CN113667814B - 一种钻杆焊区热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钻杆焊区热处理工艺，钻杆焊区由材质26CrMo，强度等级105ksi的钻杆管体和材质37CrMnMo，强度等级130ksi的钻杆接头经惯性摩擦焊接形成，钻杆焊区热处理包括淬火步骤和回火步骤，对钻杆焊区进行淬火时，将淬火加热线圈的中心对准焊缝线偏钻杆管体侧3～8mm处；对钻杆焊区进行回火时，将回火加热线圈的中心对准焊缝线偏钻杆接头侧5～10mm处。本发明有利于降低焊缝线偏钻杆接头侧硬度，提高焊缝线偏钻杆管体侧硬度，使整个焊缝线区域硬度不均匀问题改善，拉伸强度和伸长率、冲击韧性更好，避免焊缝线区域成为整个焊区最薄弱的位置，同时，批量生产合格率高。

Description

一种钻杆焊区热处理工艺
技术领域
本发明属于石油钻杆技术领域，尤其涉及一种钻杆焊区热处理工艺。
背景技术
石油钻杆由钻杆公、母接头和钻杆管体组成，而钻杆管体和钻杆接头由于壁厚不同，所选材料的化学成分、钢级、基体组织性能状态等均不同，因此，公、母接头与管体的连接尤其重要。
目前钻杆管体与钻杆接头最有效、最可靠的连接方法是惯性摩擦焊接，焊接后每根钻杆都有两个焊接区域，而钻杆管体与钻杆接头焊缝线(熔合面)是整根钻杆机械性能最薄弱的位置，焊区热处理工艺直接决定钻杆焊区力学性能和金相组织，不合适的热处理工艺会导致钻杆焊缝线区域硬度差异较大，进而导致焊缝线区域综合力学性能下降，应用过程中发生焊区失效事故。
因此，对于此类钻杆焊区热处理时，需考虑到材料主要合金元素含量不同、材料淬火性不同，材料力学性能不同。
根据经验，钻杆焊区热处理过程中，淬火温度越高，焊区硬度越高，回火温度越高，焊区强度硬度越低。此外，对于26CrMo钻杆管体与37CrMnMo钻杆接头，在实际热处理过程中，要达到相近的强度硬度，钻杆接头需要的回火加热温度更高，钻杆管体则需要的回火加热温度更低。
在现有技术中，对于26CrMo钻杆管体与37CrMnMo钻杆接头摩擦焊接而成的钻杆焊区热处理时，淬火加热线圈和回火加热线圈均对准焊缝线，热处理后焊缝偏钻杆管体侧和管体热影响区相对硬度较低，焊缝线偏接头区域和偏钻杆管体区域硬度差异非常大，对焊区进行拉伸试验时，断裂位置可能发生在焊缝偏钻杆管体侧，即焊缝线区域可能成为整个焊区最薄弱位置，这是钻杆设计制造中应该避免的。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钻杆焊区热处理工艺，改善26CrMo钻杆管体与37CrMnMo钻杆接头焊接后整个焊缝线区域硬度不均匀的问题，避免焊缝线区域成为整个焊区最薄弱的位置，采用本发明所述的区热处理工艺生产的钻杆的拉伸强度、伸长率、冲击韧性都更好，同时，可提升批量生产的合格率。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种钻杆焊区热处理工艺，包括经惯性摩擦焊接的钻杆管体和钻杆接头焊接形成的钻杆焊区，所述钻杆焊区热处理包括淬火处理及和回火处理，在对钻杆管体和钻杆接头之间的钻杆焊区进行淬火时，将淬火加热线圈的中心对准焊缝线偏钻杆管体侧3～8mm处；在对钻杆管体和钻杆接头之间的钻杆焊区进行回火时，将回火加热线圈的中心对准焊缝线偏钻杆接头侧5～10mm处。
作为优选地，所述淬火处理过程包括：
步骤一，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，将淬火加热线圈中心对准焊缝线偏钻杆管体侧3～8mm；
步骤二，利用55～75s，将焊区温度升高至830～900℃，并保温95～115s；
步骤三，淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气，外淋内喷时间超过50s。
作为优选地，所述回火过程具体包括：
步骤一，将钻杆焊区送至回火加热线圈位置，将回火加热线圈中心对准焊缝线偏钻杆接头侧5～10mm；
步骤二，利用55～75s，将焊区温度升高至640～690℃，并保温145～165s；
步骤三，空气冷却至室温。
作为优选地，所述钻杆管体材质为26CrMo，强度等级105ksi；所述钻杆接头材质为37CrMnMo，强度等级130ksi。
本发明中，所述钻杆管体主要合金元素包括C0.24～0.30％，Si0.250～0.35％，Mn1.0～1.20％，Cr0.75～1.0％，Mo0.15～0.25％，P≤0.008％，S≤0.005％，余量为Fe，所述钻杆管体屈服强度不小于724MPa，硬度24～30HRC。
作为优选地，所述钻杆接头主要合金元素包括C 0.35～0.4％，Si0.30～0.40％，Mn 0.80～1.0％，Cr 0.9～1.2％，Mo 0.28～0.33％，P≤0.008％，S≤0.005％，余量为Fe，所述钻杆接头接头屈服强度不小于896MPa，硬度31～36HRC。
可以看出钻杆接头材质主要合金元素比例高与钻杆管体，尤其是C含量，即钻杆接头淬透性、淬硬性优于钻杆管体，在同样的淬火工艺下，钻杆接头显微组织转变更充分，淬硬性更高。此外，钻杆接头强度等级为130ksi，钻杆管体强度等级为105ksi，前者强度硬度高于后者。
经试验论证，本发明最优选钻杆焊区热处理工艺，在对钻杆管体和钻杆接头之间的钻杆焊区进行淬火时，将淬火加热线圈的中心对准焊缝线偏钻杆管体侧3mm处；利用55s，将焊区温度升高至830℃，并保温95s；淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气；在对钻杆管体和钻杆接头之间的钻杆焊区进行回火时，将回火加热线圈的中心对准焊缝线偏钻杆接头侧5mm处；利用55s，将焊区温度升高至640℃，并保温145s；空气冷却至室温。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供一种钻杆焊区热处理工艺，具备以下有益效果：
(1)本发明提供一种钻杆焊区热处理工艺，在钻杆管体材质为26CrMo，强度等级为105ksi，钻杆接头材质为37CrMnMo，强度等级为130ksi，经摩擦焊后焊区热处理时，淬火加热过程中，距离加热线圈中心位置越远，加热温度逐渐递减，将淬火加热线圈中心对准焊缝线偏钻杆管体侧3～8mm，使得焊缝线偏钻杆管体侧的加热温度高于焊缝线位置，焊缝线位置温度高于焊缝线偏钻杆接头侧位置，确保焊缝线偏钻杆管体侧硬度不会很低，焊缝线和焊缝线偏钻杆接头侧硬度不会很高；
(2)在回火加热过程中，将回火加热线圈中心对准焊缝线偏钻杆管体侧5～10mm，使得焊缝线偏钻杆接头侧的加热温度高于焊缝线位置，焊缝线位置温度高于焊缝线偏钻杆管体侧位置，而回温度越高，硬度越低，也可进一步确保焊缝线偏钻杆管体侧硬度不会很低，焊缝线和焊缝线偏钻杆接头侧硬度不会很高。
(3)通过本发明获得的钻杆焊区的屈服强度不小于690MPa，抗拉强度不小于758MPa，焊缝区域硬度均匀且不超过37HRC。
(4)与现有技术相比较，本发明有利于降低焊缝线偏钻杆接头侧硬度，提高焊缝线偏钻杆管体侧硬度，使整个焊缝线区域硬度不均匀问题改善，拉伸强度和伸长率、冲击韧性更好，避免焊缝线区域成为整个焊区最薄弱的位置，同时，批量生产合格率高。
附图说明
图1为本发明中钻杆焊区及淬火加热示意图。
图2为本发明中钻杆焊区及回火加热示意图。
图3为本发明中钻杆焊区全壁厚硬度测试点示意图。
图中：1-钻杆管体、2-钻杆接头、3-焊缝线、4-惯性摩擦焊接热影响区、5-淬火加热线圈、6-回火加热线圈、7-管体侧热影响区、8-接头侧热影响区、9-焊区全壁厚硬度测试点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种钻杆焊区热处理工艺，包括经惯性摩擦焊接的钻杆管体1和钻杆接头2焊接形成的钻杆焊区，所述钻杆焊区热处理包括淬火处理及和回火处理，在对钻杆管体1和钻杆接头2之间的钻杆焊区进行淬火时，将淬火加热线圈5的中心对准焊缝线3偏钻杆管体1侧3～8mm处；在对钻杆管体1和钻杆接头2之间的钻杆焊区进行回火时，将回火加热线圈6的中心对准焊缝线3偏钻杆接头2侧5～10mm处。
淬火处理过程包括：
步骤一，将钻杆焊区送至淬火加热线圈5位置，将淬火加热线圈5中心对准焊缝线3偏钻杆管体1侧3～8mm；
步骤二，利用55～75s，将焊区温度升高至830～900℃，并保温95～115s；
步骤三，淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
回火过程具体包括：
步骤一，将钻杆焊区送至回火加热线圈6位置，将回火加热线圈6中心对准焊缝线3偏钻杆接头2侧5～10mm；
步骤二，利用55～75s，将焊区温度升高至640～690℃，并保温145～165s；
步骤三，空气冷却至室温。
选材说明：所述材质26CrMo，强度等级105ksi的钻杆管体1主要合金元素包括C0.24～0.30％，Si0.250～0.35％，Mn1.0～1.20％，Cr0.75～1.0％，Mo0.15～0.25％，P≤0.008％，S≤0.005％，余量为Fe，管体屈服强度不小于724MPa，硬度24～30HRC；
所述材质37CrMnMo，强度等级130ksi的钻杆接头2主要合金元素包括C 0.35～0.4％，Si0.30～0.40％，Mn 0.80～1.0％，Cr 0.9～1.2％，Mo 0.28～0.33％，P≤0.008％，S≤0.005％，余量为Fe，接头屈服强度不小于896MPa，硬度31～36HRC。
实施例1
一种钻杆焊区热处理工艺，包括经惯性摩擦焊接的钻杆管体1和钻杆接头2焊接形成的钻杆焊区，所述钻杆焊区热处理包括淬火处理及和回火处理，在对钻杆管体1和钻杆接头2之间的钻杆焊区进行淬火时，采用本发明工艺进行焊区热处理：
步骤一，钻杆焊区淬火热处理，将钻杆焊区送至淬火加热线圈5位置，将淬火加热线圈5中心对准焊缝线3偏管体侧3mm；用55s时间，将焊区温度升高至830℃，并保温95s；加热完成后立即对焊区进行淬火冷却，采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，冷却介质温度不超过45℃，内喷压缩空气，冷却时间70s，冷却后焊区温度52℃；
步骤二，钻杆焊区回火热处理，将钻杆焊区送至回火加热线圈6位置，将回火加热线圈6中心对准焊缝线3偏接头侧5mm；用55s时间，将焊区温度升高至640℃，并保温145s；加热完成后空冷至室温。
实施例2
一种钻杆焊区热处理工艺，包括经惯性摩擦焊接的钻杆管体1和钻杆接头2焊接形成的钻杆焊区，所述钻杆焊区热处理包括淬火处理及和回火处理，在对钻杆管体1和钻杆接头2之间的钻杆焊区进行淬火时，采用本发明工艺进行焊区热处理：
步骤一，钻杆焊区淬火热处理，将钻杆焊区送至淬火加热线圈5位置，将淬火加热线圈5中心对准焊缝线3偏管体侧8mm；用75s时间，将焊区温度升高至900℃，并保温115s；加热完成后立即对焊区进行淬火冷却，采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，冷却介质温度不超过45℃，内喷压缩空气，冷却时间70s，冷却后焊区温度48℃；
步骤二，钻杆焊区回火热处理，将钻杆焊区送至回火加热线圈6位置，将回火加热线圈6中心对准焊缝线3偏接头侧10mm；用75s时间，将焊区温度升高至690℃，并保温165s；加热完成后空冷至室温。
实施例3
一种钻杆焊区热处理工艺，包括经惯性摩擦焊接的钻杆管体1和钻杆接头2焊接形成的钻杆焊区，所述钻杆焊区热处理包括淬火处理及和回火处理，在对钻杆管体1和钻杆接头2之间的钻杆焊区进行淬火时，采用本发明工艺进行焊区热处理：
步骤一，钻杆焊区淬火热处理，将钻杆焊区送至淬火加热线圈5位置，将淬火加热线圈5中心对准焊缝线3偏管体侧5mm；用65s时间，将焊区温度升高至865℃，并保温105s；加热完成后立即对焊区进行淬火冷却，采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，冷却介质温度不超过45℃，内喷压缩空气，冷却时间70s，冷却后焊区温度50℃；
步骤二，钻杆焊区回火热处理，将钻杆焊区送至回火加热线圈6位置，将回火加热线圈6中心对准焊缝线3偏接头侧7mm；用65s时间，将焊区温度升高至670℃，并保温155s；加热完成后空冷至室温。
实施例4(对照组)
对比例中，一种钻杆焊区热处理工艺，包括经惯性摩擦焊接的钻杆管体1和钻杆接头2焊接形成的钻杆焊区，所述钻杆焊区热处理包括淬火处理及和回火处理，在对钻杆管体1和钻杆接头2之间的钻杆焊区进行淬火时，采用常规工艺进行焊区热处理，具体如下：
步骤一，钻杆焊区淬火热处理，将钻杆焊区送至淬火加热线圈5位置，将淬火加热线圈5中心对准焊缝线3；用65s时间，将焊区温度升高至860℃，并保温105s；加热完成后立即对焊区进行淬火冷却，采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，冷却介质温度不超过45℃，内喷压缩空气，冷却时间70s，冷却后焊区温度50℃；
步骤二，钻杆焊区回火热处理，将钻杆焊区送至回火加热线圈6位置，将回火加热线圈6中心对准焊缝线3；用65s时间，将焊区温度升高至670℃，并保温155s；加热完成后空冷至室温。
对采用本发明的工艺实施例1、2和3与实施例4(对照组)进行热处理后的钻杆焊区取样进行力学性能试验，试验结果见表1、表2所示，注意表2中管体侧热影响区测量数据任取3个位置采集数据。
表1焊区力学性试验能结果
Figure BDA0003218937660000071
表2焊区全截面硬度(HRC)
Figure BDA0003218937660000072
Figure BDA0003218937660000081
通过对比可以看出，钻杆焊区热处理时采用本发明工艺(实施例1、2和3)与常规工艺(实施例4)相比较，焊区拉伸强度不降低的同时塑性延伸率和冲击韧性显著提高，采用新工艺后焊缝线3偏钻杆管体1侧硬度提高，焊缝线3及其偏钻杆接头2侧硬度均降低，焊缝线3两侧硬度差异大的问题明显改善，同时，接头侧热影响区8的硬度值无明显变化，管体侧热影响区7仍为整个焊区最薄弱位置，但较常规工艺相比较，该区域硬度值得到提高。即与现有技术相比较，本发明有利于降低焊缝线3偏钻杆接头2侧的硬度，提高焊缝线3偏钻杆管体1侧硬度，使整个焊缝线区域硬度不均匀问题改善，拉伸强度和伸长率、冲击韧性更好，避免焊缝线区域成为整个焊区最薄弱的位置，同时，批量生产合格率高。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种钻杆焊区热处理工艺，包括经惯性摩擦焊接的钻杆管体（1）和钻杆接头（2）焊接形成的钻杆焊区，所述钻杆管体（1）材质为26CrMo，强度等级105ksi；所述钻杆接头（2）材质为37CrMnMo，强度等级130ksi；
所述钻杆管体主要合金元素包括C0.24～0.30%，Si0.250～0.35%，Mn1.0～1.20%，Cr0.75～1.0%，Mo0.15～0.25%，P≤0.008%，S≤0.005%，余量为Fe，所述钻杆管体屈服强度不小于724MPa，硬度24～30HRC；
所述钻杆接头主要合金元素包括C 0.35～0.4%，Si0.30～0.40%，Mn 0.80～1.0%，Cr0.9～1.2%，Mo 0.28～0.33%，P≤0.008%，S≤0.005%，余量为Fe，所述钻杆接头接头屈服强度不小于896MPa，硬度31～36HRC；
所述钻杆焊区热处理包括淬火处理及回火处理，其特征在于：在对钻杆管体（1）和钻杆接头（2）之间的钻杆焊区进行淬火时，将淬火加热线圈（5）的中心对准焊缝线（3）偏钻杆管体（1）侧3～8mm处；在对钻杆管体（1）和钻杆接头（2）之间的钻杆焊区进行回火时，将回火加热线圈（6）的中心对准焊缝线（3）偏钻杆接头（2）侧5～10mm处；
钻杆焊区的屈服强度不小于690MPa，抗拉强度不小于758MPa，焊缝区域硬度均匀且不超过37HRC。
2.如权利要求1所述的钻杆焊区热处理工艺，其特征在于：所述淬火处理过程包括：
步骤一，将钻杆焊区送至淬火加热线圈（5）位置，将淬火加热线圈（5）中心对准焊缝线（3）偏钻杆管体（1）侧3～8mm；
步骤二，利用55～75s，将焊区温度升高至830～900℃，并保温95～115s；
步骤三，淬火冷却采用外喷淋浓度12.5%的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
3.如权利要求1所述的钻杆焊区热处理工艺，其特征在于：所述回火处理具体包括：
步骤一，将钻杆焊区送至回火加热线圈（6）位置，将回火加热线圈（6）中心对准焊缝线（3）偏钻杆接头（2）侧5～10mm；
步骤二，利用55～75s，将焊区温度升高至640～690℃，并保温145～165s；
步骤三，空气冷却至室温。
4.如权利要求1-3任一项所述的钻杆焊区热处理工艺，其特征在于：在对钻杆管体（1）和钻杆接头（2）之间的钻杆焊区进行淬火时，将淬火加热线圈（5）的中心对准焊缝线（3）偏钻杆管体（1）侧3mm处；利用55s，将焊区温度升高至830℃，并保温95s；淬火冷却采用外喷淋浓度12.5%的水溶性PAG介质，内喷压缩空气；在对钻杆管体（1）和钻杆接头（2）之间的钻杆焊区进行回火时，将回火加热线圈（6）的中心对准焊缝线（3）偏钻杆接头（2）侧5mm处；利用55s，将焊区温度升高至640℃，并保温145s；空气冷却至室温。
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