高壓歧管分模面裂紋分析及其工藝改進

■ 石蕓，馮玲

高壓歧管是一種三端帶有特殊連接形式的整體接頭，廣泛應用于石油鉆采、固井壓裂、測試作業。在服役過程中會承受高達100MPa以上的壓力，而在高速運動砂粒的沖刷、酸化液的腐蝕，以及連接部位的轉折引起的應力作用等復雜工況下，極其微小的缺陷都有可能引發刺穿和破裂，使管內高壓流體外泄。因此，高壓歧管必須經過嚴格的無損檢測，確保產品的高可靠性。圖1為歧管實體，圖2為結構示意。

在工廠高壓歧管早期生產過程中，特別是在鍛造、熱處理后磁粉檢測時，多批次發現歧管沿分模面出現裂紋，如圖3所示。針對此類問題，我們從原材料、鍛造、熱處理、機加工、檢測等各個方面進行了全面分析。通過取樣、跟蹤產品加工、試驗各個流程，得到了相應的改進措施，并使其在生產中得到了有效的應用。

1.歧管接頭工藝路線

該零件材料為42CrMo，技術要求：調質硬度27～31HRC。歧管加工工藝路線：原材料→超聲波檢測→鍛造→磁粉檢測→正火→粗車→調質→精加工→磁粉檢測→成品。

2.取樣分析

裂紋均出現在分模面處，鍛造和熱切邊后無損檢測均未發現裂紋，而在調質后肉眼發現沿分模面有貫通性裂紋。經取樣發現，裂紋深度5～8mm，呈喇叭形，由粗漸細向深處擴展，裂紋較直，顯微鏡下觀察，發現裂紋兩側組織與基體組織一致，基體組織為回火索氏體+少量游離的鐵素體，裂紋兩側無脫碳現象發生，裂紋多為穿晶開裂。

3.原因分析與討論

（1）分模面是開式熱模鍛成形時多余金屬流出形成飛邊的中心面，金屬與鍛模型腔由于在接觸面上阻礙相對移動的外摩擦，以及晶界和晶內滑移的內摩擦，導致表面和心部金屬流動速率不同，勢必形成匯集于分模面的流動分界面，而這種層狀結構的抗撕裂能力通常是很低的。

圖1 歧管實體

圖2 歧管結構

圖3

（2）終鍛溫度太低，造成飛邊處存在過大的鍛造內應力。

（3）切去飛邊后在分模面上出現大量的纖維露頭，從微觀上看，每一個纖維露頭都是一個顯微缺陷，是一個應力集中點，很容易連貫成為大裂紋。

（4）切邊帶的高度尺寸較大、切邊凹模的刃口較鈍、凸模與凹模之問的間隙較大時，在切邊模的巨大剪切力作用下切邊帶的表面及附近便產生較大的應力，這些應力會使金屬比較薄弱的地方產生微觀裂紋。切去飛翅需要較大的剪切力，這些外力作用于切邊帶上便會使中心線及附近位置夾雜物集中的地方產生微裂紋。

（5）在調質過程中產生很大的組織應力與熱應力的共同作用下，原來的微觀裂紋迅速擴展成肉眼可見的宏觀裂紋。

4.改進措施

（1）鍛造工藝 提高鍛造工藝水平，下料制坯盡量精確，減少鍛造飛邊量。鍛件盡可能采用大一些的圓角設計，并適當增加制坯工步。在減小飛邊量和增加變形速度的前提下，模具橋口設計適當取下限。另外，應適當提高終鍛溫度及切邊溫度。

（2）熱處理工藝 當不改變鍛造工藝時，采用鍛造成形后不切邊，帶飛邊淬火，由于沒有纖維露頭和顯露的缺陷，分模面得到加強和保護，避免了裂紋產生。待熱處理完畢后銑去飛邊。適當提高正火溫度和回火溫度，將淬火溫度降至下限，能使分模面裂紋減少60%。

20150206