CN104942535A - 一种极地钻机用水龙头壳体的制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极地钻机用水龙头壳体的制造工艺，制造工艺：（1）锻造：锻造经过镦粗、冲孔、扩孔、成形，保证锻造纤维流线；加热温度：1270-1310℃，始锻温度1100-1250℃，终端温度不低于850℃，锻后退火，其加热温度880±20℃，随炉冷却，出炉温度不高于300℃；（2）热处理：正火880-900℃空冷；淬火840-860℃，油冷或PAG淬火介质冷却；回火580±40℃空冷；亚温淬火790±10℃油冷或PAG淬火介质冷却；回火 520-600℃空冷；无损探伤：精加工后按尺寸加工成活，并进行超声波探伤和磁粉探伤，合格级别符合API Specification 8C规范。与现有技术相比，本发明制造出的水龙头壳体不但具有高强度以保证足够的安全系数，适应在极地（-60℃）而且满足足够的低温冲击韧性要求，以抗极地低温环境。
Description
技术领域
本发明属于石油钻机设备制造技术领域，具体涉及一种极地钻机用水龙头壳体的制造工艺。
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，其水龙头是主载荷路径上的关键部件，其作用是导入钻井液和承受起下钻柱和钻具的负荷，要求很高的可靠性。美国石油学会API Specification 8C规范和与其等效的中国国家标准GB/T19190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，而且主承载件的低温冲击功Akv（-20℃）≥42J ，极地环境温度在-45～-60℃，要求Akv（-60℃）≥27J。水龙头主要承载件有四个，分别是提环、提环销、中心管和壳体，前三项目前主要厂商皆为锻钢件，性能较容易满足相关规范要求，但只有壳体形状复杂，难于锻造而用铸钢件，但是铸钢件冲击韧性低、缺陷多、合格率低，成为低温水龙头的制造瓶颈。目前国内外用于制造水龙头壳体的方法有二种：一种是铸钢结构，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，低温水龙头Q345E，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和Q345E机械性能见表2和表3。
表1 ZG35CrMo机械性能
表2 Q345B的机械性能
表3 Q345E的机械性能
铸造结构的水龙头壳体有两个缺点：一是冲击功只能达到GB/T19190和API Spec Specification 8C规范要求的-45℃的冲击功，-60℃时的冲击功很难达到，而且性能稳定性差，合格率低；二是铸件造工艺产生缺陷的机率大，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。
焊接式的水龙头壳体主体纯粹是板材间的焊接，焊缝成为薄弱环节，热影响区和焊缝达不到和GB/T19190和API Spec Specification 8C规范要求的-60℃时的冲击力，因为板材较厚，操作空间小，内部焊接难度较大，焊缝的无损探伤因为壳体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，而且目前市场上供应的厚板材也只能保证-40℃时的冲击功。
发明内容
为解决上述缺陷，本发明的目的在于提供一种极地钻机用水龙头壳体的制造方法，通过选择常用的中碳低合金钢，经过锻造、加工和热处理及无损探伤，使其安全系数、机械性能、表面状态达到GB/T19190和API Spec Specification 8C规范的要求，满足极地钻机-60℃的服役环境。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种极地钻机用水龙头壳体的制造工艺，所述水龙头壳体包括壳体主体及分别设于所述壳体主体两端的两个耳板，关于所述水龙头壳体的制造工艺包括以下步骤：
1）成型工艺设计：通过工程机械设计软件，进行所述水龙头壳体的成型工艺设计，确定所述壳体主体和所述耳板的工艺尺寸；
2）选取材质：所述水龙头壳体选取中低碳合金钢35CrMoA作为材质并按尺寸比不小于3的原则下料，得到所述壳体主体对应的料块Ⅰ、所述耳板对应的料块Ⅱ及料块Ⅲ；
3）锻造：所述料块Ⅰ、所述料块Ⅱ及所述料块Ⅲ采用整体锻造，锻造前的加热温度为1270~1310℃，锻造时的初始温度为1100~1250℃，终锻温度不低于850℃，锻造比不小于3，分别得到锻造块Ⅰ、锻造块Ⅱ及锻造块Ⅲ，所述三个锻造块经过在加热温度880±20℃下退火，并随炉冷却，出炉时温度不高于300℃；
4）粗加工：所述锻造块Ⅰ经过镦粗、冲孔及扩孔，其中内孔留余量3-5mm，得到成形的粗壳体主体；所述锻造块Ⅱ及所述锻造块Ⅲ耳板经过热弯、正火后铣加工内外表面，销轴孔留余量3-5mm，得到两个粗耳板；
5）焊接：所述粗壳体主体与所述粗耳板经过预热后，将所述粗耳板分别焊接在所述粗壳体主体的两端，得到粗水龙头壳体，之后进行保温处理；
6）热处理：所述粗水龙头壳体在880~900℃温度下正火处理后空气冷却；然后用840-860℃温度淬火处理后油冷却或PAG淬火介质冷却；再用回火580±40℃温度后空气冷却；再用790±10℃温度亚温淬火处理，后油冷或PAG淬火介质冷却；最后在520-600℃温度回火后空气冷却；
7）表面处理：工件热处理后钢砂抛丸处理；
8）无损探伤：所述粗水龙头壳体按确定好的工艺尺寸精细加工得到水龙头壳体成品，并进行超声波探伤和磁粉探伤。
所述步骤3）中，锻造加热时采用天然气加热炉，装炉温度低于600℃，加热温度和时间保证锻件不产生过热、过烧和变形。
本发明的选材根据钻机的极地-60℃的服役环境和额定载荷大于2.25-3，水龙头壳体主体选择强韧性好、耐低温、无延迟裂纹倾向、高可靠性的合金钢锻件，强度满足GB/T19190和API Spec Specification 8C规范对安全系数的要求，材质选用石油机械行业应用非常成熟的的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，壳体主体经过超声波探伤和磁粉探伤。
表3.壳体机械性能
本发明在锻造加热时采用天然气加热炉，为了减少热应力，装炉温度低于600℃，加热温度和时间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，节省能源；选定加热温度比始锻温度高出100-140℃，初始锻造温度应高于该钢种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℃，根据铁-碳相图，选定1100-1250℃；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，经过一系列试验，选定终锻温度不低于850℃。
本发明中的锻造工序包括下料、镦粗、冲孔、扩孔和成形，主要设备使用的设备有五吨电液锤、三吨的操作机；锻后退火，其加热温度880±20℃，随炉冷却，出炉温度不高于300℃，锻后退火是为了消除锻造应力，细化组织，避免氢脆，调整硬度，便于后续加工 。
本发明在进行热处理工序时，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API Spec Specification 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。
本发明提供的制造方法，包括机加工后无损探伤，因为壳体属于关键件，探伤方法包括超声波探伤和磁粉探伤，合格判定标准依据中国国家标准GB/T19190和美国石油学会API Specification 8C规范。
本发明的有益效果是：壳体承载部分采用锻件设计，避免铸造结构和焊接结构经常出现的低温冲击功低带来的冷脆现象和无损探伤不合格的这一缺点，提高了可靠性；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；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；适用于极地环境（-60℃）下的石油钻机、修井机用水龙头，不但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
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的极地钻机用水龙头壳体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示的极地钻机用水龙头壳体，包括壳体主体1及分别设于所述壳体主体两端的两个耳板2、3，关于所述水龙头壳体的制造工艺包括以下步骤：
1）成型工艺设计：通过工程机械设计软件，进行所述水龙头壳体的成型工艺设计，确定所述壳体主体和所述耳板的工艺尺寸；
2）选取材质：所述水龙头壳体选取中低碳合金钢35CrMoA作为材质并按尺寸比不小于3的原则下料，得到所述壳体主体对应的料块Ⅰ、所述耳板对应的料块Ⅱ及料块Ⅲ；
3）锻造：所述料块Ⅰ、所述料块Ⅱ及所述料块Ⅲ采用整体锻造，锻造前的加热温度为1270~1310℃，锻造时的初始温度为1100~1250℃，终锻温度不低于850℃，锻造比不小于3，料块Ⅰ经镦粗得到锻造块Ⅰ，料块Ⅱ及料块Ⅲ经拍扁分别得到锻造块Ⅱ及锻造块Ⅲ，所述三个锻造块经过在加热温度880±20℃下退火，并随炉冷却，出炉时温度不高于300℃；
4）粗加工：所述锻造块Ⅰ经过冲孔及扩孔，其中内孔留余量3-5mm，得到成形的粗壳体主体；所述锻造块Ⅱ及所述锻造块Ⅲ耳板经过热弯、正火后铣加工内外表面，销轴孔留余量3-5mm，得到两个粗耳板；
5）焊接：所述粗壳体主体与所述粗耳板经过预热后，将所述粗耳板分别焊接在所述粗壳体主体的两端，得到粗水龙头壳体，之后进行保温处理；
6）热处理：所述粗水龙头壳体在880~900℃温度下正火处理后空气冷却；然后用840-860℃温度淬火处理后油冷却或PAG淬火介质冷却；再用回火580±40℃温度后空气冷却；再用790±10℃温度亚温淬火处理，后油冷或PAG淬火介质冷却；最后在520-600℃温度回火后空气冷却；
7）表面处理：工件热处理后钢砂抛丸处理；
8）无损探伤：所述粗水龙头壳体按确定好的工艺尺寸精细加工得到水龙头壳体成品，并进行超声波探伤和磁粉探伤。
实施例1：ZJ15极地钻机用水龙头壳体的设计与制造工艺。
1）设计说明：通过工程机械设计软件solidworks，进行所述水龙头壳体的成型工艺设计，确定所述壳体主体和所述耳板的工艺尺寸；具体的，额定载荷1100KN，最低服役温度-60℃，经设计计算，外形见图1，外径404mm，内径326mm，壳体销孔内径70mm， 安全系数3.20，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GB/T19190和API Spec Specification 8C规范进行磁粉探伤和超声波探伤。
2）下料：Ф250х649mm圆钢；按尺寸比不小于3的原则下料，壳体主体对应的料块Ⅰ、所述耳板对应的料块Ⅱ及料块Ⅲ。
3）锻造工艺：
设备：5吨锻锤，3吨操作机，天然气炉；
锻造加热时采用天然气加热炉，为了减少热应力，装炉温度低于600℃，加热温度和时间保证锻件不产生过热、过烧和变形，加热温度1300±10℃，始锻温度1120℃终锻温度860℃；料块Ⅰ经镦粗、冲孔、扩孔、成形，长度方向为主载荷方向，得到锻造块Ⅰ；料块Ⅱ及料块Ⅲ经拍扁分别得到锻造块Ⅱ及锻造块Ⅲ，三个锻造块锻后退火，加热温度880±10℃，随炉冷却，出炉温度不高于200℃。
4）粗加工：所述锻造块Ⅰ经过冲孔及扩孔，其中内孔留余量3mm，得到成形的粗壳体主体；所述锻造块Ⅱ及所述锻造块Ⅲ耳板经过热弯、正火后铣加工内外表面，销轴孔留余量3mm，得到两个粗耳板。
5）焊接：所述粗壳体主体与所述粗耳板经过预热后，将所述粗耳板分别焊接在所述粗壳体主体的两端，得到粗水龙头壳体，之后进行保温处理；
6）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。正火为 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
7）表面处理：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。
8）无损探伤：
按照图纸加工成活，并进行超声探伤和磁粉探伤，依据GB/T19190和API Spec Specification 8C规范进行评判，皆为合格。
经验证，本发明的设计和制造方法能够制造出适用极地环境（-60℃）下的 ZJ15石油钻机水龙头壳体。
以上所描述的仅为本发明的较佳实施例，上述具体实施例不是对本发明的限制，凡本领域的普通技术人员根据以上描述所做的润饰、修改或等同替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种极地钻机用水龙头壳体的制造工艺，其特征在于：所述水龙头壳体包括壳体主体及分别设于所述壳体主体两端的两个耳板，所述水龙头壳体的制造工艺包括以下步骤：
1）成型工艺设计：通过工程机械设计软件，进行所述水龙头壳体的成型工艺设计，确定所述壳体主体和所述耳板的工艺尺寸；
2）选取材质：所述水龙头壳体选取中低碳合金钢35CrMoA作为材质并按尺寸比不小于3的原则下料，得到所述壳体主体对应的料块Ⅰ、所述耳板对应的料块Ⅱ及料块Ⅲ；
3）锻造：所述料块Ⅰ、所述料块Ⅱ及所述料块Ⅲ采用整体锻造，锻造前的加热温度为1270~1310℃，锻造时的初始温度为1100~1250℃，终锻温度不低于850℃，锻造比不小于3，分别得到锻造块Ⅰ、锻造块Ⅱ及锻造块Ⅲ，所述三个锻造块经过在加热温度880±20℃下退火，并随炉冷却，出炉时温度不高于300℃；
4）粗加工：所述锻造块Ⅰ经过镦粗、冲孔及扩孔，其中内孔留余量3-5mm，得到成形的粗壳体主体；所述锻造块Ⅱ及所述锻造块Ⅲ耳板经过热弯、正火后铣加工内外表面，销轴孔留余量3-5mm，得到两个粗耳板；
5）焊接：所述粗壳体主体与所述粗耳板经过预热后，将所述粗耳板分别焊接在所述粗壳体主体的两端，得到粗水龙头壳体，之后进行保温处理；
6）热处理：所述粗水龙头壳体在880~900℃温度下正火处理后空气冷却；然后用840-860℃温度淬火处理后油冷却或PAG淬火介质冷却；再用回火580±40℃温度后空气冷却；再用790±10℃温度亚温淬火处理，后油冷或PAG淬火介质冷却；最后在520-600℃温度回火后空气冷却；
7）表面处理：工件热处理后钢砂抛丸处理；
8）无损探伤：所述粗水龙头壳体按确定好的工艺尺寸精细加工得到水龙头壳体成品，并进行超声波探伤和磁粉探伤。
2.如权利要求1所述的极地钻机用水龙头壳体的制造工艺，其特征在于：所述步骤3）中，锻造加热时采用天然气加热炉，装炉温度低于600℃，加热温度和时间保证锻件不产生过热、过烧和变形。
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