高壓活動接頭為石油鉆采管路的關鍵連接件，在石油鉆采中主要起輸送流體的作用。 由于活動彎接頭多安裝在管路變向拐彎處（如圖1），常因流體擁堵和沖刷造成較大的應力集中，加之材料不可避免地存在一些微觀缺陷，在高壓下極易發生爆裂（見圖2），導致井液泄漏噴射，危及人身安全，帶來很大的事故隱患。為此，我們對某油田現場發生開裂的彎頭進行了全面分析，找出了爆裂的原因，并進行了工藝改進，取得了滿意的效果。
圖1 高壓活動彎接頭
圖2 彎接頭現場使用爆裂
1.彎接頭技術要求
該零件材料為20CrNiMo，技術要求：表面滲碳硬度56～62HRC，滲碳層深1.0～1.2mm，心部硬度25～30HRC。彎頭加工工藝路線：鍛造→正火→粗車→時效→精加工→彈道滲碳淬火→噴砂修磨→磁粉探傷→成品。為保證表面硬度，采用圖3所示的滲碳淬火工藝。
圖3 滲碳直接淬火工藝
2.檢驗方法和結果
（1）斷口形貌檢查
斷口平齊呈脆性斷口（見圖4），說明材料延展性較差。
圖4 彎接頭斷口形貌圖
（2）化學成分
在失效樣品上取樣進行化學分析，其結果符合標準要求，見表1。
（3）硬度和金相分析
取樣進行硬度和金相分析，表面硬度為57HRC，心部硬度為22HRC，彈道滲層深度為1.1mm，金相組織表面為回火馬氏體2級，碳化物1級。滲碳深度和組織符合技術要求，但心部硬度較低。
表1爆裂彎頭的化學成分（質量分數）（%）
（4）力學性能
從失效樣品取樣進行力學性能試驗，結果如表2所示。
表2 爆裂彎頭力學性能試驗結果
項目 | 抗拉強 度/MPa | 屈服強 度/MPa | 伸長 率（%） | 斷面收 縮率（%） | 沖擊功 Akv（ -29℃）/J |
實測結果 | 740 | 625 | 14 | 40 | 20/22/27 |
技術指標 | 800 | 680 | 12 | 35 | 27（平均值） |
從試驗數據看，材料強度和沖擊韌性低于指標要求。
（5）夾雜物檢測
經在裂紋附近取樣觀察，發現脆性夾雜物級別達到3級，技術要求為≤2級。
3.原因分析與討論
彎接頭工作時承受較高壓力和交變載荷，要求材料具有高強度高韌性，若材料韌性不足易在薄弱部位造成開裂。在開裂樣品裂紋處發現有氧化物夾雜，說明材料冶金質量不過關。材料的塑韌性不足原因是滲碳工藝不當，心部存在較多的混合組織。
4.改進措施及效果
影響彎接頭材料質量的因素有材料冶金質量和內部金相組織。為此，在對比多種材料的基礎上，經過多次工藝試驗總結出以下改進措施：
（1）提高材料冶煉等級，將原來采購普通材料改為真空精煉脫氣鋼，雖然成本有所增加，但大大提高了鋼的純凈度，由于減少了雜質含量，結果因夾雜物超標導致的廢品大大減少。所以，總的來看，費用基本沒有增加。
（2）滲碳采用一次淬火細化晶粒（見圖5），提高心部強韌性。
（3）對改進后的彎接頭進行材料檢驗，夾雜物級別≤1級，對心部取樣做力學性能試驗，強度和沖擊性能均達到技術要求。跟蹤產品現場使用情況，再沒有發生爆裂問題。
圖5 彎接頭滲碳一次淬火工藝
5.結語
彎接頭20CrNiMo材料采用真空冶煉工藝和熱處理滲碳+一次淬火工藝可以有效提高產品的材料性能，從而大大減少廢品率，避免產品在使用中的開裂，提高了企業的產品形象。
作者：劉瓊、胡順、李平
單位：江漢石油管理局第四機械廠
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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