CN106801212B - 一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺 - Google Patents

一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺 Download PDF

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Abstract

一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，包括如下步骤：S1、粗加工：将制备为高压管汇的毛坯先经打磨后作为工件备用；S2、渗碳处理；S3、等温淬火处理；S4、二次淬火、回火处理。其优点是：1、制备的高压管汇弹导表面以及内表面构成下贝氏体+马氏体的混合组织，且硬度为HRC48～HRC52，降低裂纹扩散速度，提高材料断裂韧度，延长高压管汇使用寿命；2、高压管汇上未渗透碳部分在盐溶淬火后空冷的步骤，使得高压管汇上未渗透碳部分具有少量马氏体与参与奥氏体及珠光体，保持心部材料良好的机械性能，且硬度为HRC28～HRC32；3、本发明中毛坯采用15CrNiMo、20CrNiMo、或美标AISI、SAE4715作为原材料，改善了现有高压管汇存在的耐磨性不足使用寿命短的缺点。

Description

一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺
技术领域
本发明涉及压裂管汇的加工处理工艺，具体地说是一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺。
背景技术
高压管汇，是将各种高压流体控制元件进行组合，从而组装出各种功能和用途的管汇装置，如钻井液管汇、固井管汇、压裂管汇等。
高压管汇主要用于油田固井、压裂、酸化测试等施工作业用的管线上，尤其以压裂管汇承受的高压达到140MPa。由于压裂管汇承受较高的冲击压力和交变载荷、输送各种带固相的腐蚀性液体，其工作环境十分恶劣，管壁腐蚀严重，加之材料不可避免地存在一些微观缺陷，在高压下极易发生爆裂，导致压裂液泄漏喷射，危及人身和设备安全，带来很大的事故隐患。
再者，随着石油及页岩气的开采进一步向纵深方向发展，对管汇的压力等级要求也越来越高。据不完全统计，2014～2015年，管汇件在各大油田压裂施工作业中出现活动接头、歧管头、由壬、短接、三通、四通、旋塞阀以及整体接头刺穿、爆裂的质量问题高达三十多次。失效原因主要是材料经一般热处理后，综合机械性不能满足使用要求，并且材料纯净度差，产品的耐磨性和冲击韧性不足。且据现场技术分析，高压管汇元件工作时由于承受高压载荷，厚度磨损较大，随着使用年限的增长，容易发生疲劳断裂。与国外同类产品相比，国内高压管汇产品硬度偏低、耐磨性较差、使用寿命较短。
发明内容
为了解决上述技术缺陷，本发明研究使得制备的高压管汇强度高、综合机械性能良好，寿命长的一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺。
一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，包括如下步骤：
S1、粗加工：将制备为高压管汇的毛坯先经打磨后作为工件备用；
S2、渗碳处理：将步骤S1获得的工件除弹导表面以及内壁表面以外的部位涂上防渗涂层后，将工件装炉，再以100～150℃/h的速度将炉内温度加热至850～930℃渗碳，强渗碳势为0.9～1.1％，强渗时间为10～12h；然后转扩散，扩散碳势0.65～0.85％，时间3～5h；在渗碳炉中冷却至750～830℃，再在600～650℃条件下转入另一含氮气的炉中自然冷却，使工件处于回火状态；
S3、等温淬火处理：将步骤S2获得的工件以每小时150～200℃的速率加热，当温度升至700～820℃时保温0.2～0.5h，再将工件置于等温硝盐炉中，在270℃-300℃条件下等温淬火处理80～120min；
S4、二次淬火、回火处理：将步骤S3获得的工件从炉中取出置入常温水中冷却3min-5min，再取出置入230℃-250℃的炉中进行回火处理后即获得高压管汇。
一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，其优点是：
1、本发明制备的高压管汇弹导表面以及内表面构成下贝氏体+马氏体的混合组织，且硬度为HRC48～HRC52，降低裂纹扩散速度，提高材料断裂韧度，延长高压管汇使用寿命；
2、高压管汇上未渗透碳部分在盐溶淬火后空冷的步骤，使得高压管汇上未渗透碳部分具有少量马氏体与参与奥氏体及珠光体，保持了心部材料良好的机械性能，且硬度为HRC28～HRC32；
3、本发明中毛坯采用15CrNiMo、20CrNiMo、或美标AISI、SAE4715作为原材料，改善了现有高压管汇存在的耐磨性不足、使用寿命短的缺点。
附图说明
图1为400倍下的淬硬区金相组织图；
图2为200倍下的过渡区金相组织图；
图3为400倍下的心部金相组织图。
具体实施方式
一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，包括如下步骤：
S1、粗加工：将制备为高压管汇的毛坯先经打磨后作为工件备用；
优选地，步骤S1中，所选用毛坯的原材料为15CrNiMo、20CrNiMo、或美标AISI、SAE4715；
S2、渗碳处理：将步骤S1获得的工件除弹导表面以及内壁表面以外的部位涂上防渗涂层后，将工件装炉，再以100～150℃/h的速度将炉内温度加热至850～930℃渗碳，强渗碳势为0.9～1.1％，强渗时间为10～12h；然后转扩散，扩散碳势0.65～0.85％，时间3～5h；在渗碳炉中冷却至750～830℃，再在600～650℃条件下转入另一含氮气的炉中自然冷却，使工件处于回火状态；
优选地，步骤S2中，装炉温度为600～650℃；
优选地，步骤S2中，渗碳层厚度为1.7～2.2mm，表层含碳质量分数为0.7～0.75％，从表层至工件2mm处含碳质量分数为0.4～0.55％；
S3、等温淬火处理：将步骤S2获得的工件以150～200℃/h的速率加热，当温度升至700～820℃时保温0.2～0.5h，再将工件置于等温硝盐炉中，在270～300℃条件下等温淬火处理80～120min；
优选地，步骤S3中，在氮气炉中加热，防止工件氧化；
优选地，步骤S3中，等温硝盐炉中所使用介质为含55％NaNO2和45％KNO3的混合物；
S4、二次淬火、回火处理：将步骤S3获得的工件从炉中取出置入常温水中冷却3～5min，再取出置入230～250℃的炉中进行回火处理后即获得高压管汇。
以下就具体实施例对本发明做进一步说明
实施例一：
一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，包括如下步骤：
S1、粗加工：将制备为高压管汇的由15CrNiMo构成的毛坯先经粗加工作为工件备用；
S2、渗碳处理：将步骤S1获得的工件除弹导表面以及内壁表面以外的部位涂上防渗涂层后，将工件装炉，且装炉温度为640℃，再以150℃/h的速度将炉内温度加热至920℃渗碳，强渗碳势为0.9％，强渗时间为12h；然后转扩散，扩散碳势0.65％，时间3h；在渗碳炉中冷却至750℃，再在625℃条件下转入另一含氮气的炉中自然冷却至使工件处于正火和回火之间的冷却状态，使得渗碳层厚度为1.7mm，表层含碳质量分数量为0.7％，从表层至工件2mm处含碳质量分数为0.55％；
S3、等温淬火处理：将步骤S2获得的工件以200℃/h的速率在氮气炉中加热，防止工件氧化，当温度升至700℃时保温0.5h，再将工件置于等温硝盐炉中加热至，取出置入含55％NaNO2和45％KNO3介质的等温炉中，在290℃条件下等温淬火处理120min；
S4、二次淬火、回火处理：将步骤S3获得的工件从炉中取出置入常温水中冷却3min，再取出置入250℃的炉中进行回火处理后即获得高压管汇。
实施例二：
一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，包括如下步骤：
S1、粗加工：将制备为高压管汇的由20CrNiMo构成的毛坯先经粗加工后作为工件备用；
S2、渗碳处理：将步骤S1获得的工件除弹导表面以及内壁表面以外的部位涂上防渗涂层后，将工件装炉，且装炉温度为600℃，再以120℃/h的速度将炉内温度加热至930℃渗碳，强渗碳势为1.1％，强渗时间为10h；然后转扩散，扩散碳势0.8％，时间4.5h；在渗碳炉中冷却至780℃，再在600℃条件下转入另一含氮气的炉中自然冷却至使工件处于正火和回火之间的冷却状态，使得渗碳层厚度为2.2mm，表层含碳质量分数量为0.73％，从表层至工件2mm处含碳质量分数为0.5％；
S3、等温淬火处理：将步骤S2获得的工件以180℃/h的速率在氮气炉中加热，防止工件氧化，当温度升至780℃时保温0.3h，再将工件置于等温硝盐炉中加热至，取出置入含55％NaNO2和45％KNO3介质的等温硝盐炉中，在300℃条件下等温淬火处理80min；
S4、二次淬火、回火处理：将步骤S3获得的工件从炉中取出置入常温水中冷却5min，再取出置入240℃的炉中进行回火处理后即获得高压管汇。
实施例三：
一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，包括如下步骤：
S1、粗加工：将制备为高压管汇的由SAE4715构成的毛坯先经打粗加工作为工件备用；
S2、渗碳处理：将步骤S1获得的工件除弹导表面以及内壁表面以外的部位涂上防渗涂层后，将工件装炉，且装炉温度为630℃，再以130℃/h的速度将炉内温度加热至850℃渗碳，强渗碳势为1％，强渗时间为11h；然后转扩散，扩散碳势0.7％，时间4h；在渗碳炉中冷却至830℃，再在610℃条件下转入另一含氮气的炉中自然冷却，使工件处于回火的冷却状态，使得渗碳层厚度为2.1mm，表层含碳质量分数量为0.75％，从表层至工件2mm处含碳质量分数为0.4％；
S3、等温淬火处理：将步骤S2获得的工件以175℃/h的速率在氮气炉中加热，防止工件氧化，当温度升至820℃时保温0.2h，取出置入含55％NaNO2和45％KNO3介质的等温硝盐炉中，在280℃条件下等温淬火处理100min；
S4、二次淬火、回火处理：将步骤S3获得的工件从炉中取出置入常温水中冷却5min，再取出置入240℃的炉中进行回火处理后即获得高压管汇。
实施例四：
一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，包括如下步骤：
S1、粗加工：将制备为高压管汇的由美标AISI构成的毛坯先经粗加工后作为工件备用；
S2、渗碳处理：将步骤S1获得的工件除弹导表面以及内壁表面以外的部位涂上防渗涂层后，将工件装炉，且装炉温度为620℃，再以100℃/h的速度将炉内温度加热至880℃渗碳，强渗碳势为1％，强渗时间为11h；然后转扩散，扩散碳势0.85％，时间5h；在渗碳炉中冷却至800℃，再在650℃条件下转入另一含氮气的炉中自然冷却至使工件处于正火和回火之间的冷却状态，使得渗碳层厚度为1.9mm，表层含碳质量分数量为0.72％，从表层至工件2mm处含碳质量分数为0.45％；
S3、等温淬火处理：将步骤S2获得的工件以150℃/h的速率在氮气炉中加热，防止工件氧化，当温度升至750℃时保温0.4h，再将工件置于等温硝盐炉中加热至，取出置入含55％NaNO2和45％KNO3介质的等温硝盐炉中，在270℃条件下等温淬火处理120min；
S4、二次淬火、回火处理：将步骤S3获得的工件从炉中取出置入常温水中冷却4min，再取出置入240℃的炉中进行回火处理后即获得高压管汇。
如图1～3所示为实施例1至4制备的高压管汇的弹导表面的金相组织，其中，图1为400倍下的淬硬区金相组织图、图2为200倍下的过渡区金相组织图、图3为400倍下的心部金相组织图，使得采用本发明方法制备的高压管汇硬度为HRC48～HRC52，且心部组织的硬度为HRC28～HRC32。

Claims (6)

1.一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，其特征在于：包括如下步骤：
S1、粗加工：将制备为高压管汇的毛坯先经粗加工作为工件备用；
S2、渗碳处理：将步骤S1获得的工件除弹导表面以及内壁表面以外的部位涂上防渗涂层后，将工件装炉，再以100～150℃/h的速度将炉内温度加热至850～930℃渗碳，强渗碳势为0.9～1.1％，强渗时间为10～12h；然后转扩散，扩散碳势0.65～0.85％，时间3～5h；在渗碳炉中冷却至750～830℃，再在600～650℃条件下转入另一含氮气的炉中自然冷却，使工件处于回火状态；
S3、等温淬火处理：将步骤S2获得的工件以每小时150～200℃的速率加热，当温度升至700～820℃时保温0.2～0.5h，再将工件置于等温硝盐炉中，在270℃-300℃条件下等温淬火处理80～120min；
S4、二次淬火、回火处理：将步骤S3获得的工件从炉中取出置入常温水中冷却3min-5min，再取出置入230～250℃的炉中进行回火处理后即获得高压管汇。
2.根据权利要求1所述一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，其特征在于：优选地，步骤S1中，所选用毛坯的原材料为15CrNiMo、20CrNiMo、或美标AISI、SAE4715。
3.根据权利要求1所述一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，其特征在于：步骤S2中，装炉温度为600～650℃。
4.根据权利要求1所述一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，其特征在于：步骤S2中，渗碳层厚度为1.7～2.2mm，表层含碳质量分数为0.7～0.75％，从表层至工件2mm处含碳质量分数为0.4～0.55％。
5.根据权利要求1所述一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，其特征在于：步骤S3中，在氮气炉中加热。
6.根据权利要求1所述一种用于延长高压管汇寿命的热处理工艺，其特征在于：步骤S3中，等温硝盐炉中所使用介质为含55％NaNO2和45％KNO3的混合物。
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