P110級(jí)石油套管水空交替淬火工藝及其數(shù)值模擬研究.pdf

1、石油套管主要用作油井、氣井井壁的支撐設(shè)備，由于其工作條件十分惡劣，管體會(huì)受到如彎、壓、拉、扭等各種應(yīng)力綜合作用，且石油套管不能夠重復(fù)使用，這就要求套管具備較高的綜合機(jī)械性能。所以石油套管在生產(chǎn)中必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以提高石油套管綜合力學(xué)性能。目前生產(chǎn)中采用傳統(tǒng)的淬火工藝進(jìn)行熱處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)套管易出現(xiàn)淬火裂紋，難以保證套管質(zhì)量，給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
　　本文以25MnV材質(zhì)的P110級(jí)石油套管為研究對(duì)象，在分析傳統(tǒng)淬火工藝（直接

2、將套管淬水至室溫）的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的水-空交替淬火冷卻方式，并利用有限元數(shù)值模擬的方法研究淬火冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，結(jié)合正交方法模擬在不同淬火工藝參數(shù)下的組織應(yīng)力與熱應(yīng)力的變化規(guī)律，得到了石油套管較佳的淬火工藝參數(shù)。研究中，針對(duì)尺寸規(guī)格為：244.48mm×11.99mm的P110級(jí)石油套管，首先利用有限元分析軟件ANSYS14.5，建立了石油套管淬火過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，對(duì)石油套管沿著套管壁厚方向溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，將模擬結(jié)果與實(shí)際

3、測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模型的可行性；然后利用正交方法對(duì)不同水空交替淬火工藝參數(shù)進(jìn)行模擬比較，從溫度場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果表明工藝參數(shù)組合為：水冷7s，空冷7s，再水冷10s時(shí)，套管在組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中的熱應(yīng)力與組織應(yīng)力有所減少，管材的殘余應(yīng)力得到降低；其后再對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)樣件取樣分析，對(duì)其顯微組織進(jìn)行觀察，結(jié)果表明：該參數(shù)下，套管基本完成了馬氏體轉(zhuǎn)變，且金相組織中還含有少量的下貝氏體，而下貝氏體有較高的強(qiáng)度和韌性，會(huì)阻止產(chǎn)生微裂

4、紋和抑制其擴(kuò)展，且管材的淬火硬度仍能達(dá)到48HRC左右，有效地保證了淬火質(zhì)量。
　　該研究提供的水-空交替淬火方式，不僅可以減少淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，還可以保證套管內(nèi)外馬氏體轉(zhuǎn)變的同時(shí)性，有利于抑制淬火裂紋的產(chǎn)生或者擴(kuò)張。本文提出的建模方式及模擬方法對(duì)分析不同工況和不同實(shí)際操作參數(shù)下套管的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的變化，提供了一定的理論依據(jù)，對(duì)進(jìn)一步分析不同規(guī)格，不同用途的石油套管的熱處理工藝具有較大的參考價(jià)值。其研究結(jié)果對(duì)提高熱處理合格率，