蔡紀雄,沈中華,彭 莉

(無錫鉆探工具廠,江蘇無錫 214174）

地質鉆桿中頻感應加熱熱處理工藝的應用分析

蔡紀雄,沈中華,彭 莉

(無錫鉆探工具廠,江蘇無錫 214174）

介紹了利用中頻感應加熱原理對地質鉆桿進行整體熱處理工藝,并通過對比數(shù)據(jù)分析了中頻感應熱處理技術比普通熱處理技術所具有的優(yōu)點。分析結果表明,相對于采用普通熱處理,采用中頻感應加熱進行熱處理的地質鉆桿,金屬顯微組織晶粒細,綜合機械性能好,鉆桿性能更均勻,鉆桿表面氧化很少,外觀質量好,抗疲勞性能高,生產(chǎn)成本低。

地質鉆桿;中頻感應加熱;整體熱處理

0 引言

隨著我國地質勘察工作量的增多、勘察深度的不斷加深,對地質鉆桿的性能要求越來越高。在材質、結構尺寸相同的情況下,要提高鉆桿的綜合機械性能,必須對鉆桿整體進行熱處理。

利用中頻電流的電磁感應加熱原理來進行鋼管的淬火、回火以及正火,由于其環(huán)保、效率高、能作為連續(xù)熱處理生產(chǎn)線等優(yōu)點,在工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)屬于一種成熟的工藝技術,并且該工藝已經(jīng)在石油專用管的制造領域得到了廣泛的應用。美國LONG-STAR公司、無限制管公司、日本JFE公司、俄羅斯塔干羅格冶金廠、伏爾加鋼廠等制管企業(yè)都擁有自己的中頻感應鋼管熱處理生產(chǎn)線。

近年來由于國內(nèi)中頻感應技術的不斷發(fā)展,先后有多家石油管生產(chǎn)廠家投資上線了不同種類的石油管件中頻熱處理生產(chǎn)線,例如湖南嘉裕管業(yè)股份有限公司、湖南衡陽鋼管(集團）有限公司、無錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司等。由于地質管材材料成分、管體的壁厚以及熱處理后管體的直線度要求等與石油管還有一定的區(qū)別,因此中頻感應生產(chǎn)線用于地勘行業(yè)薄壁類地質鉆桿的熱處理尚屬空白,在設備的選型和生產(chǎn)線的安排、工藝實驗等方面都需要技術論證。

自2007年初,經(jīng)過我廠技術人員認真仔細的技術調研和大量的試驗論證,在2008年底引進了國內(nèi)首條地質鉆桿專用調質生產(chǎn)線,年設計生產(chǎn)能力為2000 t。經(jīng)過大量的工藝試生產(chǎn),目前該生產(chǎn)線已投入正常生產(chǎn),已正式完成S75、S95、NQ、HQ等規(guī)格的加厚和不加厚繩索取心鉆桿600多噸的調質熱處理工作。

本文主要以30C rMnSi地質繩索取心鉆桿為例,闡述中頻感應加熱調質處理相對于普通調質處理的優(yōu)點。

1 中頻感應熱處理生產(chǎn)線的結構及主要技術參數(shù)

該生產(chǎn)線主要由上料機構,輸送機構,淬火加熱感應器,淬火噴淋器,回火加熱感應器,回火噴淋器,下料機構組成。全線采用PLC閉環(huán)控制,生產(chǎn)線有5個紅外測溫點,實時監(jiān)控生產(chǎn)線重要節(jié)點的溫度的波動。該生產(chǎn)線的主要技術參數(shù)見表1。

2 中頻感應加熱熱處理的優(yōu)點

2.1 金屬顯微組織晶粒細

鉆桿淬火前快速加熱至奧氏體溫度,淬火時可形成極細的馬氏體組織,?；瘯r則可形成細晶粒鐵素體-珠光體結構。由于感應加熱回火時間短,小顆粒碳化物析出,并均勻地分布在細晶粒的馬氏體基體中,形成細小的回火索氏體,晶粒度可以達到10級。圖1為30C rMnSi地質繩索取心鉆桿經(jīng)中頻感應調質后,在500倍金相顯微鏡下的晶粒情況。圖2是30C rMnSi地質繩索取心鉆桿經(jīng)普通電爐調質后,在500倍金相顯微鏡下的晶粒情況。

表1 中頻感應熱處理線的主要技術參數(shù)

圖1 中頻感應調質后金相組織

圖2 普通電爐調質后金相組織

2.2 綜合機械性能好

經(jīng)中頻感應加熱熱處理的鋼管綜合機械性能好,強度高,具有很高的韌性及延伸性。

表2是對30C rMnSi地質繩索取心鉆桿經(jīng)普通加熱調質和中頻感應加熱調質,在同等硬度范圍內(nèi)(HRC 30.5～31.5）的機械性能對比。

表2 30C rMnSi鉆桿機械性能對比(室溫）

2.3 鉆桿性能更均勻

對普通加熱調質和中頻感應加熱調質后的30C rMnSi地質繩索取心鉆桿進行解剖,測定了沿長度方向橫截面上的11個點的硬度值,見表3。

2.4 鉆桿表面氧化很少,外觀質量好

鉆桿中頻感應加熱熱處理過程中,加熱時間很短,升溫很快,因此鉆桿表面只出現(xiàn)極少的氧化鐵皮,基本上不脫碳,鉆桿外觀質量很好。圖3和圖4分別是鉆桿在普通加熱調質和中頻感應加熱調質處理后的表面情況。

2.5 鉆桿抗疲勞性能高

經(jīng)中頻感應調質的30C rMnSi地質繩索取心鉆桿,在做圓環(huán)剖割試驗時,有明顯的向心部壓縮現(xiàn)象,而普通調質處理的鉆桿,不會向心部壓縮,甚至會向外膨脹,這就表明鉆桿經(jīng)中頻感應調質后,會產(chǎn)生殘余壓應力。而殘余壓應力的出現(xiàn)可減少出現(xiàn)表面細微裂縫的概率,提高了鉆桿的抗疲勞性能。

2.6 生產(chǎn)成本低

根據(jù)20世紀80年代初蘇聯(lián)塔干羅格冶金廠采用中頻感應加熱爐和普通加熱爐對石油鉆桿(“140 mm×9～11 mm）進行調質熱處理后的生產(chǎn)成本分析顯示,采用感應熱處理的生產(chǎn)成本為22盧布/t,而普通加熱爐生產(chǎn)成本26盧布/t。普通加熱爐的生產(chǎn)成本大約高13.6%。

表3 30C rMnSi鉆桿調制處理后斷面硬度分布值

圖3 普通加熱調質后的鉆桿表面情況

圖4 中頻感應調質后的鉆桿表面情況

根據(jù)國內(nèi)某石油套管生產(chǎn)廠家的“114 mm石油套管,小時產(chǎn)量9 t,采用中頻感應淬火回火熱處理爐和步進式淬火回火熱處理爐進行熱處理的生產(chǎn)成本作了估算,結果顯示,感應加熱調質處理的直接生產(chǎn)成本和步進爐的直接生產(chǎn)成本相當,如考慮設備折舊在內(nèi),中頻感應加熱熱處理生產(chǎn)成本比燃天然氣步進式爐的低。詳細計算見表4。

表4 “114 mm套管進行調質處理生產(chǎn)成本比較

3 結論

(1）中頻電感應加熱方法對30C rMnSi地質繩索取心鉆桿進行調質處理的工藝技術是完全可行的。

(2）中頻感應加熱調質處理的30C rMnSi繩索取心鉆桿的綜合機械性能要優(yōu)于普通電爐加熱鉆桿。

(3）中頻感應加熱熱處理后的鉆桿質量好,設備投資小、生產(chǎn)成本低、勞動條件好、無污染,在電力資源比較豐富的地方應該推廣采用中頻感應加熱熱處理技術。

(4）存在的問題:在中頻感應調質處理過程中, 30C rMnSi地質繩索取心鉆桿的變形量大于使用要求,目前尚需矯直,這就要求進一步摸索如何使噴淋均勻并減少鋼管彎曲變形。

[1] 王三云.鋼管中頻感應加熱熱處理的優(yōu)點及最新技術[J].焊管,2001,(5）.

[2] 黃大鑫.鋼管熱處理方法的新發(fā)展——感應加熱熱處理[J].鋼管,1994,(6）.

[3] 王振東,馬秀忠.高強度鋼管的感應加熱調質處理[J].鋼鐵, 1985,(6）.

Application Analysis onM edium-frequency Induction Heat ing Technology in GeologicalDrilling Pipe

CA I Ji-xiong, SHEN Zhong-hua,PENG Li(WuxiDrilling Tools Factory,Wuxi Jiangsu 214174,China）

The paper introduces the principle ofmedium-frequency induction heating in geological drilling pipe with whole heat treatment,and analyzed the advantages of medium-frequency induction heating technology.The analysis shows that comparing to ordinary heat trea tment technology,the drilling pipe treated by medium-frequency induction heating has fine metalmicrostructure of grain,goodmechanicalproperties,even drilling perfor mance,less surface oxidization,good appear-ance quality,high anti-fatigue performance and low production cost.

geological drilling pipe;mediate-frequency induction heating;whole heat trea tment

P634.4;TG156

:A

:1672-7428(2010）07-0034-03

2010-06-25;

2010-07-10

蔡紀雄(1980-）,男(漢族）,江蘇無錫人,無錫鉆探工具廠技術處副處長,材料科學與工程專業(yè),從事鉆探工具的研制開發(fā)工作,江蘇省無錫市惠山開發(fā)區(qū)暢園路8號,ztgjc@126.com。