4330V钢顶驱旋塞热处理工艺探讨

2022-02-14孟祥冰刘道喜赵丽

金属加工(热加工) 2022年1期

孟祥冰，刘道喜，赵丽

山东思科工业介质有限公司山东德州 253000

1 序言

顶驱旋塞阀用于顶驱钻井装置，可分为顶驱上旋塞阀和顶驱下旋塞阀两种，它们是与顶驱系统配套使用的一种控制阀。通常情况下两个阀串接于顶部驱动钻井装置上，该阀可承受来自上下两方向的高压，其工作压力可达10000～15000psi（1psi＝0.006895MPa）。

阀体材质采用AISI 4330V（以下简称4330V钢），它是一种美国标准低合金高强度结构钢，相当于国内牌号30CrNi2MoVA，化学成分见表1。与其他钢种相比，4330V钢经过热处理后可获得更高的屈服强度和冲击性能，且具有淬透性好、淬火变形小、机械加工性能好等优点。因此，近些年在大规格、复杂地质条件的钻井中，越来越多地选用这种低合金高强度结构钢制作顶驱接头。

表1 4330V钢化学成分（质量分数）（%）

2 原热处理工艺

阀体需适应低温工作环境，主要承受大扭矩冲击载荷。API spec7规范要求顶驱旋塞阀阀体－20℃低温冲击吸收能量平均值KV≥42J，单个KV≥32J（试件取自阀体最后截面1/2壁厚处）[1]。普通调质钢采用油淬调质工艺，很难满足API spec7规范对顶驱旋塞阀阀体－20℃低温冲击吸收能量的要求，而AISI 4330V钢（国内对应牌号30CrNi2MoVA）能够满足。

某油田对顶驱旋塞提出的力学性能要求见表2，其结构如图1所示。

表2 顶驱旋塞的力学性能要求

图1 顶驱旋塞结构

顶驱旋塞通常热处理工艺如下。

（1）正火 920℃保温220min，空冷。目的是为了细化晶粒，消除带状组织，调整硬度，便于后续机械加工。

（2）调质调质工艺在可控气氛箱式多用炉内完成。此材质淬透性较好，除大壁厚工件外常用调质工艺为油淬+回火空冷，淬火冷却介质为快速光亮淬火油，淬火后及时回火。淬火工艺：860℃保温180min，油冷25min；回火工艺：（630±20）℃保温210min，空冷。

调质后，－20℃冲击吸收能量略低，不符合要求，其他主要力学性能合格。

热处理工艺如图2所示。

图2 4330V钢顶驱旋塞原热处理工艺

3 热处理工艺改进

由于4330V钢属于刚被广泛应用的新型材料，故关于其热处理工艺的介绍很少。为此，结合相关资料和生产条件，我们对其正火和调质淬火工艺进行了试验。

试验用原材料为东北特钢生产的4330V圆钢，规格φ210mm，其化学成分见表3。

表3 试验用4330V钢化学成分（质量分数）（%）

经多次试验，工艺改进如下。

（1）正火采用870～890℃加热，出炉后强制风冷。其目的是均匀组织，细化奥氏体晶粒。

（2）调质 4330V钢的淬火温度范围较大，有关资料表明，在830～900℃淬火均可。根据工件有效厚度，通过几次对比试验，最后确定温度为870～890℃，保温4～5h。

因4330V钢的wC仅为0.31%，所以冷却时需要快速冷却，但用水冷却易产生淬火裂纹，用油冷却无法获得理想的心部硬度。因此，调整sencro-P75水溶性淬火液的浓度至6%，并对淬火槽的搅拌设备进行改造，配置了一组电动机功率为5.5kW、搅拌器转速为720r/min的淬火搅拌设备，进行循环、搅拌，快速将工件冷却到40℃以下，最终保证淬火工件表面硬度与心部硬度相差不大，即两处组织基本相同，从而使工件的各项力学性能达到技术要求。其中浓度6%的sencro-P75水溶性淬火液检测数据及冷却性能曲线如图3所示[2]。

图3 浓度6%sencro-P75淬火液冷却性能曲线

水溶性淬火液检测参数：介质温度30℃，环境温度32℃，Vmax＝194℃/s，V300＝67℃/s，TVmax＝698℃，t200＝6.8s。

（3）回火淬火后及时回火。据相关资料介绍，4330V钢淬火后560℃回火强度最高，冲击吸收能量最低；而在600～620℃回火时，能获得最佳的强度、韧性匹配。经过多次试验，最终确定回火温度为595℃、回火时间6～8h、出炉后水冷的热处理工艺，以得到均匀细小的回火索氏体+铁素体+碳化物的金相组织，使产品具有高强度和良好的韧性，满足产品在恶劣地质条件下工作的严苛要求。

改进后热处理工艺如图4所示。