壓裂頭是油田壓裂作業(yè)中安裝在采油（氣）樹頂部，用于匯集多條管線壓裂液，實現(xiàn)多管線注入的重要設(shè)備，適用于大排量、高壓力壓裂作業(yè)。壓裂頭系大型零件，單件小批生產(chǎn)，基本不進行熱處理工藝試驗，現(xiàn)連續(xù)兩次發(fā)生壓裂頭熱處理后出現(xiàn)裂紋的重大質(zhì)量事故，不僅嚴重影響生產(chǎn)，且造成重大經(jīng)濟損失。
一、壓裂頭的工藝流程
壓裂頭的形狀如圖1所示。工藝流程：鍛造成形→正火→粗加工→劃線→鉆鏜中間大孔→調(diào)質(zhì)→機加工去掉氧化皮→探傷。
圖1 壓裂頭形狀
壓裂頭材料為30CrNi2MoV。技術(shù)要求：230～286HBW。產(chǎn)品最大直徑為750mm，高度為890mm，中心孔尺寸為φ130mm，結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。
圖2 壓裂頭示意
二、壓裂頭熱處理后裂紋形貌
熱處理后，去掉氧化皮，探傷，發(fā)現(xiàn)壓裂頭內(nèi)孔裂紋形貌如圖3所示，靠近內(nèi)孔小凸臺端面有肉眼可見的裂紋，如圖4所示。
圖3 壓裂頭內(nèi)孔裂紋形貌
圖4 靠近內(nèi)孔小凸臺端面上的裂紋
三、壓裂頭裂紋產(chǎn)生的原因分析
壓裂頭的毛坯是由外協(xié)單位提供，毛坯入廠時通過超聲波探傷檢測，壓裂頭毛坯夾雜物及高低倍組織均滿足技術(shù)要求。熱處理工藝如圖5所示。通過對壓裂頭進行取樣分析，發(fā)現(xiàn)壓裂頭力學(xué)性能、微觀組織及晶粒度均滿足技術(shù)要求。
圖5 熱處理工藝
對裂紋進行取樣分析，裂紋形貌如圖6所示，裂紋是在熱處理過程中產(chǎn)生的。
圖6 裂紋形貌
四、原因分析
深入了解熱處理過程，熱處理油池的容量為30t左右，冷卻過程中向油池注入空氣進行攪拌，油池冷卻效果不是很好。查閱有關(guān)手冊資料得知，30CrNi2MoV的端淬試樣直徑遠小于壓裂頭的有效厚度，在冷卻效果較好的油池中，如果僅采用空氣攪拌而不采取其他的方法，壓裂頭也是無法淬透的。原蘇聯(lián)聶姆琴斯基做了大量的試驗，對于非淬透性鋼，在油淬后測得殘余應(yīng)力與直徑的關(guān)系，如圖7所示。應(yīng)力的作用方式和大件淬裂產(chǎn)生的力學(xué)模型如圖8所示。
圖7 大型產(chǎn)品淬火后的殘余應(yīng)力圖
圖8 大型件應(yīng)力的作用方式和淬裂產(chǎn)生的力學(xué)模型
由于壓裂頭中心孔較小，在冷卻過程中，中心孔內(nèi)表面不能很好地冷卻，由圖7可知，中心孔內(nèi)表面為拉應(yīng)力，這是因為在冷卻末期，外層金屬（圖8陰影線部分），已先于內(nèi)部冷至低溫（直到室溫），這時內(nèi)部金屬的溫度必然不同程度地高于外層，當(dāng)心部金屬隨后繼續(xù)降溫時，因伴隨的體積收縮受到外層金屬的強制約束，而在中心部分產(chǎn)生三向拉應(yīng)力，其最大拉應(yīng)力主要作用在大型件的截面中心處。金屬力學(xué)性能理論表明，金屬在三向拉應(yīng)力作用下，大大約束了塑性變形能力，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，極易產(chǎn)生低應(yīng)力脆性斷裂，這就是具有珠光體組織的大型零件心部金屬，在熱應(yīng)力作用下形成裂紋（被淬裂）的根本原因。
五、改進措施及效果
為解決壓裂頭淬裂的問題，利用組織應(yīng)力與熱應(yīng)力在大件截面中心處能相互抵消的原理，采用中心孔通水強冷的整體加熱的普通淬火方法，使最大拉應(yīng)力盡可能從內(nèi)孔表面移至截面內(nèi)部，這就可以避免中心孔開裂，同時使內(nèi)層淬裂的危險性減小。生產(chǎn)實踐證明，采用中心孔通水的強制冷卻方式，壓裂頭熱處理后，不再有中心孔內(nèi)表面裂紋現(xiàn)象發(fā)生。
作者：馮玲
單位：中石化第四機械廠
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