文/馬秀英·巨力索具股份有限公司

20SiMn2MoVE單臂吊環(huán)鍛件環(huán)內(nèi)裂紋解決措施

文/馬秀英·巨力索具股份有限公司

吊環(huán)是石油鉆井作業(yè)中起降鉆柱重要的提升工具，工作瞬間需要承受巨大的拉伸載荷，對產(chǎn)品質(zhì)里有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求，定型20SiMn2MoVE國標(biāo)石油單臂吊環(huán)產(chǎn)品示意簡圖如圖1所示。產(chǎn)品鍛造成形后，經(jīng)磁粉探傷發(fā)現(xiàn)大小頭環(huán)部內(nèi)表面出現(xiàn)了異常橫向裂紋，為了查明原因，找出解決措施，對出現(xiàn)裂紋吊環(huán)的宏觀形態(tài)、金相組織、化學(xué)成分等進(jìn)行了分析。

吊環(huán)裂紋原因分析

宏觀分析

吊環(huán)鍛造成形后磁粉探傷時發(fā)現(xiàn)環(huán)部內(nèi)表面有數(shù)里不等的裂紋，裂紋沿材料表面橫向分布，對失效件解剖后發(fā)現(xiàn)裂紋沿與軸向呈45°方向延伸，裂紋深度10～15mm，失效樣件環(huán)部裂紋外觀如圖2、3所示。失效樣件的化學(xué)成分和標(biāo)準(zhǔn)要求對比結(jié)果見表1。

圖1 單臂吊環(huán)示意圖

圖2 裂紋宏觀形貌

圖3 表面局部打磨清除后剩余裂紋宏觀形貌

表1 失效樣件的化學(xué)成分和標(biāo)準(zhǔn)要求的對比結(jié)果 （ω，%）

金相分析

從裂紋樣件上取縱向試樣進(jìn)行金相分析，其基體組織為珠光體與貝氏體的混合組織，晶粒較粗大呈過熱狀態(tài)（圖4a），裂紋兩側(cè)有較嚴(yán)重脫碳現(xiàn)象，周圍遍布氧化物顆粒及黑色網(wǎng)絡(luò)（圖4b），裂紋尾端呈小圓角（圖4c、d）。

分析與討論

吊環(huán)在環(huán)部模鍛成形過程中，需要一火頂鍛拍扁模鍛環(huán)部雛形，二火模鍛環(huán)部、切邊沖孔成形。實際生產(chǎn)中因設(shè)備能力問題環(huán)部采取一火頂鍛拍扁模鍛出環(huán)部雛形后空冷，然后冷態(tài)氣割出內(nèi)孔，再二火模鍛切邊成形。根據(jù)表1樣件的化學(xué)成分計算失效鍛件吊環(huán)的碳當(dāng)里已接近1.1%，當(dāng)碳鋼和合金鋼碳當(dāng)里超過0.8%，氣割時容易產(chǎn)生淬火裂紋，失效吊環(huán)鍛造生產(chǎn)時間為11月底，恰逢冬季，氣割內(nèi)孔時又未采取任何預(yù)熱和后熱措施，因此可初步判定吊環(huán)鍛件的環(huán)部橫向裂紋，應(yīng)是在氣割內(nèi)孔時因局部瞬間溫度過高后又在空氣中快速冷卻產(chǎn)生了淬火裂紋，隨后再次模鍛切邊成形加熱時在原淬火裂紋兩側(cè)又產(chǎn)生了較嚴(yán)重的氧化脫碳現(xiàn)象。

圖4 樣件金相分析

圖5 已噴漆的單臂吊環(huán)成品件

鍛造工藝改進(jìn)

分析原因后，改進(jìn)鍛造工藝，單臂吊環(huán)頭部頂鍛制坯時由原來的燃?xì)鉅t加熱改為用中頻爐加熱，并根據(jù)不同規(guī)格嚴(yán)格控制圓鋼的加熱長度和鍛造加熱溫度。確保每火次鍛造加熱爐溫均不大于1180℃，始鍛溫度不大于1150℃，終鍛溫度不小于850℃，用遠(yuǎn)紅外測溫儀在線隨時監(jiān)測鍛件的加熱溫度、始鍛溫度及終鍛溫度，杜絕多火次鍛造鍛件的問題發(fā)生，嚴(yán)格控制不穩(wěn)定過熱問題。鍛件需要氣割時應(yīng)在紅熱狀態(tài)氣割，若鍛件冷卻后氣割需預(yù)熱到500℃以上，氣割后必須及時入爐緩冷。切除飛邊時，必須采用切邊模，不允許氣割。圖5為鍛造工藝改進(jìn)后生產(chǎn)的合格的已經(jīng)噴漆的單臂吊環(huán)成品件。

結(jié)束語

鑒于此吊環(huán)鍛件環(huán)內(nèi)橫向裂紋是因鍛造中間環(huán)節(jié)氣割內(nèi)孔時操作不當(dāng)引起淬火裂紋導(dǎo)致的，通過對鍛造工藝的改進(jìn)，經(jīng)過一年多的生產(chǎn)實踐檢驗，該石油單臂吊環(huán)鍛件環(huán)部橫向裂紋問題已經(jīng)得到有效解決。

馬秀英，工程師，長期從事熱處理工藝設(shè)計及現(xiàn)場工藝、設(shè)備調(diào)控工作，曾獲河北省科技成果、保定市科技進(jìn)步一等獎，獲得發(fā)明專利一項、實用新型專利六項；現(xiàn)主要研究方向為海洋石油吊索具類高強度、高韌性低溫鍛件的熱處理技術(shù)。