CN110527904A - 一种长寿命高压泵头体的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种长寿命高压泵头体的制作方法，利用低碳马氏体不锈钢作为泵体材料，通过成分设计、三向等量变形锻造和正火‑淬火‑两次回火热处理制备得到长寿命高压泵头体，利用低碳马氏体不锈钢作为新型泵头体用材料以替代传统的中碳合金钢材料，通过对新型泵头体材料成分进行设计与优化，在合理的冶炼、锻造、粗加工及打孔工序后进行性能热处理，旨在大幅提升该关键部件的综合性能和服役寿命，适用于常用的高压单缸和多缸压裂泵泵头体。

Description

一种长寿命高压泵头体的制作方法
技术领域
本发明涉及压裂装备材料领域，具体说的是一种长寿命高压泵头体的制作方法。
背景技术
随着能源开发领域向开采难度更大的超低渗透油田、煤气层、页岩气、深井和深海油气资源进军，压裂作业是油气田增产的核心技术。由于工况条件恶劣，固井压裂设备中的核心部件高压泵头体短期失效问题日益凸显，成为制约压裂装备技术发展的瓶颈问题。
目前，国内外对高压泵头体的设计生产主要采用高强度中碳合金钢材料，例如35CrMo、42CrMo、25Cr2Ni4MoV、30CrNi3MoV、38CrNi2MoVA、40CrNiMoA、43CrNi2MoVA等。在冶炼、锻造成型和性能热处理后，可通过表面处理、自增强技术处理等方法在一定程度上提高其承载能力。高压泵头体的材料成本和制造成本较高，由于工作环境恶劣，工作介质为水泥、沙子和酸化介质（一般为高浓度盐酸），在循环疲劳载荷和腐蚀介质的双重作用下，其使用寿命普遍较短。依靠目前广泛采用的合金钢本体性能优化提升以及后续改性优化处理这些方法很难实现泵头体综合性能的大幅提升，不能从根本上满足现代高功率压裂泵的发展。因此，大幅提升高压泵头体材料的综合性能和延长其使用寿命成为一个十分急迫的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用一种低碳马氏体不锈钢作为新型泵头体用材料以替代传统的中碳合金钢材料，通过对新型泵头体材料成分进行设计与优化，在合理的冶炼、锻造、粗加工及打孔工序后进行性能热处理，旨在大幅提升该关键部件的综合性能和服役寿命，适用于常用的高压单缸和多缸压裂泵泵头体。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种长寿命高压泵头体的制作方法，利用低碳马氏体不锈钢作为泵体材料，通过成分设计、三向等量变形锻造和正火-淬火-两次回火热处理制备得到长寿命高压泵头体，具体包括以下步骤：
步骤一、设计目标值并制作钢锭
（一）制定低碳不锈钢配方目标值，按质量百分比为C：0.01%-0.04%，Si：0.15%-1.0%，Mn：0.025%-1.80%，S：≤0.007%，P：≤0.016%，Cr：14.0%-17.5%，Ni：3.5%-7.5%，Mo：0.5%-1.5%，N:0.010%-0.080%，Nb：0.03%-0.15%，V：0.04%-0.20%，其余为铁以及不可去除杂质；
（二）利用不锈钢原料采用中频感应电炉以低碳不锈钢配方目标值，制备低碳马氏体不锈钢圆柱体钢锭；
步骤二、三向等量变形锻造
去除步骤一得到的圆柱体钢锭的头部与底部，保留精料，装入加热炉加热至1150—1250℃后保温，取出后先沿z向墩粗，沿y向拔长；再沿y向墩粗，沿x向拔长； 最后沿x向墩粗，沿z向拔长出毛坯；
步骤三、性能热处理
（1）首先，将锻造完成的泵头体毛坯空冷至低于180℃，装入热处理炉内，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温2-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至600-680℃，保温3-6h，再以60-80℃/h的升温速率加热至850-900℃，接着以5-30℃/h的升温速率缓慢升温至900-1080℃，保温6-16h，之后进行出炉空冷正火处理；
（2）将经过正火处理的泵头体粗加工并加工出贯通孔后装入热处理炉内，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温1-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至600-680℃，保温2-6h，再以60-80℃/h的升温速率加热至850-900℃，接着以5-30℃/h的升温速率缓慢升温至900-1080℃，保温6-16h，之后进行油冷淬火；
（3）将起始温度低于180℃的油冷淬火后锻件装入热处理炉，以20-40℃/h的升温速率加热至330-360℃，保温2-6h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至450-550℃，保温8-18h，然后出炉空冷；
（4）将起始温度低于180℃的空冷后锻件装入热处理炉，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温1-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至450-550℃，保温7-16h，然后出炉整体浸入油池冷却40-120min，精加工后得到高压泵头体成品。
油冷淬火的方法为将锻件吊出热处理炉整体浸入油池，在油池内上下窜动10-20min，之后再静止冷却40-90min，然后吊出油池。
本发明有益效果是：采用本发明《一种长寿命高压泵头体》，可以取得如下效果：
（1）同等工作条件下服役寿命相比传统的30CrNi3MoV等合金钢泵头体提高2—6倍。
（2）三个方向的晶粒度达到5级以上。
（3）三个方向屈服强度可达950MPa以上，抗拉强度1000MPa以上。
（4）-30℃条件下三个方向V型缺口标准试样冲击功达到100J以上。
（5）三个方向强度指标相差3%以内，冲击指标相差15%以内。
（6）对压裂液的耐腐蚀性比传统的30CrNi3MoV等合金钢提高3倍。
附图说明
图1为圆柱体钢锭变形方向示意图；
图2为泵头体成品示意图；
图3 实施例1产品晶粒度照片；
图4 实施例2产品晶粒度照片；
图5 实施例3产品晶粒度照片。
具体实施方式
一种长寿命高压泵头体，针对岩气开采用高功率压裂泵泵头体工作时高压、疲劳、腐蚀、冲蚀、磨损的恶劣条件，采用一种低碳马氏体不锈钢作为泵头体本体材料，通过合理的成分设计、三向等量变形锻造和正火-淬火-两次回火热处理制备出具有良好的强度和塑韧性的新型低碳板条状马氏体结构高压泵头体材料。其具有高强度、高塑韧性和良好的耐磨耐蚀性能。采用该不锈钢材料生产的泵头体服役寿命相比传统的中碳合金钢泵头体大幅提高。
一种长寿命高压泵头体的制作方法为：
步骤一、设计目标值并制作钢锭
制定低碳不锈钢配方目标值，该低碳不锈钢材料化学成分组成以质量百分数计为C：0.01%-0.04%，Si：0.15%-1.00%，Mn：0.25%-1.80%，S：≤0.007%，P：≤0.016%，Cr：14.0%-17.5，Ni：3.5%-7.5%，Mo：0.5%-1.5%，N:0.010%-0.080%，Nb：0.03%-0.15%，V：0.04%-0.20%，其余为铁以及不可去除杂质。
利用不锈钢原料采用中频感应电炉以低碳不锈钢配方目标值，制备低碳马氏体不锈钢圆柱体钢锭。
Cr是强烈形成和稳定铁素体、缩小奥氏体区的元素，能显著提高材料的电极电位,材料中加入的Cr对材料的耐蚀性起着决定作用，同时可有效提高合金的淬透性；C是奥氏体形成元素，在给定Cr含量情况下，不锈钢淬火后的强度和硬度随着C含量的增加而提高，但耐蚀性和韧性降低，焊接难度增大，为获得低碳马氏体不锈钢的综合性能，通常控制在较低含量；N是奥氏体形成元素，同时可以提高材料的强度和硬度，在钢中的作用与C元素类似，该不锈钢为获得更好的耐蚀性而降低C含量，同时加入一定量N元素以弥补碳的作用。Ni是强烈形成并稳定奥氏体的元素，可扩大奥氏体相区，降低钢中δ铁素体含量，降低马氏体转变温度，增加其淬透性，同时改善不锈钢晶间腐蚀敏感性，促进不锈钢钝化膜稳定性。Mo元素提高产品抗氯离子侵蚀性，同时Mo是铁素体形成元素和强碳化物形成元素，具有二次硬化作用，可提高不锈钢的强度、韧性和回火稳定性。
Mo和Cr的配合使用可显著提高钢的淬透性并降低回火脆性；Ni和Mo合金元素的共同作用可使材料在低于相变温度条件下从马氏体组织析出逆变奥氏体组织，从而形成一种具有高强度和良好塑韧性的复相组织。
Nb是强碳化物形成元素，能形成稳定细小的碳化物和氮化物，对晶界起到钉扎作用，固溶Nb也具有很强烈的晶界拖拽作用，能够提高钢的晶粒粗化温度，抑制晶粒长大，起到显著细化晶粒作用，同时提高强度和改善抗晶间腐蚀性能；V元素在钢中的作用和Nb相似。通常情况下Nb和V单独加入钢中发挥作用，本发明将Nb和V按一定比例同时加入不锈钢中，显著提高材料的熵增效应，在特殊的热处理条件下生成复杂结构的碳氮化物和金属间化合物，显著改善材料组织并大幅度提高材料强度和冲击韧性，产生1+1大于2的效果。
步骤二、三向等量变形锻造工艺。
锻造过程中将钢锭加热至1150—1250℃，保温足够时间后如附图1所示，先沿z向墩粗，沿y向拔长；再沿y向墩粗，沿x向拔长； 最后沿x向墩粗，沿z向拔长出成品，三个方向得到相近的变形量，得到毛坯。
采用三向等量变形锻造技术可提高产品不同方向的性能均匀性，避免产品使用过程中在薄弱位置失效。
步骤三、性能热处理工艺。
（1）首先将锻造完成的泵头体毛坯空冷至低于180℃，装入热处理炉内，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温2-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至600-680℃，保温3-6h，再以60-80℃/h的升温速率加热至850-900℃，接着以5-30℃/h的升温速率缓慢升温至900-1080℃，保温6-16h。之后进行出炉空冷正火处理。
（2）将经过正火处理的泵头体粗加工并加工出贯通孔后装入热处理炉内，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温1-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至600-680℃，保温2-6h，再以60-80℃/h的升温速率加热至850-900℃，接着以5-30℃/h的升温速率缓慢升温至900-1080℃，保温6-16h。之后进行油冷淬火，即将锻件吊出热处理炉整体浸入油池，在油池内上下窜动10-20 min，之后再静止冷却40-90min，然后吊出油池。
（3）将起始温度低于180℃的油冷淬火后锻件装入热处理炉，以20-40℃/h的升温速率加热至330-360℃，保温2-6h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至450-550℃，保温8-18h，然后出炉空冷。
（4）将起始温度低于180℃的空冷后锻件装入热处理炉，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温1-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至450-550℃，保温7-16h，然后出炉整体浸入油池冷却40-120min，至此性能热处理过程结束。
《一种长寿命高压泵头体》制造出的新型泵头体产品，晶粒度达到5级以上，屈服强度可达950MPa以上，抗拉强度1000MPa以上，-30℃条件下V型缺口标准试样冲击功达到100J以上，三个方向强度指标相差3%以内，冲击指标相差15%以内，对压裂液的耐腐蚀性比传统合金钢提高3倍，适合高压、疲劳、低温、腐蚀、冲蚀、磨损的恶劣工作环境，服役寿命相比传统的30CrNi3MoV等合金钢泵头体提高2—6倍，实现节能降耗、绿色环保的目的，具有显著的经济效益。
实施例1
采用本发明制作2500马力五缸泵头体时，实施过程如下：
（1）制定配方目标值（质量百分比）C：0.01%-0.04%，Si：0.15%-0.30%，Mn：0.30%-0.60%，S：≤0.007%，P：≤0.015%，Cr：14.0%-15.5%，Ni：3.5%-4.6%，Mo：0.5%-1.0%，N:0.010%-0.030%，Nb：0.03%-0.06%，V：0.04%-0.08%；准备不锈钢熔炼所需的合金炉料纯铁、金属铬、电解镍、钼条、工业硅、电解锰以及造渣材料活性石灰和萤石等熔炼原料。
（2）采用中频感应电炉真空熔炼，制备出直径720mm、高度1880mm、重量6000kg的圆柱形钢锭。
（3）钢锭锯切头部和底部，保留4300公斤精料（高度约1350mm），装入加热炉按≤80℃/H的速率升温至1220℃，保温13小时出炉锻造。
锻造时先沿z向墩粗，墩比2.0；沿y向拔长，拔比2.0；再沿y向墩粗，墩比2.0；沿x向拔长，拔比2.0；沿x向墩粗，墩比2.0；最后沿z向拔长出成品，拔比约2.2，锻制成规格为1500×630×550、重4100kg的毛坯。
（4）首先将完成锻造的泵头体毛坯空冷至85℃之后装入热处理炉内,以20℃/h的升温速率加热至320℃，保温3h，然后以50℃/h的升温速率加热至630℃，保温3h，再以60℃/h的升温速率加热至850℃，接着以15℃/h的升温速率缓慢升温至900—950℃，保温15h，出炉空冷正火处理。
（5）将经过正火处理的泵头体粗加工成1450×600×520的规格，棱边倒角并加工出贯通孔后装入热处理炉内，以20℃/h的升温速率加热至320℃，保温3h；然后以40℃/h的升温速率加热至630℃，保温4h，再以60℃/h的升温速率加热至850℃，接着以10℃/h的升温速率缓慢升温至920—980℃，保温15h。之后进行油冷淬火，即将锻件吊出热处理炉整体浸入油池，在油池内上下窜动20min，之后再静止冷却80min，然后吊出油池。将起始温度为155℃的淬火后锻件装入热处理炉，以20℃/h的升温速率加热至350℃，保温5h，然后以40℃/h的升温速率加热至500—550℃，保温15h，然后出炉空冷。将起始温度为150℃的空冷后锻件装入热处理炉，以20℃/h的升温速率加热至320℃，保温4h，然后以40℃/h的升温速率加热至450—500℃，保温16h，然后出炉整体浸入油池冷却120min，至此该性能热处理过程结束。
实施后效果良好，从锻件延长段锯下120mm长的试块，三个方向取样检验后性能如下：
该产品（附图2）经试用，工作寿命达到1800小时，比常规产品300小时的平均使用寿命提高了6倍。
实施例2
采用本发明制作三缸泵头体时，实施过程如下：
（1）制定配方目标值（质量百分比）C：0.01%-0.04%，Si：0.30%-0.70%，Mn：0.50%-1.00%，S：≤0.007%，P：≤0.015%，Cr：15.0%-16.5%，Ni：4.5%-7.0%，Mo：0.7%-1.2%，N:0.030%-0.060%，Nb：0.05%-0.10%，V：0.07%-0.20%；准备不锈钢熔炼所需的合金炉料纯铁、金属铬、电解镍、钼条、工业硅、电解锰以及造渣材料活性石灰和萤石等熔炼原料。
（2）采用中频感应电炉真空熔炼，制备出直径600mm、高度1200mm、重量2660kg的圆形钢锭。
（3）钢锭锯切头部和底部，保留2100公斤精料（高度约970mm），装入加热炉按≤80℃/H的速率升温至1220℃，保温12小时出炉锻造。
锻造时先沿z向墩粗，墩比1.8；沿y向拔长，拔比2.0；再沿y向墩粗，墩比2.0；沿x向拔长，拔比2.0；沿x向墩粗，墩比2.0；最后沿z向拔长出成品，拔比约2.5，锻制成规格为1380×540×350、重2050kg的毛坯。
（4）首先将完成锻造的泵头体毛坯空冷至85℃之后装入热处理炉内，以30℃/h的升温速率加热至350℃，保温3h，然后以50℃/h的升温速率加热至650℃，保温3h，再以80℃/h的升温速率加热至900℃，接着以30℃/h的升温速率缓慢升温至920—1050℃，保温12h，出炉空冷正火处理。
（5）将经过正火处理的泵头体粗加工成1350×510×320的规格，棱边倒角并加工出贯通孔后装入热处理炉内，以30℃/h的升温速率加热至350℃，保温3h；然后以60℃/h的升温速率加热至650℃，保温4h，再以80℃/h的升温速率加热至900℃，接着以15℃/h的升温速率缓慢升温至920—1050℃，保温13h。之后进行油冷淬火，即将锻件吊出热处理炉整体浸入油池，在油池内上下窜动20min，之后再静止冷却60min，然后吊出油池。将起始温度为135℃的淬火后锻件装入热处理炉，以30℃/h的升温速率加热至350℃，保温5h，然后以40℃/h的升温速率加热至460—540℃，保温12h，然后出炉空冷。将起始温度为142℃的空冷后锻件装入热处理炉，以40℃/h的升温速率加热至350℃，保温4h，然后以60℃/h的升温速率加热至460—540℃，保温13h，然后出炉整体浸入油池冷却80min，至此该性能热处理过程结束。
实施后效果良好，从锻件延长段锯下120mm长的试块，三个方向取样检验后性能如下：
实施例3
采用本发明制作单缸泵头体时，实施过程如下：
（1）制定配方目标值（质量百分比）C：0.01%-0.04%，Si：0.35%-0.80%，Mn：0.70%-1.50%，S：≤0.007%，P：≤0.015%，Cr：15.8%-17.5%，Ni：5.5%-7.5%，Mo：0.8%-1.5%，N:0.050%-0.080%，Nb：0.06%-0.15%，V：0.05%-0.15%；准备不锈钢熔炼所需的合金炉料纯铁、金属铬、电解镍、钼条、工业硅、电解锰以及造渣材料活性石灰和萤石等熔炼原料。
（2）采用中频感应电炉真空熔炼，制备出直径450mm、高度1140mm、重量1430kg的圆形钢锭。
（3）钢锭锯切头部和底部，保留1120公斤精料（高度约765mm），装入加热炉按≤80℃/H的速率升温至1220℃，保温9小时出炉锻造。
锻造时先沿z向墩粗，墩比2.2；沿y向拔长，拔比2.0；再沿y向墩粗，墩比2.0；沿x向拔长，拔比2.0；沿x向墩粗，墩比2.0；最后沿z向拔长出成品，拔比约1.8，锻制成规格为750×350×540、重1110kg的毛坯。
（4）首先将完成锻造的泵头体毛坯空冷至120℃之后装入热处理炉内，以40℃/h的升温速率加热至380℃，保温3h，然后以50℃/h的升温速率加热至680℃，保温3h，再以80℃/h的升温速率加热至880℃，接着以30℃/h的升温速率缓慢升温至1000—1080℃，保温9h，出炉空冷正火处理。
（5）将经过正火处理的泵头体粗加工成720×510×320的规格，棱边倒角并加工出贯通孔后装入热处理炉内，以40℃/h的升温速率加热至380℃，保温2h；然后以50℃/h的升温速率加热至680℃，保温3h，再以80℃/h的升温速率加热至880℃，接着以30℃/h的升温速率缓慢升温至1000—1080℃，保温9h。之后进行油冷淬火，即将锻件吊出热处理炉整体浸入油池，在油池内上下窜动10min，之后再静止冷却50min，然后吊出油池。将起始温度为137℃的淬火后锻件装入热处理炉，以30℃/h的升温速率加热至380℃，保温2h，然后以40℃/h的升温速率加热至460—500℃，保温9h，然后出炉空冷。将起始温度为118℃的空冷后锻件装入热处理炉，以40℃/h的升温速率加热至380℃，保温2h，然后以60℃/h的升温速率加热至500—540℃，保温9h，然后出炉整体浸入油池冷却60min，至此该性能热处理过程结束。
实施后效果良好，从锻件延长段锯下120mm长的试块，三个方向取样检验后性能如下：
所有的实施例数据的晶粒度达到6级以上，屈服强度可达950MPa以上，抗拉强度1000MPa以上，-30℃条件下V型缺口标准试样冲击功达到100J以上。

Claims (2)

1.一种长寿命高压泵头体的制作方法，其特征在于：利用低碳马氏体不锈钢作为泵体材料，通过成分设计、三向等量变形锻造和正火-淬火-两次回火热处理制备得到长寿命高压泵头体，具体包括以下步骤：
步骤一、设计目标值并制作钢锭
（一）制定低碳不锈钢配方目标值，按质量百分比为C：0.01%-0.04%，Si：0.15%-1.0%，Mn：0.25%-1.80%，S：≤0.007%，P：≤0.016%，Cr：14.0%-17.5%，Ni：3.5%-7.5%，Mo：0.5%-1.5%，N:0.010%-0.080%，Nb：0.03%-0.15%，V：0.04%-0.20%，其余为铁以及不可去除杂质；
（二）利用不锈钢原料采用中频感应电炉以低碳不锈钢配方目标值，制备低碳马氏体不锈钢圆柱体钢锭；
步骤二、三向等量变形锻造
去除步骤一得到的圆柱体钢锭的头部与底部，保留精料，装入加热炉加热至1150—1250℃后保温，取出后先沿z向墩粗，沿y向拔长；再沿y向墩粗，沿x向拔长； 最后沿x向墩粗，沿z向拔长出毛坯；
步骤三、性能热处理
（1）首先，将锻造完成的泵头体毛坯空冷至低于180℃，装入热处理炉内，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温2-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至600-680℃，保温3-6h，再以60-80℃/h的升温速率加热至850-900℃，接着以5-30℃/h的升温速率缓慢升温至900-1080℃，保温6-16h，之后进行出炉空冷正火处理；
（2）将经过正火处理的泵头体粗加工并加工出贯通孔后装入热处理炉内，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温1-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至600-680℃，保温2-6h，再以60-80℃/h的升温速率加热至850-900℃，接着以5-30℃/h的升温速率缓慢升温至900-1080℃，保温6-16h，之后进行油冷淬火；
（3）将起始温度低于180℃的油冷淬火后锻件装入热处理炉，以20-40℃/h的升温速率加热至330-360℃，保温2-6h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至450-550℃，保温8-18h，然后出炉空冷；
（4）将起始温度低于180℃的空冷后锻件装入热处理炉，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温1-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至450-550℃，保温7-16h，然后出炉整体浸入油池冷却40-120min，精加工后得到高压泵头体成品。
2.如权利要求1所述的一种长寿命高压泵头体的制作方法，其特征在于：油冷淬火的方法为将锻件吊出热处理炉整体浸入油池，在油池内上下窜动10-20 min，之后再静止冷却40-90min，然后吊出油池。
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