提高20CrMo钢钻杆使用寿命的研究

摘  要：对20CrMo钢制钻杆进行失效分析，得出魏氏组织的存在和晶粒粗大是钻杆发生早期断裂的主要原因。通过对

几种细化晶粒方法的比较，提出采用二次正火可细化晶粒并消除魏氏组织。

关键词：20CrMo钢；魏氏组织；二次正火

非开挖钻杆用20CrMo钢管制造，钢管长2500mm、内径70mm、壁厚8mm，管体用中频感应加热到1100℃后，在平锻机上进行锻造，目的是把管头300mm范围内，将管壁厚由原始管的8mm增加到15mm，加厚过渡区长度为100mm，此工作需经两次锻造完成，锻造后堆垛空冷，最后进行调质处理。然而，其所制钻杆的使用寿命较短，经常发生断裂。

    本文对钻杆进行失效分析，找出钻杆断裂的主要原因；并对魏氏组织产生的条件进行了实验模拟，在大量实验的基础上提出了一种有效细化晶粒和消除魏氏组织的热处理工艺。

1  失效分析

对钻杆进行拉伸试验，发现其断裂的部位与实际生产中断裂的部位完全相同，在锻造的加厚过渡区。该区由于应力集中而断裂，如图1所示。

         图1 钻杆应力集中及断裂部位示意图                    图2 20CrMo锻后组织  ×500

从锻后断口部位取样进行金相观察，发现20CrMo钢锻后组织十分粗大，并有严重的魏氏组织存在，见图2。魏氏组织以及经常与之伴随产生的粗大晶粒会使钢的力学性能显著降低，由此认为钻杆锻造加厚过渡区的粗大晶粒和由于锻造后冷却速度的不合理而产生的魏氏组织是使钻杆断裂的主要原因。

2  魏氏组织的生成试验

为了了解魏氏组织的产生条件，模拟实际生产加热温度条件下，观察不同冷却速度对组织的影响。从锻造前的20CrMo原始钢管管体取样(20mm×20mm×8mm)放入温度为1100℃的电阻炉内，保温30min后，分别以不同的冷却方式进行冷却，冷却方式见表1。

对冷却后的试样进行金相分析，结果表明，1#、2#试样显微组织均为珠光体，且组织均匀，无魏氏组织产生；3#、4#试样组织也均为珠光体，无魏氏组织产生，但其晶粒较粗大，如图3(a)所示；6#试样的显微组织为珠光体和块状铁素体，无魏氏组织产生，见图3(b)；5#试样的显微组织与锻后加厚过渡区的组织相似，晶粒十分粗大，且存在严重的魏氏组织，如图3(c)所示。

图3 1100℃加热后不同冷却方式下试样的显微组织  ×500

由以上试验分析可知，试样经热粗砂冷Ⅰ冷却后产生了魏氏组织，而其它冷速下均无魏氏组织产生。可见，选择较快或较慢的冷却速度完全可以避免魏氏组织的产生，如改变锻后的冷却方式，用锻后单根空冷来代替堆垛空冷可基本上避免魏氏组织的产生。

3  细化晶粒及消除魏氏组织试验

选用的细化晶粒工艺有：完全退火、等温退火、正火及二次正火。具体方案如表2。试验结果显示，锻后经完全退火，其魏氏组织大部分被消除，但粗大晶粒并未消除，且珠光体晶粒形状不规则，晶间仍有少量残余魏氏组织存在，组织重结晶没有进行完全，导致在晶界有少量残余针状铁素体存在；等温退火的效果与完全退火大致相同；经过正火处理，虽然完全消除了魏氏组织，但组织仍较粗大，并且具有一定的方向性；二次正火不但消除了魏氏组织及伴随的粗晶，而且消除了一次正火组织的方向性，如图4所示。

图4 20CrMo锻后二次正火组织  ×500

综上所述，二次正火的效果最好、一次正火次之、完全退火及等温退火效果较差。

通过对锻后的钻杆先进行二次正火，再进行调质处理，消除了钻杆在使用中发生早期断裂的现象，使其使用寿命明显延长，满足了用户的要求。

4  结论

(1)钻杆锻造加厚过渡区的粗大晶粒和由于锻造后冷却速度的不合理而产生的魏氏组织是使钻杆断裂的主要原因。

(2)采用二次正火可明显细化锻后粗大晶粒和消除魏氏组织，实际生产中，对已产生魏氏组织的钻杆应进行二次正火再进行调质处理。

本文摘自：刘宗茂等“提高20CrMo钢钻杆使用寿命的研究”