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低应力脆性断裂案例分享 : 会造成重大经济损失！！！

2020年12月04日 精密钢管博客网 钢铁知识 百度未收录 № 7301
压裂头是油田压裂作业中安装在采油（气）树顶部，用于汇集多条管线压裂液，实现多管线注入的重要设备，适用于大排量、高压力压裂作业。


压裂头系大型零件，单件小批生产，基本不进行热处理工艺试验，现连续两次发生压裂头热处理后出现裂纹的重大质量事故，不仅严重影响生产，且造成重大经济损失。


一、压裂头的工艺流程


压裂头的形状如图1所示。工艺流程: 锻造成形→正火→粗加工→划线→钻镗中间大孔→调质→机加工去掉氧化皮→探伤。



图1  压裂头形状


压裂头材料为30CrNi2MoV。技术要求: 230～286HBW。产品最大直径为750mm，高度为890mm，中心孔尺寸为φ130mm，结构尺寸如图2所示。



图2  压裂头示意




二、压裂头热处理后裂纹形貌


热处理后，去掉氧化皮，探伤，发现压裂头内孔裂纹形貌如图3所示，靠近内孔小凸台端面有肉眼可见的裂纹，如图4所示。



图3  压裂头内孔裂纹形貌




图4  靠近内孔小凸台端面上的裂纹



三、压裂头裂纹产生的原因分析


（1）压裂头锻件材质
压裂头的毛坯是由外协单位提供，毛坯入厂时通过超声波探伤检测，压裂头毛坯夹杂物及高低倍组织均满足技术要求。

（2）压裂头热处理工艺
热处理工艺如图5所示。通过对压裂头进行取样分析，发现压裂头力学性能、微观组织及晶粒度均满足技术要求。



图5  热处理工艺


（3）裂纹形貌
对裂纹进行取样分析，裂纹形貌如图6所示，裂纹是在热处理过程中产生的。



图6  裂纹形貌



四、原因分析


深入了解热处理过程，热处理油池的容量为30t左右，冷却过程中向油池注入空气进行搅拌，油池冷却效果不是很好。

查阅有关手册资料得知，30CrNi2MoV的端淬试样直径远小于压裂头的有效厚度，在冷却效果较好的油池中，如果仅采用空气搅拌而不采取其他的方法，压裂头也是无法淬透的。

原苏联聂姆琴斯基做了大量的试验，对于非淬透性钢，在油淬后测得残余应力与直径的关系，如图7所示。应力的作用方式和大件淬裂产生的力学模型如图8所示。



图7  大型产品淬火后的残余应力图




图8  大型件应力的作用方式和淬裂产生的力学模型


由于压裂头中心孔较小，在冷却过程中，中心孔内表面不能很好地冷却，由图7可知，中心孔内表面为拉应力，这是因为在冷却末期，外层金属（图8阴影线部分），已先于内部冷至低温（直到室温），这时内部金属的温度必然不同程度地高于外层，当心部金属随后继续降温时，因伴随的体积收缩受到外层金属的强制约束，而在中心部分产生三向拉应力，其最大拉应力主要作用在大型件的截面中心处。金属力学性能理论表明，金属在三向拉应力作用下，大大约束了塑性变形能力，使其转变为脆性状态，极易产生低应力脆性断裂，这就是具有珠光体组织的大型零件心部金属，在热应力作用下形成裂纹（被淬裂）的根本原因。



五、改进措施及效果


为解决压裂头淬裂的问题，利用组织应力与热应力在大件截面中心处能相互抵消的原理，采用中心孔通水强冷的整体加热的普通淬火方法，使最大拉应力尽可能从内孔表面移至截面内部，这就可以避免中心孔开裂，同时使内层淬裂的危险性减小。

生产实践证明，采用中心孔通水的强制冷却方式，压裂头热处理后，不再有中心孔内表面裂纹现象发生。

作者: 冯玲

单位: 中石化第四机械厂

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