1 序言 

　　頂驅旋塞閥用于頂驅鉆井裝置，可分為頂驅 上旋塞閥和頂驅下旋塞閥兩種，它們是與頂驅系統 配套使用的一種控制閥。通常情況下兩個(gè)閥串接于 頂部驅動(dòng)鉆井裝置上，該閥可承受來(lái)自上下兩方向 的高壓，其工作壓力可達10000～15000psi(1psi= 0.006895MPa)。

　　閥體材質(zhì)采用A I S I 4330V(以下簡(jiǎn)稱(chēng)4330V 鋼)，它是一種美國標準低合金高強度結構鋼，相 當于國內牌號30CrNi2Mo VA，化學(xué)成分見(jiàn)表1。與其他鋼種相比，4330V鋼經(jīng)過(guò)熱處理后可獲得更高 的屈服強度和沖擊性能，且具有淬透性好、淬火變 形小、機械加工性能好等優(yōu)點(diǎn)。因此，近些年在大 規格、復雜地質(zhì)條件的鉆井中，越來(lái)越多地選用這 種低合金高強度結構鋼制作頂驅接頭。

　　表1 4330V鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數) (%)

　　2 原熱處理工藝

　　閥體需適應低溫工作環(huán)境，主要承受大扭矩沖 擊載荷。API spec7規范要求頂驅旋塞閥閥體-20℃ 低溫沖擊吸收能量平均值KV≥42J，單個(gè)KV≥32J

　　(試件取自閥體最后截面1/2壁厚處)[1]。普通調質(zhì) 鋼采用油淬調質(zhì)工藝，很難滿(mǎn)足API spec7規范對頂驅旋塞閥閥體-20℃低溫沖擊吸收能量的要求，而

　　AISI 4330V鋼(國內對應牌號30CrNi2MoVA)能夠滿(mǎn)足。

　　某油田對頂驅旋塞提出的力學(xué)性能要求見(jiàn)表

　　2，其結構如圖1所示。

　　表2 頂驅旋塞的力學(xué)性能要求

　

 

　　圖1 頂驅旋塞結構

　　頂驅旋塞通常熱處理工藝如下。

　　(1) 正火 920℃保溫220min，空冷。目的是為了細化晶粒，消除帶狀組織，調整硬度，便于后 續機械加工。

　　(2) 調質(zhì) 調質(zhì)工藝在可控氣氛箱式多用爐內完成。此材質(zhì)淬透性較好，除大壁厚工件外常用調 質(zhì)工藝為油淬+回火空冷，淬火冷卻介質(zhì)為快速光 亮淬火油，淬火后及時(shí)回火。淬火工藝：860℃保溫180min，油冷25min;回火工藝：(630±20)℃保 溫210min，空冷。

　　調質(zhì)后，-20℃沖擊吸收能量略低，不符合要 求，其他主要力學(xué)性能合格。

 

　　熱處理工藝如圖2所示。

　　

a) 正火工藝

 

　　

　　b) 調質(zhì)工藝

　　圖2 4330V鋼頂驅旋塞原熱處理工藝

　　3 熱處理工藝改進(jìn)

　　由于4330V鋼屬于剛被廣泛應用的新型材料， 故關(guān)于其熱處理工藝的介紹很少。為此，結合相關(guān) 資料和生產(chǎn)條件，我們對其正火和調質(zhì)淬火工藝進(jìn) 行了試驗。

　　試驗用原材料為東北特鋼生產(chǎn)的4330V圓鋼， 規格φ 210mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。

　　表3 試驗用4330V鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數) (%)

　

　　經(jīng)多次試驗，工藝改進(jìn)如下。

　　(1) 正火 采用870～890℃加熱，出爐后強制風(fēng)冷。其目的是均勻組織，細化奧氏體晶粒。

　　(2) 調質(zhì) 4330V鋼的淬火溫度范圍較大，有關(guān)資料表明，在830～900℃淬火均可。根據工件有 效厚度，通過(guò)幾次對比試驗，最后確定溫度為870～ 890℃，保溫4～5h。

　　因4330V鋼的w C僅為0.31%，所以冷卻時(shí)需要快速冷卻，但用水冷卻易產(chǎn)生淬火裂紋，用油冷卻 無(wú)法獲得理想的心部硬度。因此，調整sencro-P75 水溶性淬火液的濃度至6%，并對淬火槽的攪拌設備 進(jìn)行改造，配置了一組電動(dòng)機功率為5.5k W、攪拌器轉速為720r/min的淬火攪拌設備，進(jìn)行循環(huán)、攪 拌，快速將工件冷卻到40℃以下，最終保證淬火工 件表面硬度與心部硬度相差不大，即兩處組織基本

　　相同，從而使工件的各項力學(xué)性能達到技術(shù)要求。 其中濃度6%的sencro-P75水溶性淬火液檢測數據及 冷卻性能曲線(xiàn)如圖3所示[2]。

　　水溶性淬火液檢測參數：介質(zhì)溫度30℃，環(huán)境 溫度32℃，V max=194℃/s，V300=67℃/s，T Vmax= 698℃，t200=6.8s。

　　

 

　　(3) 回火 淬火后及時(shí)回火。據相關(guān)資料介紹，4330V鋼淬火后560℃回火強度最高，沖擊吸收 能量最低;而在600～620℃回火時(shí)，能獲得最佳的 強度、韌性匹配。經(jīng)過(guò)多次試驗，最終確定回火溫 度為595℃、回火時(shí)間6～8h、出爐后水冷的熱處理 工藝，以得到均勻細小的回火索氏體+鐵素體+碳化 物的金相組織，使產(chǎn)品具有高強度和良好的韌性， 滿(mǎn)足產(chǎn)品在惡劣地質(zhì)條件下工作的嚴苛要求。

　　

改進(jìn)后熱處理工藝如圖4所示。

 

　　

 

　　a) 正火工藝

　　

 

　　b) 調質(zhì)工藝

　　圖4 4330V鋼頂驅旋塞改進(jìn)熱處理工藝

　4 工藝改進(jìn)后效果

　　頂驅旋塞力學(xué)性能檢測結果見(jiàn)表4。

　　表4 頂驅旋塞力學(xué)性能檢測結果

　　

　　由表4可知，三組檢測的各項力學(xué)性能指標均符 合要求。

　　5 結束語(yǔ)

　　1)通過(guò)4330V鋼頂驅旋塞熱處理工藝改進(jìn)，采 用870～890℃正火+870～890℃淬火(保溫4～5h)

　　+595℃回火(6～8h)，可使工件滿(mǎn)足API spec7規

　　范對頂驅旋塞閥閥體的力學(xué)性能要求。

　　2)據相關(guān)資料介紹，工件通過(guò)鍛造比>4:1的 鍛打，可打碎粗大的奧氏體晶粒，從而確保結構緊 密，夾雜物彌散分布，消除帶狀組織，減輕各向異 性。通過(guò)650℃回火+正火可以均勻組織，細化奧氏 體晶粒。此次試驗材料為鍛材，今后我們會(huì )進(jìn)一步 試驗，以探索更好的4330V鋼熱處理工藝，從而提 高產(chǎn)品性能與質(zhì)量。

參考文獻：

　　[1] 李如學(xué)，王瑞霄，聶海濱，等.改進(jìn)調質(zhì)工藝提高頂 驅旋塞閥閥體低溫沖擊性能[J].金屬熱處理，2013

　　(5)：112-112.

　　[2] 趙麗，孟祥冰，劉道喜.水基淬火液冷卻性能及其在 控時(shí)淬火技術(shù)上的應用[J].金屬加工(熱加工)， 2021(2)：82-83.

本論文發(fā)表于《金屬加工-熱加工》2021.12期