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        提高C110套管熱處理性能合格率及穩(wěn)定性

        2018-06-13 08:47:08高旭東陳建偉
        天津冶金 2018年1期
        關(guān)鍵詞:鋼種淬火屈服

        申 鵬,高旭東,陳建偉

        (天津鋼管集團股份有限公司,天津300301)

        1 引言

        由于世界石油供應(yīng)形勢日趨嚴(yán)峻,一些地質(zhì)和環(huán)境條件十分苛刻的油氣田相繼開發(fā),鉆井和完井新技術(shù)、新工藝陸續(xù)投入使用,從而導(dǎo)致油井管服役條件日益復(fù)雜和嚴(yán)酷。C110套管產(chǎn)品作為抗硫化氫系列管材,是API 5CT標(biāo)準(zhǔn)第九版新增的鋼級,為公司近年重點開發(fā)的抗腐蝕類套管產(chǎn)品,利潤較高,市場前景廣闊。由于產(chǎn)品理化性能要求嚴(yán)格,且要求逐支鋼管兩端做硬度試驗,因此工序復(fù)雜,生產(chǎn)難度較大,熱處理一次合格率較低(7#熱處理線生產(chǎn)初期熱處理一次合格率僅有88%左右),給合理安排生產(chǎn)及合同的順利執(zhí)行帶來極大的困難。因此提高熱處理一次性能合格率成為了進一步提升C110套管生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。

        2 C110鋼級套管產(chǎn)品分析

        C110鋼級套管產(chǎn)品要求包括:制造工藝及熱處理方式、矯直、化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度、淬透性、晶粒度、硫化氫應(yīng)力開裂試驗、生產(chǎn)制造中的控制要求等。其中與熱處理生產(chǎn)相關(guān)的要求主要包括以下幾點。

        2.1 力學(xué)性能

        API 5CT第九版標(biāo)準(zhǔn)[1]中以Rt0.7作為C110鋼級的屈服強度值,其要求為758~828 MPa,僅有70 MPa范圍;抗拉強度要求為≥793 MPa。由于國內(nèi)外眾多研究表明,屈服強度高極易導(dǎo)致抗硫鋼管的SSC試驗通過率過低[2],因此C110套管的公司內(nèi)控屈服強度上限已逐步壓低至800 MPa,42 MPa的屈服強度范圍也使C110套管成為力學(xué)性能要求最為嚴(yán)格的產(chǎn)品。

        此外,標(biāo)準(zhǔn)要求全尺寸沖擊功橫向≥20J,縱向≥41J,且按ASTM E23標(biāo)準(zhǔn)要求剪切面積≥75%。硬度逐支兩端取樣試驗,要求≤30HRC,硬度變化≤3.0HRC。

        2.2 淬透性

        標(biāo)準(zhǔn)要求C110套管的淬火態(tài)平均硬度值由下式確定,相對應(yīng)于95%馬氏體的最小硬度:

        HRCmin=59×(C%)+29

        從之前生產(chǎn)的TP110S鋼級套管的淬透性數(shù)據(jù)看,完全可以達到最小硬度要求,但鋼管的淬透性與產(chǎn)品的抗硫化氫性能密切相關(guān),因此實際生產(chǎn)中,對于淬火后鋼管的要求不能僅限于滿足最小硬度,同時也需要盡量得到均勻穩(wěn)定的淬火組織。

        2.3 矯直溫度

        標(biāo)準(zhǔn)要求C110套管矯直出口溫度不低于規(guī)定的最終回火溫度(649℃)165℃的條件下旋轉(zhuǎn)矯直,即矯直后溫度≥484℃。因為硫化氫對應(yīng)力作用非常敏感,只有有效地控制矯直溫度,才能有效減少殘余應(yīng)力,使得抗硫化氫性能得到保證。

        2.4 化學(xué)成分

        API 5CT標(biāo)準(zhǔn)中對于C110鋼級的成分(質(zhì)量百分比%)要求如表1所示:

        表1 C110化學(xué)成分要求(wt%)

        3 C110套管熱處理工藝研究

        3.1 目前使用的成分

        通過對之前生產(chǎn)TP110S鋼級套管產(chǎn)品的性能及所采用鋼種成分進行跟蹤驗證,技術(shù)中心人員在其基礎(chǔ)上對部分成分進行微調(diào),逐步淘汰了2014年使用的27CrMo27s及27CrMo27s/1鋼種,2015年后C110套管均采用了27CrMo47Vs的鋼種,其化學(xué)成分如表2所示:

        該鋼種對比原鋼種,Cr成分提升明顯(27CrMo27s鋼種要求Cr含量為0.45~0.60%,其AC3溫度為837℃左右,臨界冷卻速度為50~60℃/s),這極大地提高了淬透性,從而保證了回火后的性能穩(wěn)定。

        3.2 淬火加熱溫度的確定及改進

        圖1為27CrMo47Vs鋼種的CCT曲線,其AC3溫度為853℃左右,臨界冷卻速度為25~30℃/s。

        C110套管性能要求極為嚴(yán)格,為保證性能穩(wěn)定,采用一次細化晶粒預(yù)調(diào)質(zhì)處理,之后進行第二次調(diào)質(zhì)處理。細晶預(yù)處理的目的是使鋼管的晶粒及組織更加均勻,為之后的調(diào)質(zhì)處理打好基礎(chǔ),因此溫度的選擇要求并不嚴(yán)格,實際生產(chǎn)中,采用940℃淬火充分奧氏體化+650℃回火的工藝。

        圖1 27CrMo47Vs連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線

        C110套管熱處理工藝的選擇難點在于細晶預(yù)處理后的調(diào)質(zhì)處理工藝如何確定。通過對鋼種進行分析,結(jié)合7#熱處理線現(xiàn)場設(shè)備情況,生產(chǎn)初期,將200.03×10.92 mm規(guī)格的C110套管淬火溫度確定為900℃,使鋼管充分奧氏體化的前提下,既保證了淬火前鋼管實際溫度高于AC3溫度,又不至于奧氏體化溫度過高,增大晶粒長大傾向。高溫爐生產(chǎn)節(jié)拍為95秒(由于水淬火設(shè)備所限,95秒為最低節(jié)拍),鋼管到溫后的保溫時間為20分鐘左右。采用此工藝實際生產(chǎn)淬火后硬度(HRC)如表3所示:

        經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證,采用此淬火溫度,鋼管淬火后硬度雖然可以達到標(biāo)準(zhǔn)要求(44.9HRC),但噴淬尾端明顯硬度均勻性要差很多,且有兩個點明顯偏低,這樣的淬火性能勢必造成回火后鋼管兩端性能差異,對于性能要求嚴(yán)格的C110套管,這樣的差異是難以容忍的。且期間生產(chǎn)產(chǎn)品出現(xiàn)SSC試驗失敗的情況,經(jīng)分析與淬火不均勻有關(guān)。

        因此,提高淬火溫度成為淬火均勻性的有效手段,經(jīng)過考慮,將淬火溫度提高至920℃,并確定為C110套管的淬火溫度。采用此工藝淬火的鋼管,其兩端硬度值明顯均勻,數(shù)值如4所示:

        3.3 淬火參數(shù)的選擇

        從圖1曲線來看,27CrMo47Vs鋼種的臨界冷卻速度為25~30℃/s,淬透性較好,常規(guī)的淬火參數(shù)可保證達到完全淬透的要求,因此淬火參數(shù)的選擇應(yīng)更傾向于保證淬火后幾何尺寸及設(shè)備穩(wěn)定。

        表2 27CrMo47Vs化學(xué)成分,質(zhì)量百分比%

        表3 900℃淬火后硬度(HRC)

        表4 920℃淬火后硬度(HRC)

        經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)整,將內(nèi)外噴流量分別控制在800 m3/h及1 000 m3/h左右,可保證鋼管淬火后具有良好的幾何尺寸,經(jīng)過測量,冷卻速度可達到80~100℃/s,完全可滿足淬火要求。

        3.4 回火工藝的選擇

        為滿足C110套管的各項力學(xué)性能指標(biāo),不斷調(diào)整回火溫度和節(jié)拍,具體調(diào)整方案以及其主要力學(xué)性能參數(shù)如表5所示:

        表5 回火工藝調(diào)整及力學(xué)性能

        生產(chǎn)初期,采用728℃的回火溫度,配合高溫爐節(jié)拍,采用93秒的回火節(jié)拍,小批量生產(chǎn)后,結(jié)果屈服強度在 780~808 MPa,硬度普遍在 26~28.5HRC,屈服強度偏上限,但硬度過高,雖不至于超標(biāo)準(zhǔn)要求,但根據(jù)之前的研究,如此高的硬度下,SSC的合格率難以保證。為降低硬度,之后調(diào)整回火工藝,將高低溫爐節(jié)拍分別提高到115″、113″,試生產(chǎn)兩爐,屈服強度及硬度有所下降,但仍偏高(屈服強度 772~800 MPa;硬度 25.5~28.2HRC)。

        總結(jié)前面的生產(chǎn)經(jīng)驗,我們發(fā)現(xiàn),由于7#熱的探傷設(shè)備所限,探傷速度較慢,以200.03×10.92 mm規(guī)格為例,單支管探傷時間大概為90秒,加上探傷前后運送鋼管的時間,將超過100秒,加之四小時一次的校驗樣管時間及修磨鋸切的時間,平均下來,單支鋼管需要120秒以上,超過高低溫爐節(jié)拍,因此經(jīng)常造成整個生產(chǎn)線壓滿管,不得不暫停裝爐,為探傷留出時間,以致于破壞裝爐連續(xù)性,造成部分批次性能波動較大。為避免這種影響,加上之前生產(chǎn)屈服強度普遍偏高,決定調(diào)整工藝,將兩爐節(jié)拍增加到130″、128″,在之后的近三個月時間里,采用此工藝制度工生產(chǎn)47爐,全部為200.03×10.92 mm規(guī)格,屈服強度比較理想,大多在770~790 MPa范圍內(nèi),硬度大多低于28HRC。在此期間生產(chǎn)的產(chǎn)品,出現(xiàn)4爐SSC實驗失敗,其中一爐掛樣僅19小時即斷裂。

        為保證淬火均勻性而提高淬火加熱溫度后,回火溫度同樣也需要相對調(diào)整。淬火溫度提高到920℃,以保證淬火效果及合金元素的充分固溶,鑒于屈服強度偏低,將回火溫度降低2℃,調(diào)整到726℃,節(jié)拍仍然保持130″及128″。此后一個月內(nèi)共生產(chǎn)21爐,拉伸性能較為理想,普遍為770~790 MPa,穩(wěn)定性顯著提高,在此期間出現(xiàn)一爐SSC實驗失敗。

        夏季的時候,淬火水溫度及爐溫控制系統(tǒng)精度均有不同程度的波動,其中淬火水溫度提升尤其明顯,達到30℃左右,較之年初的22℃,對于鋼管淬火影響顯著。針對季節(jié)性的生產(chǎn)條件變化,工藝制度也應(yīng)作出相應(yīng)改變,將回火溫度降低到722℃,并且針對現(xiàn)場情況,制定出該產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化操作方法,嚴(yán)格控制設(shè)備參數(shù),穩(wěn)定爐壓、側(cè)墻溫度、水淬流量壓力等參數(shù),采用此工藝生產(chǎn)了將近2個月,結(jié)果比較理想,C110套管的月均合格率達到96%以上。

        3.5 硫化氫應(yīng)力腐蝕(SSC)試驗

        到目前為止,7#熱處理線生產(chǎn)的C110套管,共出現(xiàn)5爐SSC試驗失敗,具體明細如表6所示:

        表6 SSC試驗失敗明細

        5批SSC失敗批次從力學(xué)性能結(jié)果看,屈服、抗拉強度,硬度高低對比,并未發(fā)現(xiàn)絕對規(guī)律,而初步懷疑夾雜物對其影響較為明顯,待后續(xù)生產(chǎn)時進一步驗證。

        4 結(jié)論

        (1)對于27CrMo47Vs鋼種,為保證其性能穩(wěn)定性及SSC試驗的合格率,宜采用較高的淬火溫度。

        (2)增加回火保溫時間,有利于性能穩(wěn)定性的提高,并且能夠降低硬度,從而提高SSC合格率。

        (3)對于 7#熱處理線而言,920 ℃×130″水淬火+726℃×128″回火的熱處理制度較為成熟,成功地將C110套管熱處理一次性能合格率從生產(chǎn)之初的88%提高到96%以上,效果明顯。

        [1]套管和油管規(guī)范API SPEC 5CT(第九版)[S].2012.1.1

        [2]畢永德,許文妍,趙游云.抗硫化氫應(yīng)力腐蝕石油套管系列產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用[J].天津鋼管,2005,23-26.

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