CN108655665A - 一种-60℃极地钻机用游车大钩整体锻造钩筒的制造方法 - Google Patents

一种-60℃极地钻机用游车大钩整体锻造钩筒的制造方法 Download PDF

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李书旭
赵旭平
张正芳
程传静
轩少华
刘洪泽
赵志周
程静远
刘亚许
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B19/00—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables
    • E21B19/02—Rod or cable suspensions
    • E21B19/04—Hooks

Abstract

本发明提供了一种‑60℃极地钻机用游车大钩整体锻造钩筒及其制造方法：锻造钩筒，上部为四方体，四方体上设有销孔，下部为圆柱体，圆柱体上设有垫板及销孔，中间圆锥过渡，内部为阶梯通孔，制造方法包括：（1）锻造：毛坯预先经过镦粗和拔长，然后在模具内镦粗、冲孔，穿芯轴在V型砧内拔长，在平砧上锻成四方体，最后在模具内校正成形。（2）热处理：锻后正火，粗加工后正常调质，然后亚温淬火+高温回火。与现有技术相比，本发明制造的钩筒缺陷少、低温韧性好、无损探伤合格率高、体积质量小、生产效率高，同时与原铸造结构具有互换性，质量等级符合美国石油学会API Spec 8C规范的PSL2级，满足‑60℃极地环境的使用要求。

Description

一种-60℃极地钻机用游车大钩整体锻造钩筒的制造方法
技术领域
本发明涉及石油钻机制造领域，具体涉及一种用于提升井下钻柱、钻具、水龙头等的游车大钩零部件设计和制造。
背景技术
游车大钩是钻机主载荷路径上的关键部件，其作用是悬挂水龙头、提升钻柱和钻具、起升井架和底座。游车大钩制造标准执行美国石油学会API Spec 8C规范，此规范对提升系统提出了很高的要求，不但要求强度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。游车大钩上的关键零件钩筒更是承受着全部工作载荷。钩筒因为形状特殊、壁厚较大，按现有结构锻造难度很大。目前国内外用于制造游车大钩钩筒的方法主要是重力铸造，材质为ZG25CrNiMoA或类似钢种，产品质量等级大多为PSL1级。
现有铸造的钩筒主要存在以下问题：铸造缺陷多（热裂、气孔、夹杂物、缩松等）、、无损探伤合格率低、低温冲击功不能满足-60℃要求、延迟缺陷多等，难以满足API Spec 8C规范中PSL2级的质量要求。且铸件表面为了满足无损检测和喷涂需要，整体人工打磨，效率低，劳动量非常大。目前因为铸造零件的原因，还没有适用-60℃极地环境下的PSL2级的石油钻机游车大钩。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种游车大钩钩筒及其制造方法，钩筒的设计满足API Spec 8C要求，并且能与铸件钩筒互换，其制造方法为随形锻造，在整个零件承载方向上保证完整的锻造纹理，质量等级符合API Spec 8C中PSL2级的要求，并能适用于-60℃极地环境。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：设计一种钩筒，上部为四方体，下部为圆柱体，圆柱体上焊接垫板，中间圆锥过渡，内部为阶梯通孔；所述上部四方体上有两个第一销孔，用于与游车侧板的连接；所述阶梯通孔用于安装钩杆、缓冲弹簧套装、承载轴承及旋转定位缩紧装置；所述垫板上有第二销孔，用于安装制动装置。关于所述钩筒的制造工艺包括以下步骤：
1）锻造：选用中碳铬钼合金钢材料，圆钢下料，采用天然气加热，加热温度1250℃，3-8吨电液锤整体锻造。毛坯预先经过镦粗和拔长，然后在模具内镦粗、冲孔，穿芯轴在V型砧内拔长，在平砧上锻成四方体，最后在模具内校正成形。始锻温度1220℃，终锻温度850℃。锻造比不小于3，锻后缓冷。
2）热处理：采用电阻炉加热，锻后正火AC3+50～70℃空冷；粗加工后淬火AC3以上30～50℃保温，采用PAG淬火介质冷却；再回火580±20℃ 保温后空冷；亚温淬火AC1+30～50℃保温，PAG淬火介质冷却；再回火520～600℃保温后空冷。
3）热处理后进行力学性能、冲击韧性（-20℃、-45℃和-60℃）试验，试验方法执行ASTMA370。
4）精加工成活后锻件经过UT和MT检测, 按ASTM E709和ASTM A388标准检测，验收标准符合API 8C的PSL2质量等级。
所述钩筒材料选用强度高、塑性好、低温冲击韧性、锻造工艺性良好中碳铬钼合金钢，机械性能满足Rel≥520Mpa，Rm≥685Mpa，δ4≥17%，Z≥40%，AkV(-20℃)冲击功三件平均值不小于42J，最小一件不低于32J，AkV(-45℃、-60℃)冲击功三件平均值不小于27J，最小一件不低于20J。
所述步骤1）中，所述模具采用上下分体嵌套式，上下分体由定位销连接固定, 下体外部有环形槽作为夹持定位，内腔拔模斜度采用大斜度，开口处采用大倒角。
本发明的有益效果是：本发明提供的钩筒具有良好的锻造工艺性和热处理工艺性；钩筒采用模具锻造成型，材料利用率高、组织更致密、质量稳定性和性能可靠性更高，避免了因铸造结构造成的缺陷多、无损探伤合格率低等问题；本发明采用特殊的热处理工艺，保证了钩筒的强度和极地低温环境（-60℃）下的冲击功以及其他力学性能；采用常规合金钢材料和较为简单的工艺路线：锻造-粗加工-热处理-机加工-无损探伤，更经济简便。
与现有技术相比，锻造成型的钩筒，体积质量小、结构紧凑，单件与铸造钩筒相比减重约30%；低温冲击韧性好、无损探伤合格率高、生产过程中无打磨工序，质量等级符合美国石油学会API Spec 8C规范的PSL2级，满足-60°C极地环境的使用要求。
附图说明
下面结合附图及实施例，对本发明作进一步描述。
图1是锻造钩筒结构图。
图2是锻造模具结构图。
图3是模具使用生产示意图。
图1~图3中，1四方体，2圆锥，3圆柱体，4阶梯通孔，5第一销孔，6垫板，7第二销孔，8模具下体，9定位销，10模具上体，11钩筒。
具体实施方式
参看图1~图3中，一种用于极地低温（-60℃）环境下的石油钻机游车大钩锻造钩筒(PSL2级)的设计和制造，锻造钩筒包括上部四方体1、下部圆柱体3、圆锥2为过渡部分、中间为阶梯通孔4；所述四方体1上有两个第一销孔5，通过销轴与游车侧板连接；所述阶梯通孔4用于安装钩杆、缓冲弹簧套装、承载轴承等；所述圆柱体3上设有垫板6及第二销孔7，用于安装旋转定位锁紧装置，锁紧装置中的锁紧舌通过所述第二销孔7锁紧所述阶梯通孔4中安装的钩杆。关于所述钩筒的制造工艺包括以下步骤：
1）锻造：选用35CrMoA合金钢，圆钢下料，采用天然气炉加热，自动化控制，最高允许装炉温度800℃，加热保温温度1250℃，升温时间2.5h，保温时间2.5h，3-8吨电液锤整体锻造，始锻温度1220℃，终锻温度850℃。毛坯预先经过镦粗和拔长，锻透满足锻造比，实际锻造比为3.5，然后再加热到始锻温度后，毛坯在模具（图2）内镦粗，冲孔，穿芯轴在V型砧内拔长，在平砧上锻成四方体，最后在模具内校正成形，锻后炉冷。
2）热处理：采用电阻炉加热，锻后正火880～900℃空冷；粗加工后淬火840～860℃保温，采用PAG淬火介质冷却；再回火580±20℃保温后空冷；亚温淬火790±10℃保温，PAG淬火介质冷却；再回火520～600℃保温后空冷。
3）热处理后从试棒上按ASTM A370标准取样，力学性能结果：Rel=542Mpa，Rm=732Mpa，δ4=22%，Z=68%，AkV(-20℃)=（84,56,102）J，AkV(-45℃)=（34，36，46）J， AkV(-60℃)=（34,26,44）J,满足强度及-60℃环境使用要求。
4）精加工成活后锻件经过UT和MT检测, 按ASTM E709和ASTM A388标准检测，质量等级符合和美国石油学会API Spec 8C规范的PSL2级。
所述步骤1）中，所述模具包含：模具上体10，模具下体8，上下体采用嵌套式，由定位销9连接固定, 所述模具下体8外部有环形槽用于夹持定位，内腔拔模斜度采用大斜度，所述模具上体10顶端开口处采用大倒角。所述钩筒11在模具腔内锻造成型。
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 (5)

1.一种-60℃极地钻机用游车大钩整体锻造钩筒的制造方法其特征在于：设计并制造一种游车大钩钩筒，上部为四方体，下部为圆柱体，中间圆锥过渡，内部为阶梯通孔；所述上部四方体上有两个第一销孔，用于与游车侧板的连接；所述阶梯通孔用于安装钩杆、缓冲弹簧套装、承载轴承及锁紧装置；所述圆柱体上设有垫板及第二销孔，用于安装制动装置；其质量等级要求为API Spec 8C的PSL2等级，满足-60℃极地环境要求。
2.一种-60℃极地钻机用游车大钩整体锻造钩筒的制造方法其特征在于：
1）锻造：圆钢下料，采用天然气加热，加热温度1250℃，3-8吨电液锤整体锻造；毛坯预先经过镦粗和拔长，然后在模具内镦粗、冲孔，穿芯轴在V型砧内拔长，在平砧上锻成四方体，最后在模具内校正成形；始锻温度1220℃，终锻温度850℃；锻造比不小于3，锻后缓冷；
2）热处理：采用电阻炉加热，锻后正火AC3+50～70℃空冷；粗加工后淬火AC3以上30～50℃保温，采用PAG淬火介质冷却；再回火580±20℃ 保温后空冷；亚温淬火AC1+30～50℃保温，PAG淬火介质冷却；再回火520～600℃保温后空冷。
3.根据权利要求1所述的钩筒的设计，其特征在于：依据零件的性能要求，材料选用高强度、塑性好、低温冲击韧性、锻造工艺性良好的中低碳合金钢材料，如40CrNiMoA、35CrMoA、40CrNi2MoA、34CrNi3MoA。
4.根据权利要求2所述的钩筒的制造工艺，其特征在于：所述步骤1）中，所述模具上下分体嵌套式，上下分体由定位销连接固定，模具下体外部有环形槽作为夹持定位，内腔拔模斜度采用大斜度，模具上体开口处采用大倒角。
5.根据权利要求2所述的钩筒的制造工艺，其特征在于：所述步骤2）中，在正常淬火+高温回火后，增加亚温淬火+高温回火，以提高材料低温韧性，满足-60℃冲击性能要求。
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