穆海龍

（勝利石油工程有限公司井下作業(yè)公司 山東東營(yíng) 257000）

摘 要：石油鉆桿是石油行業(yè)必不可少的工具，摩擦焊是鉆桿管體和接頭最有效、最可靠的連接方法。石油鉆桿摩擦焊后力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)，必須通過(guò)熱處理改善其綜合力學(xué)性能。本文通過(guò)拉伸、沖擊和硬度試驗(yàn)測(cè)試了不同熱處理工藝參數(shù)下26CrMoNbTiB鋼石油鉆桿的力學(xué)性能。得出了淬火溫度、回火溫度、回火保溫時(shí)間對(duì)鉆桿力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明熱處理工藝為淬火溫度900℃+保溫時(shí)間30min+回火溫度590℃+回火保溫時(shí)間30min時(shí)26CrMoNbTiB鋼石油鉆桿的綜合力學(xué)性能最好，滿(mǎn)足了API 5DP標(biāo)準(zhǔn)對(duì)S級(jí)鉆桿的使用要求。

關(guān)鍵詞：摩擦焊；熱處理工藝；26CrMoNbTiB鋼；力學(xué)性能

一、緒論

主要研究?jī)?nèi)容

為了探索不同的熱處理參數(shù)對(duì)石油鉆桿的力學(xué)性能影響規(guī)律，本課題需要詳細(xì)開(kāi)展以下方面的研究。

根據(jù)理論分析確定石油鉆桿摩擦焊后的退火溫度、淬火溫度、回火溫度、回火保溫時(shí)間。設(shè)計(jì)出8種不同的熱處理工藝，對(duì)8根摩擦焊接鉆桿進(jìn)行熱處理。然后分別從8根鉆桿每根上選取3個(gè)拉伸試樣和3個(gè)沖擊試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果取平均值進(jìn)行研究分析，通過(guò)對(duì)試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果分析淬火溫度，回火溫度，回火保溫對(duì)鉆桿力學(xué)性能影響規(guī)律，最后結(jié)合金相組織研究篩選出一組摩擦焊鉆桿最佳熱處理工藝參數(shù)。

二、試驗(yàn)結(jié)果及分析

1、焊區(qū)力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

對(duì)每組熱處理工藝參數(shù)的鉆桿取3個(gè)樣進(jìn)行試驗(yàn)，得到了鉆桿不同熱處理工藝下焊區(qū)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

2、回火溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響規(guī)律

當(dāng)淬火溫度為900℃，淬火保溫時(shí)間為30min、回火保溫時(shí)間為30min時(shí)，結(jié)果表明隨著回火溫度升高，材料強(qiáng)度和硬度下降，延伸率和沖擊吸收功增大。鋼的回火過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是過(guò)飽和的α固溶體的脫溶過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程還要受到中Mo，Cr，Ti，Nb等合金元素的擴(kuò)散控制，由于碳化物形成元素、合金碳化物Mo，Cr的彌散析出，起到釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，形成彌散強(qiáng)化的作用。但由于一方面碳原子的固溶強(qiáng)化作用隨回火溫度提高而下降，另一方面高溫回火時(shí)材料中合金碳化物逐漸聚集成較大的顆粒，降低了位錯(cuò)的阻礙作用。兩方面作用使得材料強(qiáng)度和硬度隨回火溫度升高而降低。同時(shí)材料高溫回火時(shí)馬氏體的針狀形態(tài)消失，形成多邊形的鐵素體，最終出現(xiàn)粗粒狀滲碳體和鐵素體的機(jī)械混合物回火索氏體，提高了材料的沖擊韌性?；鼗饻囟仍礁?，得到的組織晶粒越細(xì)。530℃回火時(shí)基體出現(xiàn)了細(xì)小的針狀碳化物；590℃回火時(shí)該碳化物開(kāi)始長(zhǎng)大，并且板條馬氏體邊界出現(xiàn)一定數(shù)量的條狀棒狀碳化物；650℃回火時(shí)該條狀棒狀碳化物數(shù)量增多且開(kāi)始長(zhǎng)大粗化；當(dāng)回火溫度過(guò)高達(dá)到710℃時(shí)，該滲碳體逐漸向晶界偏聚，并且變成粒狀滲碳體，開(kāi)始球化，長(zhǎng)大。這一系列組織轉(zhuǎn)變使得材料塑性韌性增大而使強(qiáng)度大大下降。根據(jù)綜合力學(xué)變化規(guī)律，回火溫度為590℃比較合適。

3、回火保溫時(shí)間對(duì)材料力學(xué)性能的影響規(guī)律

當(dāng)淬火溫度為900℃，淬火保溫時(shí)間為30min、回火溫度為590℃時(shí)，結(jié)果表明隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，材料的屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度略微下降，延伸率和沖擊吸收功略微增大。分析可知：材料在淬火后回火保溫初期，由于Mo、Ni、V等元素有減弱回火脆性的作用，組織為板條馬氏體，保溫初期馬氏體中析出會(huì)ε碳化物。隨著回火保溫時(shí)間增加，ε碳化物會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體型碳化物并且在馬氏體界面發(fā)生聚集現(xiàn)象。進(jìn)一步延長(zhǎng)保溫時(shí)間合金碳化物發(fā)生粗化、球化，高溫保溫過(guò)程中材料的強(qiáng)度指標(biāo)不斷下降，韌性指標(biāo)不斷上升。但是幅度不是很大。根據(jù)綜合力學(xué)變化規(guī)律，保溫30min材料力學(xué)性能完全符合API 5DP標(biāo)準(zhǔn)。

4、淬火溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響規(guī)律

當(dāng)淬火保溫時(shí)間為30min、回火溫度為590℃、回火保溫時(shí)間為30min時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度，延伸率和沖擊吸收功都變化不大。分析可知，一方面隨淬火溫度升高，合金中的碳化物會(huì)逐漸分解，合金元素C，Mn在奧氏體中溶解度增大，起到固溶強(qiáng)化作用。另外微量元素Nb，Ti，B能抑制奧氏體長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，提高粗晶化溫度。另一方面，隨著淬火溫度的提高，奧氏體晶粒會(huì)逐步增大，淬火后得到更為粗大的馬氏體，從而使材料的力學(xué)性能下降。綜合兩方面的作用，當(dāng)淬火溫度在一定溫度提高不是很大時(shí)，碳化物的溶解和奧氏體成分的均勻化大于奧氏體晶粒有限長(zhǎng)大的不利影響，因此材料的強(qiáng)度和硬度會(huì)稍微增大，沖擊功略微下降。但是過(guò)高的淬火溫度則會(huì)使奧氏體晶粒長(zhǎng)大的不利影響占據(jù)主導(dǎo)。根據(jù)綜合力學(xué)變化規(guī)律，淬火溫度為900℃比較合適。

三、結(jié)論

本文以級(jí)別為S級(jí)，材質(zhì)為26CrMoNbTiB鋼的石油鉆桿為對(duì)象進(jìn)行了不同熱處理工藝對(duì)其力學(xué)性能的影響的研究。采用拉伸試驗(yàn)，硬度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等力學(xué)性能測(cè)試手段研究了淬火溫度、回火溫度、回火保溫時(shí)間這三個(gè)不同熱處理參數(shù)分別對(duì)26CrMoNbTiB鋼石油鉆桿摩擦焊后熱處理工藝的力學(xué)性能影響規(guī)律。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）隨回火溫度從530℃提高到710℃，鉆桿的強(qiáng)度和硬度逐漸減小，延伸率和沖擊吸收功逐漸增大。590℃的回火溫度最為合適。

（2）隨回火保溫時(shí)間從10min提高到50min，鉆桿的強(qiáng)度和硬度逐漸減小，延伸率和沖擊吸收功逐漸增大。30min的淬火保溫時(shí)間最為合適。

（3）隨淬火溫度從860℃提高到900℃，鉆桿的強(qiáng)度和硬度逐漸增大，延伸率和沖擊吸收功逐漸減?。坏?dāng)淬火溫度從900℃增大到940℃，各個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)基本不變。900℃的淬火溫度最為合適。

（4）最終確定26CrMoNbTiB鋼石油鉆桿熱處理工藝為淬火溫度900℃+保溫時(shí)間30min+回火溫度590℃+回火保溫時(shí)間30min。其力學(xué)性能達(dá)到屈服強(qiáng)度為1041MPa，抗拉強(qiáng)度為1106MPa，延伸率為20.3%，焊區(qū)硬度為35.9HRC，沖擊吸收功為82J，綜合機(jī)械性能良好，滿(mǎn)足了API 5DP標(biāo)準(zhǔn)對(duì)S級(jí)鉆桿的使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 齊秀濱， 劉娟， 周軍， 趙玉珊. 摩擦焊在我國(guó)石油鉆桿制造中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2010， 40（6）

[2] API Spec 5DP/ISO 11961，2008

[3] 李建強(qiáng)， 于麗松， 牛成杰， 李志昊， 岳鵬， 陳玉松. 石油鉆桿的生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 焊管，2011， 34（11）

[4] 王新新， 陳誠(chéng)德. 鉆桿生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展與展望[J].石油機(jī)械，1999，27（10）

[5] 馬建民； 摩擦焊接造鉆桿. 中國(guó)石油報(bào)[J].2004.06

[6] 殷國(guó)茂； 高強(qiáng)度石油鉆桿生產(chǎn)中幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題的探討和質(zhì)量控制[J]；鋼管；1981年02期

[7] 董美美， 石油鉆桿摩擦焊工藝及質(zhì)量控制[J]-城市建設(shè)理論研究[J]，2015（27）

[8] 楊玭， 曹晶晶， 袁鵬斌.YANG Pin.CAO Jing-jing.YUAN Peng-bin 石油鉆桿摩擦焊焊縫的沖擊韌度影響因素[J]- 理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)；2015（3）