CN110317941A - 一种地质钻杆公接头增强螺纹根部加工方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地质钻杆公接头增强螺纹根部加工方法及其应用，该方法包括对用于加工地质钻杆公接头的厚壁管螺纹根部对应部位加热顶锻形变，使公接头螺纹根部对应部位向内形成环形突出结构，并对热顶锻后形变部分至少进行2次淬火、回火的调质处理，所示该淬火温度为880±15℃，回火温度590～650℃。本发明通过对厚壁管公接头根部对应的3‑5牙螺纹长度的管段进行形变热处理与循环淬火处理，细化该管段的晶粒，提高公螺纹根部的强韧性，降低或消除造成钻杆公螺纹根部失效的隐患。

Description

一种地质钻杆公接头增强螺纹根部加工方法及其应用
技术领域
本发明属于钻杆领域，具体涉及一种地质钻杆接头螺纹根部加工方法及其应用。
背景技术
地质钻杆是进行地质勘探、煤矿瓦斯气抽采作业的工具。与石油钻杆不同，地质钻杆在作业时通过顶进向钻头施加压力，在退出时承受拉力，钻进方向为水平钻进。地质钻杆结构上与石油钻杆基本相同，包括公接头、母接头、管体，每根钻杆通过公母接头上的螺纹连接，形成钻柱。公、母接头通过焊接与管体连接，也有管体、接头一体式的结构。相对于一体式结构，焊接钻杆工艺更简单、加工效率更高。
接头加工主要分为厚壁管车削接头加工和圆钢锻造接头加工，厚壁管车削加工接头相比圆钢锻造接头，材耗更低，加工效率高更高。然而在实际应用中，厚壁管接头钻杆经常出现公接头螺纹根部疲劳断裂的失效事故，造成钻探作业中断，停工和打捞给作业方和煤矿带来很大的经济损失。
失效分析认为，钻杆接头螺纹本身固有的根部第一至第三牙螺纹应力集中，以及作业中钻杆接头承受的拉、压、扭、弯复合受力，使接头在应力集中处(螺纹根部第一至第三道)出现疲劳裂纹，裂纹扩展，最终出现断裂。通过改进螺纹设计减少应力集中、增强接头尤其是螺纹根部的强韧性是解决或者减少接头失效的主要途径。但由于需要满足扭矩上的要求，螺纹设计上很难大幅度降低螺纹根部的应力集中系数(见图1)。因此，通过提高接头强韧性来提高接头的抗疲劳失效性能是地质钻杆厂家的迫切需要。
发明内容
本发明的目的通过对公接头根部长度为1-3牙螺纹的管段进行形变热处理与循环淬火处理，细化该管段的晶粒，提高公螺纹根部的强韧性，降低或消除造成从钻杆公螺纹根部失效的隐患。本发明提供了一种地质钻杆接头螺纹根部加工方法及其应用，具体公开了如下技术方案：
一种地质钻杆公接头增强螺纹根部加工方法，该方法包括对地质钻杆公接头螺纹根部对应部位加热并顶锻处理，使公接头螺纹根部对应部位内壁形成环形突出结构，并对热形变段至少进行2次淬火、回火的调质处理，所示该淬火温度为880±15℃，回火温度590～650℃。
一种地质钻杆公接头增强螺纹根部加工方法，具体包括以下步骤：
第一步：截取厚壁管管段L，管段L的长度为标准接头长度与L0之和，L0为L热形变后缩减长度，L0为15～25mm；
第二步：确定热形变段AB，设公接头台肩面至螺纹端部的长度为L1，L0＜L1＜L，公螺纹台肩面与螺纹根部第一牙螺纹之间的长度为L2，6mm＜L2＜8mm，以管段L螺纹端部为起点，向另一端延伸(L1+L0﹣1/2L2)mm，至A点，A点沿轴向向螺纹端部延伸(L0+25.4)mm至B点，AB间距离为(L0+25.4)mm，AB间的管段即为热变形段，包含三倍螺距长度和L0；
第三步：加热，首先，通过燃气加热炉将管段L整体加热至600℃～650℃，然后，通过中频感应加热装置对热形变段AB进行局部加热，在865～895℃下保温15～30min；
第四步：顶锻处理，通过液压装置、专用模具从两端同时对两次加热后的管段L进行顶锻，在冲头挤压下和外部模具约束下，热形变段AB发生形变缩短，并逐渐向AB段管体轴心方向流动，两个冲头前端面在管内充分接触时，顶锻完成，热形变段AB内壁形成沿径向连续分布的环形突出结构E，环形突出结构E与两个冲头闭合时形成的空腔形状相同，热形变段AB形变后的管段为F段；
第五步：检测F段的温度，热形变处理后需控制F段温度为860～880℃；
第六步：调质处理，按照淬火→回火的工艺路线对F段进行热处理，撤掉液压装置、专用模具后，进行第一次调质处理，即依次进行淬火、回火热处理，所述淬火温度为865～895℃，保温时间10～20分钟，回火温度590～650℃，回火保温时间60min；再进行二次调质处理，淬火温度为865～895℃，保温时间30min，回火温度590～650℃，回火保温时间60分钟，其中，所述原材料管本身为调质管，即已进行过一次淬火→回火处理；
第七步：清理氧化皮后，对形变热处理后的接头毛坯进行加工螺纹前的外形精加工，最后加工外螺纹和焊径车削。
作为优选方案，所述步骤六中淬火温度通过中频感应炉快速加热至865～895℃，所述回火温度通过燃气炉均质加热至590～650℃。
作为优选方案，所述中频感应炉以40～60℃/s加热至865～895℃；所述回火温度通过燃气炉以30～50℃/s均匀加热至590～650℃。
作为优选方案，所述淬火介质为水。
本发明所述增强公接头螺纹根部管段方法的理论依据：
(1)形变热处理细化晶粒原理：形变热处理也是细化晶粒的一种有效热处理方式，根据变形温度的不同可分为高温形变热处理和低温形变热处理。高温形变热处理是将钢加热到稍高于AC3温度后保持一段时间达到完全奥氏体化，然后在该温度下以较大的变形量使奥氏体发生强烈变形，并保温一段时间使奥氏体进行起始再结晶，可通过控制高温形变参数以获得所需的形变后相变前的奥氏体组织，并在形变奥氏体晶粒尚未开始长大前淬火和回火，从而获得细小的马氏体组织。
(2)循环淬火细化晶粒原理：循环加热淬火指选择快速加热能够形成奥氏体的最低温度和最短保温时间进行反复加热淬火来细化晶粒的方法。具体工艺是将钢由室温加热至稍高于AC3的温度(常规淬火温度下限)，在此温度下短时间保温进行奥氏体化，然后快速淬火冷却至室温，再重复此过程。由于再结晶奥氏体晶粒细化作用以及快速加热情况下铁素体晶粒有转变为多个奥氏体晶粒的倾向，使晶粒显著细化，而且每循环1次，奥氏体晶粒就得到一定程度的细化，从而获得细小的奥氏体晶粒组织。当循环淬火2-3次可以使奥氏体晶粒细化到12级以上，一般循环3-4次地细化效果最佳。
本发明涉及的名词解释
公接头：所述公接头为带有外螺纹的公接头，所述母接头为带有内螺纹的母接头，地质钻杆，包括公接头、母接头和管体，公母接头分别于管体通过焊接连接，钻杆体为一般中空管状结构，所述钻杆体的一端设有公接头，所述钻杆体的另一端设有母接头，所述公接头与相邻钻杆体的母接头连接，所述母接头与相邻钻杆体的公接头连接。
顶锻：顶锻性，是金属材料的工艺性能之一，是金属材料承受打铆、镦头等的顶锻变形的性能。金属的顶锻性，是用顶锻试验测定的。顶锻试验方法是金属材料在室温或热状态下沿试样轴线方向施加压力，将试样压缩，检验金属在规定的锻压比下承受顶锻塑性变形的能力并显示金属表面缺陷。用来研究金属材料在大量生产模压件时的质量状况，以便针对缺陷情况而作相应改进。
AC3温度：碳钢的AC1温度指碳钢在某具体加热规范时的相变温度，它是平衡状态下共析转变温度A1变化来的，因为相变的滞后效应导致的。它的意义在于随加热速度的改变，相应的奥氏体化温度也要改变，通常要高于727℃，加热速度越快，增加的温度就越高。如果钢在冷却时A1就变成了Ar1，会低于727℃。
AC3：亚共析钢加热时，所有铁素体均转变为奥氏体的温度。
奥氏体的温度：奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。铁碳相图中奥氏体是高温相，存在于临界点A1温度以上，是珠光体逆共析转变而成。当钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，Ni、Mn等，则可使奥氏体稳定在室温，如奥氏体钢。奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，故奥氏体的体积质量比钢中铁素体、马氏体等相的体积质量小。因此，钢被加热到奥氏体相区时，体积收缩，冷却时，奥氏体转变为铁素体-珠光体等组织时，体积膨胀，容易引起内应力和变形。奥氏体的点阵滑移系多，故奥氏体的塑性好，屈服强度低，易于加工塑性成形。因此，钢锭，钢坯，钢材一般被加热到1100℃以上奥氏体化，然后进行锻轧，塑性加工成材或加工成零部件。具体温度值根据钢的含碳量不同而不同。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1.通过对公接头根部长度为1-3牙螺纹的管段进行形变热处理与循环淬火处理，细化该管段的晶粒，提高公螺纹根部的强韧性，降低或消除造成从钻杆公螺纹根部失效的隐患。
2.将公接头1-3牙螺纹的管段加热后在外部模具的约束和冲头的的轴向挤压下，热变形段从管壁向管体中心线方向流动，在内壁形成径向连续分布的环形突出结构，也称环形加厚梁。经过两次调质和一次形变热处理后，形变目标段晶粒较一次调质热处理明显变小，相应的韧性和疲劳韧性提高。
3.经过形变热处理和三次循环调质热处理后，钻杆公接头螺纹根部1～3牙螺纹所在部位的晶粒度明显减小，金相检验显示，晶粒度从一次调质的6～8级提高到10～12级，屈服强度保持在980MPa以上，常温冲击韧性值从87J提高到130J以上。在螺纹根部1～3牙所对应的管体内壁径向形成了弧形截面的环形突出结构，环形突出结构宽度8.5mm，弧高3.5mm，使螺纹根部第一牙处壁厚增大56％。
附图说明
图1为现有技术中公接头牙螺纹应力集中分析图。
图2为本发明公接头所选用的热形变段AB段示意图。
图3为本发明F段示意图。
图4为本发明专用模具冲头结构示意图。
图中：1、螺纹端部；2、公接头外螺纹；3、外螺纹台肩面；4、模具顶推面；5、管壁；6、模具冲头；7、模具端部弧形凹台锥体；E、环形突出结构。
具体实施方式
以下通过具体的实施例来进一步说明本发明的内容，但应该理解，具体实施例并不以任何方式限制本发明。
本发明中，热形变段AB(形变目标段)，如图2所示，以管段L螺纹端部为起点，向另一端延伸(L1+L0﹣1/2L2)mm，至A点，A点沿轴向向螺纹端部延伸(L0+25.4)mm至B点。AB间距离为(L0+25.4)mm。
图2中1为螺纹端部；2为公接头外螺纹；3为外螺纹台肩面；
图4中4为模具顶推面；5为管壁；6为模具冲头；7为模具端部弧形凹台锥体。
热形变段AB形变后的管段为F段(如图3所示)。
实施例1
一种地质钻杆接头螺纹根部加工方法，包括以下步骤：
第一步，截取管段L，以规格89*18mm的27CrMo无缝钢管为例，标准公接头长度为117mm，由于轴向热压缩形变后，管段长度会缩短，因此管段长度L取137mm，较标准长度增加20mm，即L0取20mm。
第二步，确定热形变段AB。标准公接头台肩面至螺纹端部的距离L1为60mm，外螺纹台肩面3至螺纹根部第一牙螺纹的距离L2为7mm，则A点的位置为从螺纹端部1向另一端延伸76.5mm处，B点位置为从A点向螺纹端部1延伸45.4mm处。AB段距离为45.4mm。AB间的管段即为热变形段(见图2)。
第三步，加热，先通过燃气加热炉将管段均匀加热到600℃～650℃，保温30分钟，再通过中频加热装置，将热形变段AB加热到880±15℃。
第四步，通过液压装置、专用模具(包括加紧模、顶锻冲头)从两端同时对两次加热后的管段L进行顶锻，在冲头挤压下和外部模具约束下(见图4)，AB段发生形变(缩短)，并向AB段管体轴心方向流动，逐渐形成径向连续分布的环形突出结构E，两个冲头前端面在管内充分接触时，顶锻完成，AB段内壁形成环形突出结构E，环形突出结构E与两个冲头闭合时形成的空腔形状基本形同。形变后原来的AB段变成环形突出结构E和与之对应的管体部分，称为F段(见图3)。
第五步，检测F段的温度，确认温度不低于860℃，不大于880℃。如果低于860℃，则需要进行补充加热，直至F段温度满足要求。
第六步，一次调质热处理(原料管本身为调质管，即已进行过一次调质热处理，本次累计为第二次调质热处理)。对F段进行淬火+高温回火，淬火介质为水，回火温度为620℃，保温时间60分钟。
第七步，二次调质热处理(累计第三次)，对F段进行调质热处理。工艺参数为：燃气炉将F段加热到600℃，保温30分钟，再通过中频感应炉将F段快速加热到860～880℃，进行淬火，然后进行温度为590～650℃高温回火，60分钟的保温。
第八步，清理氧化皮后，对形变热处理后的接头毛坯进行加工螺纹前的外形精加工，然后加工外螺纹和焊径加工。
经过以上形变热处理和累计三次循环调质热处理后，钻杆公接头外螺纹2根部3牙螺纹所在部位的晶粒度明显减小，金相检验显示，晶粒度从一次调质后的8级提高到12级，屈服强度保持在980MPa以上，常温冲击韧性值从87J提高到130J以上。在公接头外螺纹2根部对应的管体内壁径向形成了弧形截面的环形突出结构E，环形突出结构E宽度8.5mm，弧高3.5mm，使螺纹根部第一牙处壁厚增大56％。

Claims (6)

1.一种地质钻杆公接头增强螺纹根部加工方法，其特征在于，该方法包括对用于加工地质钻杆公接头的厚壁管螺纹根部对应部位加热并顶锻处理，使公接头螺纹根部对应部位发生热形变，并向内形成环形突出结构，对通过顶锻处理发生形变的部分进行2次淬火及回火的调质处理，其中，第一次为形变热处理，第二次为非形变热处理，且第一次、第二次热处理与厚壁管轧管热处理形成循环热处理。
2.如权利要求1所述的地质钻杆公接头增强螺纹根部加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)第一步：截取厚壁管管段L，管段L的长度为标准接头长度与L0之和，L0为L热形变后缩减长度，L0为15～25mm；
(2)第二步：确定热形变段AB，设公接头台肩面至螺纹端部的长度为L1，L0＜L1＜L，公螺纹台肩面与螺纹根部第一牙螺纹之间的长度为L2，6mm＜L2＜8mm，以管段L螺纹端部为起点，向另一端延伸(L1+L0﹣1/2L2)mm，至A点，A点沿轴向向螺纹端部延伸(L0+25.4)mm至B点，AB间距离为(L0+25.4)mm，AB间的管段即为热变形段，包含三倍螺距长度和L0；
(3)第三步：加热，首先，通过燃气加热炉将管段L整体加热至600℃～650℃，然后，通过中频感应加热装置对热形变段AB进行局部加热，在865～895℃下保温15～30min；
(4)第四步：顶锻处理，通过液压装置、专用模具从两端同时对两次加热后的管段L进行顶锻，在冲头挤压下和外部模具约束下，热形变段AB发生形变缩短，并逐渐向AB段管体轴心方向流动，两个冲头前端面在管内充分接触时，顶锻完成，热形变段AB内壁形成沿径向连续分布的环形突出结构E，环形突出结构E与两个冲头闭合时形成的空腔形状相同，热形变段AB形变后的管段为F段；
(5)第五步：检测F段的温度，热形变处理后需控制F段温度为860～880℃；
(6)第六步：调质处理，按照淬火→回火的工艺路线对F段进行热处理，撤掉液压装置、专用模具后，进行第一次调质处理，即依次进行淬火、回火热处理，所述淬火温度为865～895℃，保温时间10～20分钟，回火温度590～650℃，回火保温时间60min；再进行二次调质处理，淬火温度为865～895℃，保温时间30min，回火温度590～650℃，回火保温时间60分钟，其中，所述原材料管本身为调质管，即已进行过一次淬火→回火处理；
第七步：清理氧化皮后，对形变热处理后的接头毛坯进行加工螺纹前的外形精加工，最后加工外螺纹和焊径车削。
3.如权利要求2所述的地质钻杆公接头增强螺纹根部加工方法，其特征在于，所述中频感应炉以40～60℃/s加热至865～895℃；所述回火温度通过燃气炉以30～50℃/s均匀加热至590～650℃。
4.一种由权利要求1～2任一项所述的地质钻杆接头增强螺纹根部加工方法加工而成的地质钻杆，其特征在于，所述地质钻杆内壁环形突出结构E宽度为5～15mm，弧高为2～5mm。
5.如权利4所述的地质钻杆，加工前所截取厚壁管L比标准公螺纹接头长度长15～25mm。
6.如权利4所述的地质钻杆，其特征在于，所述地质钻杆公接头外螺纹根部1～3根牙螺纹所在部位的晶粒度为10～12级，常温冲击韧性值不小于130J。
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