钻杆接头淬火裂纹分析

李慧, 张伟, 马韦华

(1.渤海能克钻杆有限公司,河北 青县062658; 2.渤海石油装备巨龙钢管有限公司,河北 青县062658)

0 引 言

钻杆接头（以下简称接头） 所用材料一般为37CrMnMoA，淬火的目的是获得马氏体，再配合一定温度的回火，以提高钢的力学性能，满足钻井生产需求。接头淬火就是将接头加热到临界温度Ac3(亚共析钢)以上温度，保温一段时间，使之全部奥氏体均匀化，然后浸入冷却液中快速冷却，使之转变成马氏体。在快速冷却过程中，接头内部会产生应力，当达到一定程度时，就会开裂，产生裂纹。如图1、图2所示，接头在调质处理后，产生了肉眼可见的贯穿性裂纹和长度25 mm左右的弧形裂纹。

1 淬火裂纹产生的原因

淬火后产生的裂纹分为淬火裂纹和非淬火裂纹，后者是由于原材料本身存在一定的缺陷造成的，可以根据裂纹的形状和特征来加以区分。接头由于淬火产生裂纹的原因有很多，通常情况下，可以考虑从接头尺寸设计和热处理工艺两个方面进行分析。

图1 肉眼可见的贯穿性裂纹

图2 螺纹根部裂纹

1.1 原材料缺陷引起的非淬火裂纹

淬火后产生的裂纹，不一定都是由淬火引起的。如果接头本身有非金属夹杂、晶粒度大或者是存在细小裂纹，则极易在淬火后出现裂纹。可以对裂纹部位剖开做金相分析和夹杂物试验来确定。接头本身有夹杂且过大的，在金相显微分析下，夹杂物呈现出分散的点状、间断的线状等，颜色明显比合金钢颜色要深，且界限明显，夹杂物试验的结果也会超过钻杆标准要求。如果是晶粒度过大引起的裂纹，通过金相分析能明显观察出过大的颗粒组织；若剖开的裂纹两侧有氧化脱碳现象，则证明接头本身就存在微裂纹。

《SY/T 5561-2014钻杆》标准中明确要求钻杆接头材料的晶粒度应为6级或比6级更细, 钻杆接头材料的非金属夹杂物应符合表1的规定。

表1 非金属夹杂物要求

我们对热处理前的接头和裂纹组织分别取样，非金属夹杂物情况如表2所示，金相试验结果如图3～图5所示。由此可知，该批接头非金属夹杂物未超标。对比热处理前后金相试验结果，热处理前存在较大晶粒，但是在热处理后晶粒度为8级，高于标准要求，且分布均匀，说明组织正常。反观裂纹两侧组织没有明显脱碳或氧化，说明裂纹的出现与接头原材料无关。

1.2 接头尺寸不合理

众所周知，钢材在淬火过程中经过热胀冷缩，发生了体积变化，在内部产生了应力。如果接头尺寸设计或加工不合理，在某些有凹槽、棱角的部位就会产生应力集中，从而开裂，裂纹形状为弧形。如图6所示，设计要求公接头螺纹根部圆弧半径为5 mm，我们对发生裂纹的接头进行实际测量后发现，螺纹根部圆弧半径仅为1.6 mm，远小于图样设计要求。此圆弧为公接头螺纹表面与螺纹密封面的过渡圆弧，这两个面之间的夹角接近90°，在热处理过程中过渡圆弧处产生了较大的应力，因此产生了裂纹，如图2 所示。

表2 非金属夹杂物

图3 未热处理金相(×500倍)

图4 热处理后金相(×500倍)

图5 裂纹端部金相图（×500倍）

图6 图样要求

1.3 热处理工艺

工艺方面引起接头淬火裂纹的原因有：淬火温度过高，保温时间过长；淬火冷却方式不合理，冷却介质选择不当，冷速过快，未淬透；没有及时进行回火等。

1.3.1 淬火温度过高，保温时间过长

图7 870 ℃，加热2 h

图8 870 ℃，加热1 h

图9 880 ℃，加热1 h

根据金属材料热处理原理，碳素钢淬火要求加热奥氏体化时碳化物完全溶入奥氏体，以保证合金元素的作用。淬火加热温度过高，会使奥氏体晶粒长大，增加内应力，从而降低材料的力学性能，并且在淬火冷却过程中，因晶粒尺寸变大而使接头开裂。该接头属于亚共析钢，日常生产时将淬火温度选择在Ac3+(30～50)℃，保温时间1 h。为了验证淬火工艺不是导致接头裂纹的根本原因，我们进行了碳化物在奥氏体中的溶解试验，试验温度分别为870 ℃、880 ℃和890 ℃，由试验结果可知，在870～890 ℃，加热时间超过1 h碳化物均可完全溶解，见图7～图10。由此可见，我们日常生产的工艺是没有问题的，淬火温度和保温时间选择比较合理。

1.3.2 淬火冷却方式不合理

淬火液是用喷射泵对准接头内外面喷射，起到淬火液循环流动，均匀冷却的效果。如果喷射泵的压力过大或是淬火液在热处理炉内循环不好，淬火液不能准确地喷射在接头内外面，而是喷在接头螺纹根部，容易造成局部裂纹。对炉膛内部进行查看，淬火液喷淋管均是正对接头内孔，再对比以往的生产记录，喷射泵在规定压力下接头并没有产生裂纹。

1.3.3 冷却介质选择不当

一般可选择的淬火冷却介质分为水淬或油淬，从普遍意义来讲，碳素钢由于淬透性较差，为获得较高的力学性能，一般需选用冷却能力较强的介质。接头热处理淬火液采用的是水溶性淬火剂，属于PAG淬火液。这种淬火液是目前国内外生产使用最普遍、效果最好的水性淬火介质。这种淬火液刚投入使用时效果非常好，但是如果掌握不了PAG淬火液浓度的变化规律，累积到一定时期，接头就会大批量出现裂纹。

图10 890 ℃，加热1 h

1.3.4 冷却速度快，接头未淬透

上面提到接头淬火液是PAG淬火液，在这种工作方式下，接头的硬化层更深，马氏体化更充分，但是淬火液浓度和温度的选择至关重要。淬火液的浓度、温度、循环流动和冷却性能有一定的关系，淬火液浓度越高，冷却速度越慢，相反，冷却速度越快；提升淬火液的温度，可以降低冷却速度，相反，可以提高冷却速度；淬火液的循环流动可以增大接头淬火冷却速度。公司规定的淬火液浓度为20%～25%，当出现图1所示的贯穿性大裂纹后，公司立即抽出淬火液送检分析，发现淬火液实际浓度为16%，证明了该裂纹的产生就是冷速过快导致的。

1.3.5 接头未及时进入回火炉

公司的热处理炉是辊底式淬火炉，能够自动控制炉温，生产期间都是连续生产，即使设备出现故障，也仅仅是在淬火炉内出现卡顿，也不会出现淬火后长时间暴露在室温下，未进入回火炉的情况。如果真出现设备故障，淬火后的接头只要在1 h之内进入回火炉，也能保证质量。

2 淬火裂纹的预防

通过上述分析，我们知道了本批接头之所以产生裂纹，一是由于公接头螺纹根部尺寸加工不合理，没有达到图样的要求；二是淬火液浓度过低，导致接头冷却速度过快而产生裂纹。针对本批接头出现裂纹的原因，我们采取了以下控制措施，来减少淬火裂纹的产生。

2.1 接头尺寸设计

通过对接头所受应力的有限元分析，可知接头螺纹根部是整个接头所受应力最大的地方，其次是刻印槽等部位。根据以往的生产经验，可将接头螺纹根部、刻印槽等有凹槽、直角的部位，设计出过渡圆弧，圆弧半径不小于3.2 mm，避免淬火后应力集中而产生裂纹。生产时严格控制该尺寸，有效地减少了公接头螺纹根部裂纹。

2.2 控制淬火液浓度

为了实时监控淬火液浓度，公司采用折光仪检测浓度，每日检测一次，以便生产时能够及时补充淬火液，使淬火液浓度维持在20%～25%。同时，为了保证淬火液的质量，每月抽取1000 mL淬火液，送淬火液厂家检测样液浓度、冷却特性、pH值和腐败性能。另外，考虑到自来水中含有杂质，接头淬火也会产生氧化皮等杂质，需要操作人员定期对淬火液进行过滤，清理杂质，保证正常生产。通过实践，摸索淬火液的特性，当淬火液使用到一定时间后，整炉更换淬火液。

2.3 原材料的控制

虽然本批接头坯料不存在缺陷，但是在日常生产过程中，还是应该考虑接头的锻造控制。棒料经过锯切、锻造（镦粗、冲孔）、冷却、正火等工序，加工成接头毛坯料，在此过程中容易产生微裂纹。预防微裂纹的产生，只有从锻造工艺入手，控制其变形量、加热方式和锻后冷却速度的控制。这些都是由锻造厂来进行控制，对于使用单位来说，只能在毛坯料加工前进行超声波检测，来甄别原料是否合格。

3 结 语

公司实施了预防措施后，有效地减少了裂纹的产生。总之，接头产生淬火裂纹有各方面原因，只要弄清楚原理，小心控制，就可以有效预防和减少淬火裂纹的产生。