4330V鋼頂驅(qū)旋塞熱處理工藝探討

孟祥冰，劉道喜，趙麗

山東思科工業(yè)介質(zhì)有限公司 山東德州 253000

1 序言

頂驅(qū)旋塞閥用于頂驅(qū)鉆井裝置，可分為頂驅(qū)上旋塞閥和頂驅(qū)下旋塞閥兩種，它們是與頂驅(qū)系統(tǒng)配套使用的一種控制閥。通常情況下兩個閥串接于頂部驅(qū)動鉆井裝置上，該閥可承受來自上下兩方向的高壓，其工作壓力可達10000～15000psi（1psi＝0.006895MPa）。

閥體材質(zhì)采用AISI 4330V（以下簡稱4330V鋼），它是一種美國標準低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，相當(dāng)于國內(nèi)牌號30CrNi2MoVA，化學(xué)成分見表1。與其他鋼種相比，4330V鋼經(jīng)過熱處理后可獲得更高的屈服強度和沖擊性能，且具有淬透性好、淬火變形小、機械加工性能好等優(yōu)點。因此，近些年在大規(guī)格、復(fù)雜地質(zhì)條件的鉆井中，越來越多地選用這種低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼制作頂驅(qū)接頭。

表1 4330V鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

2 原熱處理工藝

閥體需適應(yīng)低溫工作環(huán)境，主要承受大扭矩沖擊載荷。API spec7規(guī)范要求頂驅(qū)旋塞閥閥體－20℃低溫沖擊吸收能量平均值KV≥42J，單個KV≥32J（試件取自閥體最后截面1/2壁厚處）[1]。普通調(diào)質(zhì)鋼采用油淬調(diào)質(zhì)工藝，很難滿足API spec7規(guī)范對頂驅(qū)旋塞閥閥體－20℃低溫沖擊吸收能量的要求，而AISI 4330V鋼（國內(nèi)對應(yīng)牌號30CrNi2MoVA）能夠滿足。

某油田對頂驅(qū)旋塞提出的力學(xué)性能要求見表2，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表2 頂驅(qū)旋塞的力學(xué)性能要求

圖1 頂驅(qū)旋塞結(jié)構(gòu)

頂驅(qū)旋塞通常熱處理工藝如下。

（1）正火 920℃保溫220min，空冷。目的是為了細化晶粒，消除帶狀組織，調(diào)整硬度，便于后續(xù)機械加工。

（2）調(diào)質(zhì) 調(diào)質(zhì)工藝在可控氣氛箱式多用爐內(nèi)完成。此材質(zhì)淬透性較好，除大壁厚工件外常用調(diào)質(zhì)工藝為油淬+回火空冷，淬火冷卻介質(zhì)為快速光亮淬火油，淬火后及時回火。淬火工藝：860℃保溫180min，油冷25min；回火工藝：（630±20）℃保溫210min，空冷。

調(diào)質(zhì)后，－20℃沖擊吸收能量略低，不符合要求，其他主要力學(xué)性能合格。

熱處理工藝如圖2所示。

圖2 4330V鋼頂驅(qū)旋塞原熱處理工藝

3 熱處理工藝改進

由于4330V鋼屬于剛被廣泛應(yīng)用的新型材料，故關(guān)于其熱處理工藝的介紹很少。為此，結(jié)合相關(guān)資料和生產(chǎn)條件，我們對其正火和調(diào)質(zhì)淬火工藝進行了試驗。

試驗用原材料為東北特鋼生產(chǎn)的4330V圓鋼，規(guī)格φ210mm，其化學(xué)成分見表3。

表3 試驗用4330V鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

經(jīng)多次試驗，工藝改進如下。

（1）正火 采用870～890℃加熱，出爐后強制風(fēng)冷。其目的是均勻組織，細化奧氏體晶粒。

（2）調(diào)質(zhì) 4330V鋼的淬火溫度范圍較大，有關(guān)資料表明，在830～900℃淬火均可。根據(jù)工件有效厚度，通過幾次對比試驗，最后確定溫度為870～890℃，保溫4～5h。

因4330V鋼的wC僅為0.31%，所以冷卻時需要快速冷卻，但用水冷卻易產(chǎn)生淬火裂紋，用油冷卻無法獲得理想的心部硬度。因此，調(diào)整sencro-P75水溶性淬火液的濃度至6%，并對淬火槽的攪拌設(shè)備進行改造，配置了一組電動機功率為5.5kW、攪拌器轉(zhuǎn)速為720r/min的淬火攪拌設(shè)備，進行循環(huán)、攪拌，快速將工件冷卻到40℃以下，最終保證淬火工件表面硬度與心部硬度相差不大，即兩處組織基本相同，從而使工件的各項力學(xué)性能達到技術(shù)要求。其中濃度6%的sencro-P75水溶性淬火液檢測數(shù)據(jù)及冷卻性能曲線如圖3所示[2]。

圖3 濃度6%sencro-P75淬火液冷卻性能曲線

水溶性淬火液檢測參數(shù)：介質(zhì)溫度30℃，環(huán)境溫度32℃，Vmax＝194℃/s，V300＝67℃/s，TVmax＝698℃，t200＝6.8s。

（3）回火 淬火后及時回火。據(jù)相關(guān)資料介紹，4330V鋼淬火后560℃回火強度最高，沖擊吸收能量最低；而在600～620℃回火時，能獲得最佳的強度、韌性匹配。經(jīng)過多次試驗，最終確定回火溫度為595℃、回火時間6～8h、出爐后水冷的熱處理工藝，以得到均勻細小的回火索氏體+鐵素體+碳化物的金相組織，使產(chǎn)品具有高強度和良好的韌性，滿足產(chǎn)品在惡劣地質(zhì)條件下工作的嚴苛要求。

改進后熱處理工藝如圖4所示。

圖4 4330V鋼頂驅(qū)旋塞改進熱處理工藝

4 工藝改進后效果

頂驅(qū)旋塞力學(xué)性能檢測結(jié)果見表4。

表4 頂驅(qū)旋塞力學(xué)性能檢測結(jié)果

由表4可知，三組檢測的各項力學(xué)性能指標均符合要求。

5 結(jié)束語

1）通過4330V鋼頂驅(qū)旋塞熱處理工藝改進，采用870～890℃正火+870～890℃淬火（保溫4～5h）+595℃回火（6～8h），可使工件滿足API spec7規(guī)范對頂驅(qū)旋塞閥閥體的力學(xué)性能要求。

2）據(jù)相關(guān)資料介紹，工件通過鍛造比＞4:1的鍛打，可打碎粗大的奧氏體晶粒，從而確保結(jié)構(gòu)緊密，夾雜物彌散分布，消除帶狀組織，減輕各向異性。通過650℃回火+正火可以均勻組織，細化奧氏體晶粒。此次試驗材料為鍛材，今后我們會進一步試驗，以探索更好的4330V鋼熱處理工藝，從而提高產(chǎn)品性能與質(zhì)量。