CN103978342B - 一种极地钻机用大钩钩体的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种极地钻机用大钩钩体的制造方法，采用设计和下料—锻造—粗加工—热处理—精加工工艺步骤，按照GB/T19190和API Spec 8C的要求加工而成，本发明加工出的锻件钩体采用整体锻造设计，采用常用材料35CrMoA及正火＋调质+亚温淬火工艺，保证了钩体的强度和极地低温环境（‑60℃）下的冲击功以及其他机械性能，本发明加工的大钩钩体适用于极地环境（‑60℃）下的石油钻机、修井机，安全系数有保障，具有足够的低温冲击韧性，以及抗极地低温环境的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种极地（低温-60℃）钻机用大钩钩体的制造方法，利用该方法制作的大钩用来提升井下钻柱、钻具和其它钻机装置和材料。
背景技术
北极地区的石油探明储量约占全球的1/4，随着世界能源需求持续增长，石油勘探、开发和采油生产不断向极地环境下转移。石油钻机作为必不可少的装备，要求能够在极地低温环境（-60℃）下服役，其大钩钩体是主载荷路径上的关键部件，其作用是承受起下钻柱和钻具的负荷，要求很高的可靠性。中国国家标准GB/T19190和美国石油学会APISpecification 8C规范都对其提出了很高的要求，不但要求强度高，足以保证安全系数在2.0～3.0之间，而且材料的低温冲击功Akv（-20℃）≥42J ，极地环境温度在-45～-60℃，附加要求Akv（-60℃）≥27J。
目前，国内外用于制造大钩钩体的方法有二种：一种是铸造式，材质为ZG35CrMo或类似钢种，中国机械工程学会铸造分会2002年9月编制的《铸造手册》，其显示的机械性能见表一，另一种为焊接式，材质为低合金高强度结构钢Q345B，中华人民共和国国家标准GB/T1591-2008《低合金高强度钢》中规定的Q345B机械性能见表2。
表1 ZG35CrMo机械性能
| 热处理工艺 | σs Mpa | σb Mpa | δ5 % | Ψ % | ak j.cm-2 |
| 正火+回火 | 390 | 585 | 12 | 20 | 30 |
| 调质 | 540 | 685 | 12 | 25 | 40 |
表2 Q345B的机械性能
铸造结构的钩体有两个缺点，一是冲击功只能达到GB/T19190和API 8C规范要求的-45℃，而-60℃时的冲击功几乎达不到,而且性能稳定性差；二是铸件本身出缺陷的机率大，磁粉探伤和超声波探伤经常不合格，废品率较高，一次合格率只有30-60%，可靠性差。
焊接式结构,焊缝成为薄弱环节，热影响区和焊缝达不到GB/T19190和API 8C规范要求的-60℃时的冲击功，因为板材较厚，焊接难度较大，焊缝的无损探伤因为形状和板材厚度也不好实施，焊接缺陷成为影响产品质量的主要因素，特别是受力最大的钩体和副钩之间的焊缝成为影响质量的最大隐患，而且目前市场上供应的厚板材也只能保证-40℃时的冲击功。
目前，还没见到有适用-60℃极地环境下的石油钻机钩体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何制作出适于极地（-60℃）钻机用的大钩钩体，使其达到GB/T19190和API Spec 8C中关于安全系数和低温（-60℃）冲击功的要求，满足极地钻机-60℃的服役环境。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种极地钻机用大钩钩体的制造方法，采用以下制作方法：
①.设计和下料：根据额定载荷、最低服役温度，通过有限元进行计算出板厚、钩体销孔内径、副钩方销孔尺寸、安全系数，选用中碳合金钢，根据GB/T19190和API Spec 8C规范设计下料；
②.锻造：采用仿形锻造，加热温度1270-1310℃，始锻温度1100-1250℃，终锻温度不低于850℃，锻后退火，其加热温度880±20℃，出炉温度不高于300℃；锻造比不小于3，仿形锻造成板状，厚度方向余量3-6mm，长度方向为钩体的主载荷方向。
③.粗加工：火焰切割钩体外形，副钩内孔留余量，厚度方向、圆孔不割，除了需加工内孔，其他成活，切口粗糙度不大于Ra50，割后打磨尖角、割瘤；
④.热处理：
正火 880-900℃，空冷；
淬火840-860℃，油冷或水基介质冷却；
回火580±20℃，空冷；
亚温淬火790±10℃，油冷或水基介质冷却；
回火520-600℃，空冷；
工件热处理后采用直径1-2mm钢砂抛丸；
机械性能测试符合GB/T19190和API Spec 8C 中对-60℃环境下对强度指标和低温冲击功的要求；
⑤.精加工，按尺寸加工成活，工序为钻连接销孔与锁紧臂孔，再镗连接销孔与锁紧臂孔，铣副钩方销孔，并进行无损探伤，包括超声波探伤和磁粉探伤。
本发明采用上述技术方案的有益效果为：
1.钩体采用整体锻造设计，避免铸造结构和焊接结构经常出现的低温冲击功和无损探伤不合格的这一缺点，提高了可靠性；
2.锻件采用常用材料35CrMoA及正火＋调质+亚温淬火工艺，保证了钩体的强度和极地低温环境（-60℃）下的冲击功以及其他机械性能；
3.采用常用钢种及较为简单的工艺路线：锻造-粗加工-热处理-机加工-无损探伤，经济简便；
4.适用于极地环境（-60℃）下的石油钻机、修井机的大钩，这类零件不但要有高强度以保证足够的安全系数，而且要求足够的低温冲击韧性，以抗极地低温环境。
附图说明
图1表示本发明制作的大钩钩体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种极地钻机用大钩钩体的制造方法作具体说明。
参见图1，本发明极地钻机用大钩钩体包括钩体3，钩体3上端设有挂钩销孔1，挂钩销孔1下端设副钩方销孔2，在钩体3的下部设有锁紧臂孔4锁紧臂孔4内的锁紧臂用于对所钩挂的绳索等进行锁紧，确保安全。
实施例1
本发明1:3000米极地钻机用大钩钩体的制造方法，采用以下制作方法：
①.设计下料说明：额定载荷2250KN，最低服役温度-60℃，经设计计算，外形见图1，板厚160mm，钩体销孔内径100mm，副钩方销孔100Χ180mm，安全系数2.80，材料35CrMoA,机械性能要求：σ0.2≥590MPa，σb≥780MPa，δ5≥15%，ψ≥30%，Akv（-20℃）≥42J， Akv（-60℃）≥27J，按照API Specification 8C 进行磁粉探伤和超声波探伤。
②.锻造工艺：下料，Ф500mm的35CrMoA圆钢，长度1000mm。采用油炉加热，装炉温度低于600℃，加热温度和时间既要保证锻件不产生过热、过烧，又要保证工件的变形能力及其生产效率，节约能源，选定加热温度比始锻温度高出100-140℃，加热温度1300±10℃。锻造比不小于3，仿形锻造成板状，厚度方向余量,3-6mm，长度方向为钩体的主载荷方向，采用8吨锻锤，5吨操作机，始锻温度应高于该钢种Ac3点，使锻造处于奥氏体状态，但低于该钢种的液相转变点200-250℃，始锻温度1120℃，终锻温度要保证工件在完成锻造工序之前仍有足够的变形能力并且在锻后获得再结晶组织，在随后的冷却过程中晶粒不致于粗大，降低冲击功，终锻温度860℃，仿形锻造成板状，长度方向为主载荷方向。锻后退火，加热温度880±10℃，随炉冷却，出炉温度不高于200℃。
③.粗加工：用数控火焰切割加工，副钩内孔留余量，厚度方向、圆孔不割，除了需加工内孔，其他成活，切口粗糙度不大于Ra25，割后打磨尖角、割瘤。
④.热处理：热处理正火、淬火采用台车电阻炉，回火采用旋风回火炉。正火880±10℃，空冷；调质淬火840±10℃，PAG淬火介质；回火580±20℃，空冷；亚温淬火790±10℃，PAG水基淬火介质；回火530±10℃，空冷。
热处理后机械性能测试结果如下：
σ0.2 600MPa，σb820MPa，δ518%，ψ40%，Akv（-20℃）48J，Akv（-60℃）31J。
为了去掉氧化皮和增加表面压应力，工件热处理后钢砂抛丸，钢砂直径1-2mm。
⑤.精加工：按照图纸加工成活，工序为钻连接销孔与锁紧臂孔，再镗连接销孔与锁紧臂孔，铣副钩方销孔，保证圆角和配合精度,其余加工到图纸尺寸，并进行超声探伤和磁粉探伤，依据API Spec 8C经行评判，皆为合格。
经验证，本实施例的设计和制造方法能够制造出适用极地环境（-60℃）下的3000米石油钻机大钩钩体。
实施例2
本发明2:2000米极地钻机用大钩钩体的制造方法，采用以下制作方法：
①.设计下料说明：额定载荷1350KN，最低服役温度-60℃，经设计计算，外形见图1，板厚140mm，钩体销孔内径90mm，副钩方销孔80Χ160mm，安全系数3.0，材料35CrMoA,机械性能要求：σ0.2≥590MPa，σb≥780MPa，δ5≥15%，ψ≥30%，Akv（-20℃）≥42J， Akv（-60℃）≥27J，按照API Specification 8C 进行磁粉探伤和超声波探伤。
②.锻造工艺：下料，Ф450mm的35CrMoA圆钢，长度985mm。采用油炉加热，装炉温度低于600℃，加热温度和时间既要保证锻件不产生过热、过烧，又要保证工件的变形能力及其生产效率，节约能源，选定加热温度比始锻温度高出100-140℃，加热温度1300±10℃。锻造比不小于3，仿形锻造成板状，厚度方向余量,3-6mm，长度方向为钩体的主载荷方向，采用8吨锻锤，5吨操作机，始锻温度应高于该钢种Ac3点，使锻造处于奥氏体状态，但低于该钢种的液相转变点200-250℃，始锻温度1120℃，终锻温度要保证工件在完成锻造工序之前仍有足够的变形能力并且在锻后获得再结晶组织，在随后的冷却过程中晶粒不致于粗大，降低冲击功，终锻温度860℃，锻造成初步形状，长度方向为主载荷方向。锻后退火，加热温度880±10℃，随炉冷却，出炉温度不高于200℃。
③.粗加工：用数控火焰切割加工，副钩内孔留余量，厚度方向、圆孔不割，除了需加工内孔，其他成活，切口粗糙度不大于Ra25，割后打磨尖角、割瘤。
④.热处理：热处理正火、淬火采用台车电阻炉，回火采用旋风回火炉。正火880±10℃，空冷；调质淬火840±10℃，油冷；回火580±20℃，空冷；亚温淬火790±10℃，PAG淬火介质；回火530±10℃，空冷。
热处理后机械性能测试结果如下：
σ0.2 617MPa，σb810MPa，δ519%，ψ40%，Akv（-20℃）46J，Akv（-60℃）32J。
为了去掉氧化皮和增加表面压应力，工件热处理后钢砂抛丸，钢砂直径1-2mm
⑤.精加工：按照图纸加工成活，工序为钻、镗、连接销、锁紧臂孔，铣副钩方销孔，保证圆角和配合精度,其余加工到图纸尺寸，并进行超声探伤和磁粉探伤，依据API Spec8C进行评判，皆为合格。
经验证，本实施例的设计和制造方法能够制造出适用极地环境（-60℃）下的2000m石油钻机的大钩钩体。
本发明热处理工序中，在35CrMoA钢奥氏体相变结束点Ac3是800℃，正火温度Ac3+60-100℃，淬火温度Ac3+30-50℃，温度偏低合金元素不能充分固溶和奥氏体化，温度偏高，脱碳氧化严重，晶粒粗大，因为该钢种含Mo,其碳化物难溶，因此正火温度和淬火温度可以取上限。亚温淬火又称两相区淬火，淬成马氏体的钢中存在少量细小铁素体，使得在获得高强度的同时，提高塑性和韧性，亚温淬火温度应略低于Ac3。热处理时带随炉试棒，按APISpec 8C 规范取样，机械性能达到表3所示数值，热处理后钢砂抛丸。
本发明一种极地钻机用大钩钩体的制造方法设计依据如下：
根据钻机的极地-60℃的服役环境和额定载荷大小，满足GB/T19190和API Spec8C规范对安全系数的要求，钩体设计为锻件，板状结构，钩体上部与钩杆用销轴连接，下部装锁紧臂，钩体上装付钩，为了满足付钩与吊环的连接尺寸符合GB/T19190和API Spec 8C规范，付钩截面采用矩形，锻造成形，副钩穿入钩体；钩体材质选用石油机械常用的35CrMoA，便于采购，热处理后机械性能见表3，设计经过有限元计算校核强度，钩体成品经过超声波探伤和磁粉探伤。
表3.钩体机械性能
Claims (1)
1.一种极地钻机用大钩钩体的制造方法，其特征是采用以下制作方法：
①.设计和下料：根据额定载荷、最低服役温度，通过有限元进行计算出板厚、钩体销孔内径、副钩方销孔尺寸、安全系数，选用中碳合金钢，根据GB/T19190和API Spec 8C规范设计下料；
②.锻造：采用仿形锻造，加热温度1270-1310℃，始锻温度1100-1250℃，终锻温度不低于850℃，锻后退火，其加热温度880±20℃，出炉温度不高于300℃；锻造比不小于3，仿形锻造成板状，厚度方向余量3-6mm，长度方向为钩体的主载荷方向；
③.粗加工：火焰切割钩体外形，副钩内孔留余量，厚度方向、圆孔不割，除了需加工内孔，其他成活，切口粗糙度不大于Ra50，割后打磨尖角、割瘤；
④.热处理：
正火 880-900℃，空冷；
淬火840-860℃，油冷或水基介质冷却；
回火580±20℃，空冷；
亚温淬火790±10℃，油冷或水基介质冷却；
回火520-600℃，空冷；
工件热处理后采用直径1-2mm钢砂抛丸；
机械性能测试符合GB/T19190和API Spec 8C 中对-60℃环境下对强度指标和低温冲击功的要求；
⑤.精加工，按尺寸加工成活，工序为钻连接销孔与锁紧臂孔，再镗连接销孔与锁紧臂孔，铣副钩方销孔，并进行无损探伤，包括超声波探伤和磁粉探伤。
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