一种极地钻机用水龙头壳体的制造工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于石油钻机设备制造技术领域，具体涉及一种极地钻机用水龙头壳体的 制造工艺。
【背景技术】
[0002] 北极地区的石油探明储量约占全球的1/4,随着世界能源需求持续增长，石油勘 探、开发和采油生产不断向极地环境下转移，石油钻机作为必不可少的装备，要求能够在极 地低温环境（_60°C )下服役，其水龙头是主载荷路径上的关键部件，其作用是导入钻井液和 承受起下钻柱和钻具的负荷，要求很高的可靠性。美国石油学会API Specification 8C规 范和与其等效的中国国家标准GB/T19190都对其提出了很高的要求，不但要求强度高，足 以保证安全系数在2.0~3.0之间，而且主承载件的低温冲击功Akv (_20°C)彡42J，极 地环境温度在-45~-60°C，要求Akv (-60°C)彡27J。水龙头主要承载件有四个，分别是 提环、提环销、中心管和壳体，前三项目前主要厂商皆为锻钢件，性能较容易满足相关规范 要求，但只有壳体形状复杂，难于锻造而用铸钢件，但是铸钢件冲击韧性低、缺陷多、合格率 低，成为低温水龙头的制造瓶颈。目前国内外用于制造水龙头壳体的方法有二种：一种是铸 钢结构，材质为ZG35CrM〇或类似钢种，中国机械工程学会铸造分会2002年9月编制的《铸 造手册》其显示的机械性能见表一；另一种为焊接式，材质为低合金高强度结构钢Q345B， 低温水龙头Q345E，中华人民共和国国家标准GB/T1591-2008《低合金高强度钢》中规定的 Q345B和Q345E机械性能见表2和表3。
[0003] 表1 ZG35CrMo机械性能
表2 Q345B的机械性能
表3 Q345E的机械性能
铸造结构的水龙头壳体有两个缺点：一是冲击功只能达到GB/T19190和API Spec Specification 8C规范要求的-45°C的冲击功，-60°C时的冲击功很难达到，而且性能稳定 性差，合格率低；二是铸件造工艺产生缺陷的机率大，磁粉探伤和超声波探伤经常不合格， 废品率较高，一次合格率只有30-60%，可靠性差。
[0004] 焊接式的水龙头壳体主体纯粹是板材间的焊接，焊缝成为薄弱环节，热影响区和 焊缝达不到和GB/T19190和API Spec Specification 8C规范要求的-60°c时的冲击力，因 为板材较厚，操作空间小，内部焊接难度较大，焊缝的无损探伤因为壳体形状和板材厚度也 不好实施，焊接缺陷成为影响产品质量的主要因素，而且目前市场上供应的厚板材也只能 保证-40 °C时的冲击功。
【发明内容】
[0005] 为解决上述缺陷，本发明的目的在于提供一种极地钻机用水龙头壳体的制造方 法，通过选择常用的中碳低合金钢，经过锻造、加工和热处理及无损探伤，使其安全系数、机 械性能、表面状态达到GB/T19190和API Spec Specification 8C规范的要求，满足极地钻 机-60°C的服役环境。
[0006] 为达到上述目的，本发明采取的技术方案是： 一种极地钻机用水龙头壳体的制造工艺，所述水龙头壳体包括壳体主体及分别设于所 述壳体主体两端的两个耳板，关于所述水龙头壳体的制造工艺包括以下步骤： 1) 成型工艺设计：通过工程机械设计软件，进行所述水龙头壳体的成型工艺设计，确定 所述壳体主体和所述耳板的工艺尺寸； 2) 选取材质：所述水龙头壳体选取中低碳合金钢35CrM〇A作为材质并按尺寸比不小于 3的原则下料，得到所述壳体主体对应的料块I、所述耳板对应的料块II及料块III ; 3) 锻造：所述料块I、所述料块II及所述料块III采用整体锻造，锻造前的加热温度为 1270~1310°C，锻造时的初始温度为1100~1250°C，终锻温度不低于850°C，锻造比不小于3， 分别得到锻造块I、锻造块II及锻造块III，所述三个锻造块经过在加热温度880±20°C下退 火，并随炉冷却，出炉时温度不高于300°C ; 4) 粗加工：所述锻造块I经过镦粗、冲孔及扩孔，其中内孔留余量3-5mm，得到成形的 粗壳体主体；所述锻造块II及所述锻造块III耳板经过热弯、正火后铣加工内外表面，销轴孔 留余量3-5mm，得到两个粗耳板； 5) 焊接：所述粗壳体主体与所述粗耳板经过预热后，将所述粗耳板分别焊接在所述粗 壳体主体的两端，得到粗水龙头壳体，之后进行保温处理； 6) 热处理：所述粗水龙头壳体在880~900°C温度下正火处理后空气冷却；然后用 840-860°C温度淬火处理后油冷却或PAG淬火介质冷却；再用回火580±40°C温度后空气冷 却；再用790±10°C温度亚温淬火处理，后油冷或PAG淬火介质冷却；最后在520-600°C温 度回火后空气冷却； 7) 表面处理：工件热处理后钢砂抛丸处理； 8) 无损探伤：所述粗水龙头壳体按确定好的工艺尺寸精细加工得到水龙头壳体成品， 并进行超声波探伤和磁粉探伤。
[0007] 所述步骤3)中，锻造加热时采用天然气加热炉，装炉温度低于600°C，加热温度和 时间保证锻件不产生过热、过烧和变形。
[0008] 本发明的选材根据钻机的极地-60°c的服役环境和额定载荷大于2. 25-3,水龙头 壳体主体选择强韧性好、耐低温、无延迟裂纹倾向、高可靠性的合金钢锻件，强度满足GB/ T19190和API Spec Specification 8C规范对安全系数的要求，材质选用石油机械行业应 用非常成熟的的35CrM〇A，便于采购，热处理后机械性能见表3,设计经过有限元计算校核 强度，壳体主体经过超声波探伤和磁粉探伤。
[0009] 表3.壳体机械性能
本发明在锻造加热时采用天然气加热炉，为了减少热应力，装炉温度低于600°C，加 热温度和时间保证锻件不产生过热、过烧，又要保证工件的变形能力及其生产效率，节 省能源；选定加热温度比始锻温度高出100_140°C，初始锻造温度应高于该钢种Ac3点， 使锻造处于奥氏体状态，但低于该钢种的液相转变点200-250°C，根据铁-碳相图，选定 1100-1250°C ;终锻温度要保证工件在完成锻造工序之前仍有足够的变形能力并且在锻后 获得再结晶组织，在随后的冷却过程中晶粒不致于粗大，降低冲击功，经过一系列试验，选 定终锻温度不低于850°C。
[0010] 本发明中的锻造工序包括下料、镦粗、冲孔、扩孔和成形，主要设备使用的设备有 五吨电液锤、三吨的操作机；锻后退火，其加热温度880±20°C，随炉冷却，出炉温度不高于 300°C，锻后退火是为了消除锻造应力，细化组织，避免氢脆，调整硬度，便于后续加工。
[0011] 本发明在进行热处理工序时，35CrM〇A钢奥氏体相变结束点Ac3是800°C，正火温 度Ac3+60-100°C，淬火温度Ac3+30-50°C，温度偏低合金元素不能充分固溶和奥氏体化，温 度偏高，脱碳氧化严重，晶粒粗大，因为该钢种含Mo,其碳化物难溶，因此正火温度和淬火温 度可以取上限。亚温淬火又称两相区淬火，淬成马氏体的钢中存在少量细小铁素体，使得在 获得高强度的同时，提高塑性和韧性，亚温淬火温度应略低于Ac3。热处理时带随炉试棒，按 API Spec Specification 8C规范取样，机械性能达到表3所示数值，热处理后钢砂抛丸。
[0012] 本发明提供的制造方法，包括机加工后无损探伤，因为壳体属于关键件，探伤方法 包括超声波探伤和磁粉探伤，合格判定标准依据中国国家标准GB/T19190和美国石油学会 API Specification 8C 规范。
[0013] 本发明的有益效果是：壳体承载部分采用锻件设计，避免铸造结构和焊接结构经 常出现的低温冲击功低带来的冷脆现象和无损探伤不合格的这一缺点，提高了可靠性；锻 件采用常用材料35CrM〇A及正火+调质+亚温淬火工艺，保证了钩体的强度和极地低温环 境（_60°C)下的冲击功以及其他机械性能；采用常用钢种及较为简单的工艺路线：锻造-粗 加工-热处理-机加工-无损探伤，经济简便；适用于极地环境（_60°C)下的石油钻机、修 井机用水龙头，不但有高强度以保证足够的安全系数，而且要求足够的低温冲击韧性，以抗 极地低温环境。
【附图说明】
[0014] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0015] 图1为本发明的极地钻机用水龙头壳体的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合实施例对本发明作进一步