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石油钻具大型稳定器选材及热处理分析 　　摘 要：作为钻井的常用工具之一，石油钻井稳定器要具有较高的安全可靠性，尤其是综合力学性能，必须达到较高要求。当前，许多大型稳定器的体积质量均较大，给热处理工作增加了难度。此外，许多石油钻具生产厂及专业的热处理厂，在对大型稳定器进行热处理的生产过程中，均发生了不同程度的纵裂、横裂质量事故及力学性能不达标的现象，导致了严重的经济损失。所以，对于石油钻具大型稳定器的选材及热处理，必须予以足够的重视。 　　关键词：石油钻具 大型稳定器 选材 热处理 　　石油钻井稳定器是钻井中使用频率较高的工具之一，其安全可靠性与钻井工作的安全有着很大的联系。但当前石油钻井的大型稳定器，其质量体积普遍较大，给热处理工作造成了很大的困扰，甚至会发生不同程度的纵裂、横裂质量事故或力学性能不符合要求的现象，给石油钻具生产厂及热处理厂造成了巨大的经济损失。 　　一、关于大型稳定器选材的分析 　　1.以质量及Bi毕式准数为衡量标准，大型稳定器属于大锻件[1]。由于大型稳定器在工作时受到的力以拉应力为主，故在受拉伸载荷零件的淬火后，其表层和心部应均为马氏体组织，或者是马氏体-下贝氏体复相组织。在中低碳合金钢中，普遍采用的是马氏体-下贝氏体复相组织，因为其强韧性要远远优于贝氏体单一组织。所以，大型稳定器用钢的淬硬性及淬透性必须达到相关规定的要求。石油钻具的常用钢主要有40CrNiMo、40CrMnMo及4145H等[2]。当钢中的主要元素含量偏下限或是下限时，热处理性能会出现显著差异，而此种情况也常出现于40CrNiMo淬透性曲线中。所以，上述几种常用钢应用在大型稳定器时，其主要元素的含量应倾向于中上限。 　　2.近年来，我国引进了大量的4145HMOD钢。该种钢广泛应用于大型石油钻具中，因为其Mo的含量明显高于40CrNiMo、40CrMnMo、4145H三种钢种，而增加了Mo含量，则表示钢的淬透性也增加了，进而大大增加了钢的回火抗力，钢的二次脆性则明显减轻。所以，在现阶段，4145HMOD钢被认为是大型稳定器的最佳材料。 　　二、大型稳定器热处理工艺的相关分析 　　1.大型稳定器发生纵裂、??裂的原因分析 　　1.1通常情况下，大型稳定器直径偏小的颈部是最容易发生纵裂的部位，而直径尺寸较大的部位则易发生横裂。如果将材料缺陷导致材料强度下降的因素排除，内应力超出材料实际破断强度则是导致断裂的主要原因，而热应力是引起横裂的首要原因，组织应力则是导致纵裂的第一原因。大锻件在加热及冷却的过程中均会产生大量的热应力，尤其是加热时形成的热应力，极易增加横裂的危险性；而淬火冷却的过程则是组织应力的生成过程，冷却程度越厉害，终冷温度则更低，纵裂的危险性也更大[3]。实际上，淬火件内最大拉应力及存在部位是淬裂得以形成的最主要因素。所以，如何在保证力学性能符合要求的前提下，将加热及冷却过程中的最大拉应力降低，并改变其发生的位置，则是防止大型稳定器断裂的重要环节。 　　1.2工艺、结构等因素也会直接影响到瞬时内应力的产生及残余应力的大小。在冷却方式上，大型实心轴类零件不同于有中心孔的轴累零件，两者在热处理后的残余应力是存在较大差异的。当中心孔不冷却时，其与实心轴类零件在热处理后的残余应力则无差异，而中心孔及其表面如果同时冷却，其外表及内壁均会受压，中间则受拉，则大幅度降低了其峰值。大锻件在装进正火温度或炉温升值淬火的炉中时，若其表面温度为450℃，则其心部与表面温差将高达300℃以上，此时工件会形成巨大的内应力，这对于处在弹性状态的锻件无疑是十分危险的。据了解，采用阶梯加热的方式，能将低温区锻件的表面及心部温差显著降低，最大温差仅有70℃，此时则能有效降低工件的内应力。 　　2.提高综合力学性能的方法分析 　　先选择合适的材料，然后在进行热处理前钻中心孔，以减少材料的有效壁厚，从而获取所需的淬火组织。淬火介质与钢的淬透性有着紧密联系，能否选择恰当的淬火介质，将直接影响到钢的淬透性。水基淬火介质能够调节浓度，改变冷却的特性温度，最终达到需要的冷却速度，既有效保证了钢的淬硬性，又提高了钢的淬透性，从而大大减小了工件的淬裂倾向。通过采取上述方法，能让大型稳定器颈部获取足量的马氏-下贝氏体组织或马氏体组织，回火也可取得均匀的回火索氏体组织；同时，颈部的横截面每个部位的硬度达到285HB，这样即可有效提高了大型稳定器的综合力学性能。 　　3.热处理工艺的编制分析 　　根据以上降低内应力的方法，并结合调整最大内应力出现位置的措施，首先，在开始热处理前钻中心孔，这样做的目的是减小工件的有效壁厚。其次，采取阶梯加热方式进行加热，再选择合适的水基淬火介质，待淬火冷却时，高温期会快速冷却，这样便可得到高的热应力值将组织应力抵消掉；最后