．

[2]康大韬，叶国斌．大型锻件材料及热处理［M］．北京：龙门书局出版，2018：1；166-174；223．

[3]周军.秦国梁.齐秀滨.石油钻杆形变热处理摩擦焊工艺[J].焊接学报。2011（08）134-135.