20SiMn2MoVE单臂吊环锻件环内裂纹解决措施

文/马秀英·巨力索具股份有限公司

20SiMn2MoVE单臂吊环锻件环内裂纹解决措施

文/马秀英·巨力索具股份有限公司

吊环是石油钻井作业中起降钻柱重要的提升工具，工作瞬间需要承受巨大的拉伸载荷，对产品质里有着严格的标准要求，定型20SiMn2MoVE国标石油单臂吊环产品示意简图如图1所示。产品锻造成形后，经磁粉探伤发现大小头环部内表面出现了异常横向裂纹，为了查明原因，找出解决措施，对出现裂纹吊环的宏观形态、金相组织、化学成分等进行了分析。

吊环裂纹原因分析

宏观分析

吊环锻造成形后磁粉探伤时发现环部内表面有数里不等的裂纹，裂纹沿材料表面横向分布，对失效件解剖后发现裂纹沿与轴向呈45°方向延伸，裂纹深度10～15mm，失效样件环部裂纹外观如图2、3所示。失效样件的化学成分和标准要求对比结果见表1。

图1 单臂吊环示意图

图2 裂纹宏观形貌

图3 表面局部打磨清除后剩余裂纹宏观形貌

表1 失效样件的化学成分和标准要求的对比结果 （ω，%）

金相分析

从裂纹样件上取纵向试样进行金相分析，其基体组织为珠光体与贝氏体的混合组织，晶粒较粗大呈过热状态（图4a），裂纹两侧有较严重脱碳现象，周围遍布氧化物颗粒及黑色网络（图4b），裂纹尾端呈小圆角（图4c、d）。

分析与讨论

吊环在环部模锻成形过程中，需要一火顶锻拍扁模锻环部雏形，二火模锻环部、切边冲孔成形。实际生产中因设备能力问题环部采取一火顶锻拍扁模锻出环部雏形后空冷，然后冷态气割出内孔，再二火模锻切边成形。根据表1样件的化学成分计算失效锻件吊环的碳当里已接近1.1%，当碳钢和合金钢碳当里超过0.8%，气割时容易产生淬火裂纹，失效吊环锻造生产时间为11月底，恰逢冬季，气割内孔时又未采取任何预热和后热措施，因此可初步判定吊环锻件的环部横向裂纹，应是在气割内孔时因局部瞬间温度过高后又在空气中快速冷却产生了淬火裂纹，随后再次模锻切边成形加热时在原淬火裂纹两侧又产生了较严重的氧化脱碳现象。

图4 样件金相分析

图5 已喷漆的单臂吊环成品件

锻造工艺改进

分析原因后，改进锻造工艺，单臂吊环头部顶锻制坯时由原来的燃气炉加热改为用中频炉加热，并根据不同规格严格控制圆钢的加热长度和锻造加热温度。确保每火次锻造加热炉温均不大于1180℃，始锻温度不大于1150℃，终锻温度不小于850℃，用远红外测温仪在线随时监测锻件的加热温度、始锻温度及终锻温度，杜绝多火次锻造锻件的问题发生，严格控制不稳定过热问题。锻件需要气割时应在红热状态气割，若锻件冷却后气割需预热到500℃以上，气割后必须及时入炉缓冷。切除飞边时，必须采用切边模，不允许气割。图5为锻造工艺改进后生产的合格的已经喷漆的单臂吊环成品件。

结束语

鉴于此吊环锻件环内横向裂纹是因锻造中间环节气割内孔时操作不当引起淬火裂纹导致的，通过对锻造工艺的改进，经过一年多的生产实践检验，该石油单臂吊环锻件环部横向裂纹问题已经得到有效解决。

马秀英，工程师，长期从事热处理工艺设计及现场工艺、设备调控工作，曾获河北省科技成果、保定市科技进步一等奖，获得发明专利一项、实用新型专利六项；现主要研究方向为海洋石油吊索具类高强度、高韧性低温锻件的热处理技术。