鄭澤花,曹國(guó)珍,袁景科
(湖南三一中陽(yáng)機(jī)械有限公司,湖南 益陽(yáng) 413000)
高壓管廣泛應(yīng)用于油田固井、壓裂、酸化測(cè)試等作業(yè)管線,因工作環(huán)境惡劣且經(jīng)常輸送帶有腐蝕性的高壓液體,管件容易管壁磨損變薄,導(dǎo)致爆裂開(kāi)裂等事故[1-3]。在行業(yè)中對(duì)高壓石油管道的性能要求非常高。而熱處理工藝,很大程度上決定材料性能能否滿足設(shè)計(jì)和使用要求[4-5]。本文對(duì)通用高壓石油管材料4140進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室正交試驗(yàn),得出理想的工藝參數(shù);并通過(guò)批量生產(chǎn)校驗(yàn),確定批量生產(chǎn)工藝參數(shù);并對(duì)回火溫度、調(diào)質(zhì)前的球化退火對(duì)產(chǎn)品最終性能的影響進(jìn)行研究。
4140作為高壓石油管道用的材質(zhì),熱處理性能的優(yōu)劣,直接決定產(chǎn)品是否能滿足苛刻的工況需求。為確定國(guó)產(chǎn)4140材料的熱處理性能,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理的正交試驗(yàn),摸索熱處理工藝。
采用860 ℃保溫,在不同濃度的PAG淬火液中淬火后,經(jīng)過(guò)不同溫度回火,通過(guò)正交試驗(yàn)檢測(cè),確定合理的調(diào)質(zhì)熱處理工藝。
石油管原材料截成0.5米/段,淬火加熱及回火加熱分別在RX4-65-12箱式淬火加熱爐和RX4-22-6箱式回爐火中進(jìn)行。
表1 正交熱處理試驗(yàn)方案
對(duì)調(diào)質(zhì)后的管件進(jìn)行拉伸、沖擊、硬度、金相等檢測(cè)試樣的制備,如圖1所示。
(a)拉伸試樣;(b) 沖擊試樣;(c) 硬度及金相試樣圖1 檢測(cè)試樣(a)tensile sSamples;(b)impact samples;(c)hardness and metallographic sampleFig.1 Testing sample
檢測(cè)試樣的力學(xué)性能和硬度,結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,針對(duì)抗拉強(qiáng)度>860 MPa、延伸率>17%、室溫沖擊功>190 J、硬度25~31 HRC的技術(shù)要求,實(shí)驗(yàn)室正交試驗(yàn)調(diào)質(zhì)工藝860 ℃保溫、8.5%PAG溶液淬火、600 ℃回火的石油管產(chǎn)品開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小,且性能能夠滿足產(chǎn)品要求。
對(duì)不同濃度硝酸酒精溶液腐蝕的試樣觀察在不同濃度的PAG淬火液中淬火和不同溫度回火后的金相組織,如圖2和圖3所示。由圖可以看出,4140材料在不同濃度淬火液中淬火后的組織為馬氏體+殘余奧氏體,不同溫度回火后的組織均為回火索氏體與少量殘余奧氏體。
表2 硬度及力學(xué)性能檢測(cè)
(a)2.5%;(b)5.5%;(c)8.5%圖2 不同濃度PAG淬火液中淬火后的金相組織(500×, 4%硝酸酒精溶液)Fig.2 Microstructure of sample after quenched in various concentrations of PAG liquid (500×,4% solution of nitric acid and alcohol)
(a)500 ℃;(b) 550 ℃ ;(c) 600 ℃圖3 不同溫度回火后的金相組織(500×, 4%硝酸酒精溶液)Fig.3 Microstructures of sample after tempered at different tempered temperature (500×, 4% solution of nitric acid and alcohol)
為了驗(yàn)證球化退火對(duì)最終石油管道產(chǎn)品力學(xué)性能的影響,對(duì)原材料進(jìn)行球化退火后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,與未進(jìn)行球化退火的調(diào)質(zhì)管件做性能對(duì)比。
表3和表4可以看出,與內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)比較,600 ℃回火樣品綜合力學(xué)性能完全達(dá)到了內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求;560 ℃回火,斷面收縮率只略高于標(biāo)準(zhǔn)要求,存在不達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn);調(diào)質(zhì)前退火樣品,抗拉強(qiáng)度比直接調(diào)質(zhì)樣品約低30 MPa,沖擊功高出近10 J,但調(diào)質(zhì)前球化退火未對(duì)最終力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響。
表3 有無(wú)球化退火的力學(xué)性能對(duì)比
為檢驗(yàn)調(diào)質(zhì)處理產(chǎn)品性能的均勻性,對(duì)同一根管道上部和下部取樣,進(jìn)行了性能檢測(cè)(見(jiàn)表3和表4),上、下部位強(qiáng)度、延伸率等性能參數(shù)基本一致,管道整體力學(xué)性能均勻。
表4 同一產(chǎn)品不同部位的力學(xué)性能檢測(cè)
(a)原材料,脆性斷口;(b)球化退火,脆性斷口;(c) 600 ℃回火,韌性斷口;(d) 球化退火+600 ℃回火,韌性斷口圖4 斷口形貌分析(a)brittle fracture of raw material;(b) brittle fracture of raw material after spheroidizing annealing;(c) ductile fracture of sample after tempering at 600 ℃;(d) ductile fracture of sample affer spheroidizing annealing+ tempering at 600 ℃Fig.4 Fracture morphology analysis
對(duì)拉伸試樣的端口進(jìn)行觀察,如圖4所示。由圖可以看出,原材料和球化退火后的原材料樣品沖擊斷口呈脆性斷裂,而調(diào)質(zhì)后所有樣品的斷口都呈韌性斷裂。
原材料為軋制態(tài),內(nèi)部各個(gè)位置變形不均一,硬度波動(dòng)大,見(jiàn)圖5。球化退火消除了內(nèi)部應(yīng)力,析出了球狀碳化物,硬度明顯降低。調(diào)質(zhì)前經(jīng)過(guò)球化退火比直接調(diào)質(zhì)樣品,硬度低大約30 HV(0.3 HRC),對(duì)硬度基本無(wú)影響。
對(duì)不同狀態(tài)的試樣進(jìn)行金相分析,見(jiàn)圖6 ,原材料球化退火后,析出粒狀碳化物,組織更加均勻;球化退火的原材料調(diào)質(zhì)處理后的組織同樣為回火索氏體及少量殘余奧氏體,組織區(qū)別不明顯。
實(shí)驗(yàn)室給出實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)工藝,但因?qū)嶋H生產(chǎn)中受到裝爐量、爐溫均勻性、淬火介質(zhì)變質(zhì)帶來(lái)的假濃度、淬火介質(zhì)的流動(dòng)速度等因素影響,需要對(duì)指導(dǎo)工藝進(jìn)行實(shí)際工藝評(píng)定。
圖5 顯微硬度曲線Fig.5 Curves of micro hardness
首先對(duì)16%濃度PAG淬火液冷卻速度檢測(cè)淬火液的冷速曲線和冷卻曲線,判定淬火液的臨界冷卻速度等指標(biāo)能夠滿足生產(chǎn)要求,見(jiàn)圖7。最后,請(qǐng)專業(yè)檢定機(jī)構(gòu)對(duì)淬火爐、回火爐溫度校準(zhǔn)和檢定。
(a)原材料,貝氏體+少量鐵素體、珠光體;(b)球化退火, 貝氏體+粒狀碳化物+鐵素體;(c)球化退火+600 ℃回火,回火索氏體+少量殘余奧氏體;(d)600 ℃回火,回火索氏體+少量殘余奧氏體圖6 金相組織(a)raw material,bainite+a small quantity of ferrite and pearlite;(b)spheroidizing annealing,bainite+grainy carbide+ferrite;(c)spheroidizing annealing + tempering at 600 ℃,tempered sorbite+a small quanlity of residual austenite;(d) tempering at 600 ℃,tempered sorbite+a small quanlity of residual austeniteFig.6 Microstructure
(a)檢測(cè)條件;(b)淬火液的冷速曲線和冷卻曲線圖7 淬火液檢定(a) detecting condition;(b)cooling rate curve and cooling curve of quenching liquidFig.7 Calibration of quenching liquid
綜合裝爐量、升溫速度、淬火液的冷卻速度、回火裝爐量等因素,確定批量熱處理工藝:860 ℃×2 h保溫,16%PAG淬火液淬火,600 ℃×3.5 h回火。
對(duì)批量生產(chǎn)高壓石油直管的力學(xué)性能及硬度進(jìn)行檢測(cè),樣品如圖8所示,力學(xué)性能見(jiàn)表5。其抗拉強(qiáng)度達(dá)到970 MPa、屈服強(qiáng)度達(dá)到790 MPa、延伸率達(dá)到17.5%、端面收縮率達(dá)到55.5%、沖擊功達(dá)到115 J(-29 ℃),硬度檢測(cè)結(jié)果27~30 HRC,所有指標(biāo)均符合產(chǎn)品技術(shù)要求。調(diào)整后的工藝滿足高壓石油管批量生產(chǎn)要求,通過(guò)熱處理工藝評(píng)定。
表5 高壓石油管產(chǎn)品力學(xué)性能
(a)沖擊試樣;(b)拉伸試樣;(c)硬度試樣圖8 性能檢測(cè)試樣(a) impact sample;(b)tensile sample;(c) hardness sampleFig.8 Samples of property testing
對(duì)高壓石油管道材料4140進(jìn)行系列正交試驗(yàn)與生產(chǎn)工藝調(diào)試,最終通過(guò)了產(chǎn)品的熱處理工藝評(píng)定,熱處理后的產(chǎn)品工藝符合產(chǎn)品技術(shù)要求:
1)確定4140材料高壓石油管的批量調(diào)質(zhì)工藝:860 ℃保溫2 h,16%PAG淬火液淬火,600 ℃×3.5 h回火;
2)調(diào)質(zhì)熱處理后產(chǎn)品符合技術(shù)要求:抗拉強(qiáng)度≥860 MPa,延伸率≥15%,沖擊功≥60 J(-29 ℃);
3)調(diào)質(zhì)前對(duì)原材料的球化退火工藝,對(duì)產(chǎn)品最終的力學(xué)性能、組織沒(méi)有影響。