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低應力脆性斷裂案例分享 :會造成重大經濟損失!!!

壓裂頭是油田壓裂作業中安裝在采油(氣)樹頂部,用于匯集多條管線壓裂液,實現多管線注入的重要設備,適用于大排量、高壓力壓裂作業。


壓裂頭系大型零件,單件小批生產,基本不進行熱處理工藝試驗,現連續兩次發生壓裂頭熱處理后出現裂紋的重大質量事故,不僅嚴重影響生產,且造成重大經濟損失。


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→調質→機加工去掉氧化皮→探傷。



圖1  壓裂頭形狀


壓裂頭材料為30CrNi2MoV。技術要求:230~286HBW。產品最大直徑為750mm,高度為890mm,中心孔尺寸為φ130mm,結構尺寸如圖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,發現壓裂頭內孔裂紋形貌如圖3所示,靠近內孔小凸臺端面有肉眼可見的裂紋,如圖4所示。



圖3  壓裂頭內孔裂紋形貌




圖4  靠近內孔小凸臺端面上的裂紋



三、壓裂頭裂紋產生的原因分析


(1)壓裂頭鍛件材質
壓裂頭的毛坯是由外協單位提供,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要求。

(2)壓裂頭熱處理工藝
熱處理工藝如圖5所示。通過對壓裂頭進行取樣分析,發現壓裂頭力學性能、微觀組織及晶粒度均滿足技術要求。



圖5  熱處理工藝


(3)裂紋形貌
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力與直徑的關系,如圖7所示。應力的作用方式和大件淬裂產生的力學模型如圖8所示。



圖7  大型產品淬火后的殘余應力圖




圖8  大型件應力的作用方式和淬裂產生的力學模型


由于壓裂頭中心孔較小,在冷卻過程中,中心孔內表面不能很好地冷卻,由圖7可知,中心孔內表面為拉應力,這是因為在冷卻末期,外層金屬(圖8陰影線部分),已先于內部冷至低溫(直到室溫),這時內部金屬的溫度必然不同程度地高于外層,當心部金屬隨后繼續降溫時,因伴隨的體積收縮受到外層金屬的強制約束,而在中心部分產生三向拉應力,其最大拉應力主要作用在大型件的截面中心處。金屬力學性能理論表明,金屬在三向拉應力作用下,大大約束了塑性變形能力,使其轉變為脆性狀態,極易產生低應力脆性斷裂,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,利用組織應力與熱應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,使最大拉應力盡可能從內孔表面移至截面內部,這就可以避免中心孔開裂,同時使內層淬裂的危險性減小。

生產實踐證明,采用中心孔通水的強制冷卻方式,壓裂頭熱處理后,不再有中心孔內表面裂紋現象發生。

作者:馮玲

單位:中石化第四機械廠

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