专利名称：一种钻杆焊缝热处理淬火方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属热处理领域，特别涉及钻杆焊缝热处理。
背景技术：
用于石油钻探的钻杆是按API标准生产制造的。如图1所示，其结构是在钻杆管体1a两端的加厚端2a各对焊一个钻杆接头4a，同时形成焊缝3a。
根据API标准的要求，石油钻杆的焊缝必须通过调质处理来提高焊缝区域的综合机械性能。钻杆焊缝的调质处理过程包括奥氏体化、淬火和高温回火3个过程。其中淬火是一个重要的热处理过程。淬火是指将钢加热至临界点AC3或AC1以上一定温度，保温以后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体的热处理工艺。淬火的主要目的是使奥氏体化后的工件获得尽可能多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能。
为保证钻杆焊缝的力学性能，对应不同的钻杆材质曾经采取了不同的淬火方法。
美国专利3997374、4160543采用了空气淬火的方法。美国专利3997374采用在钻杆焊缝内外表面喷压缩空气的方法来达到焊缝淬火的目的。钻杆管体与钻杆接头通过焊接形成焊缝。在焊缝外表有淬火环，环上有一定数量的喷嘴。在焊缝内表有内喷嘴，内喷嘴上开有一定数量的小孔。在需要淬火时，淬火环上的喷嘴与内喷嘴上的小孔同时向焊缝的内外表面喷射压缩空气。由于空气的冷却速度较慢，因此该方法只适用于类似4340H这种合金含量较高淬透性较好的油淬材质。
为节约宝贵的矿石资源，钻杆材质由类似4340H这种合金含量较高的油淬材质逐渐变为类似4130H这种合金含量较低的水淬材质。由于类似4130H的水淬钻杆材质淬透性低，因此通过空气淬火焊缝性能达不到API标准的要求，必须采用其它的方法。一种可行的方法是仅焊缝外表喷水，即取消内喷嘴，淬火环上的喷嘴由喷压缩空气改为喷水。利用此方法可以在类似4130H的水淬材质的钻杆焊缝上得到较好的机械性能。
通过实践，发现上述方法具有一定的局限，即喷嘴喷水无论是环向还是宽度方向都部能全部覆盖焊缝外表面，因此会造成焊缝外冷却不均，其次，对于壁厚达到25mm以上的钻杆焊缝，会出现内表淬不透的现象，最终因为内表面的马氏体组织过少而造成整个焊缝的机械性能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钻杆焊缝热处理淬火方法，利用该方法可以解决传统钻杆焊缝水淬工艺存在的外表冷却不均与厚壁焊缝内表淬不透的问题，而且不会造成生产线环境的污染，也不会造成焊缝内表面淬火开裂。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案为一种钻杆焊缝热处理淬火方法，包括以下步骤在奥氏体化后的钻杆焊缝外表喷淬火液体，同时在钻杆焊缝内表面喷气，以此达到焊缝淬火的目的，在确保焊缝淬透的同时保证焊缝不产生淬火裂纹。
所述的淬火液体包括水或水溶性淬火介质。
冷却后焊缝外表温度在100～400℃之间；对焊缝外表进行喷水冷却时，冷却速度很大，即使是水淬钢种，也可能会造成外表的淬火裂纹。为此，对外表喷水冷却的时间进行控制以确保冷却后的焊缝外表温度在100～400℃之间。
淬火冷却后进行高温回火，温度范围550～720℃。根据API标准的要求，钻杆焊缝在淬火后必须进行高温回火来达到较好的机械性能指标。
所述的淬火液体的压力控制在0.1bar以上，外喷液体流与钻杆管体的轴线方向形成夹角α，夹角α在30°～150°之间。
在钻杆焊缝内表面喷吹的气体的压力控制在0.5bar以上，该内喷气流与钻杆管体的轴线方向形成夹角β，夹角β在30°～150°之间。
本发明的钻杆焊缝热处理淬火装置，包括，本体，其为一箱体结构，具有一主腔体；环形喷水器，设置于本体主腔体内，其一端通过连接管连通于水源体，该环形喷水器沿圆周方向设有第一喷孔；内喷管，设置于本体主腔体内，穿设于环形喷水器中，其一端与气源体导通，其沿长度方向环设有第二喷孔。
又，所述的环形喷水器上的第一喷孔与钻杆管体的轴线方向形成夹角α。
所述的内喷管第二喷孔与钻杆管体的轴线方向形成夹角β。
所述的本体主腔体内还设有水腔、气腔，分别对应连通于环形喷水器、内喷管。
与环形喷水器连通的连接管上设有控制阀。
还设有旁通水管以及相应的控制阀，该旁通水管一端连通连接管，另外一端伸入本体主腔体内。
冷却液体通过进入环形喷液器中后，通过环形喷液器上的喷液孔喷淋到钻杆以及钻杆接头的焊缝上，从而完成对钻杆焊缝外表的快速冷却；与此同时，压缩空气从内喷管中高速喷出，实现对钻杆焊缝内表面的快速冷却。
由于采用了上述焊缝外喷液体、内喷气的混合冷却方式，不但使外表均匀冷却，而且使内表淬透。对于类似4130H的水淬材质钻杆，即使焊缝壁厚达到25mm以上，也可以使焊缝内外表面及中心都淬透，形成马氏体，从而在高温回火后可以保证较好的机械性能指标。
由于焊缝内表喷气而不是喷液体，可以避免内喷液体后钻杆管体内积液无法排净而污染整个生产线的作业环境，同时也可避免在焊缝内表产生淬火裂纹。
本发明的有益效果与现有技术相比，本发明对传统钻杆焊缝水淬工艺进行了改进。改进后的方法可对奥氏体化后的焊缝金属进行快速冷却。实践证明，对于类似4130H的水淬钻杆材质，不但使焊缝外表冷却均匀，而且即使焊缝处的壁厚达到40mm，也能够完全淬透。与传统方法相比，不仅冷却能力大幅度提高，而且不会造成生产线环境的污染，也不会造成焊缝内表面淬火开裂。
图1为现有钻杆焊缝结构剖视图；图2为本发明方法实施的示意图；
图3为本发明方法实施的剖视示意图；图4为本发明钻杆焊缝热处理淬火装置的示意图；具体实施方式
参见图2，本发明的钻杆焊缝热处理淬火方法，包括以下步骤在奥氏体化后的钻杆焊缝外表喷淬火液体，淬火液体包括水或水溶性淬火介质；同时在钻杆焊缝内表面喷气，以此达到焊缝淬火的目的，冷却后焊缝外表温度在100～400℃之间；在确保焊缝淬透的同时保证焊缝不产生淬火裂纹。
淬火冷却后进行高温回火，温度范围550～720℃。
所述的淬火液体的压力控制在0.1bar以上，外喷液体流与钻杆管体的轴线方向形成夹角α，夹角α在30°～150°之间。
在钻杆焊缝内表面喷吹的气体的压力控制在0.5bar以上，该内喷气流与钻杆管体的轴线方向形成夹角β，夹角β在30°～150°之间。
如图2、图3所示，冷却液体通过进入环形喷液器2中后，通过环形喷液器上的喷液孔喷淋到钻杆6以及钻杆接头7的焊缝上，从而完成对钻杆焊缝外表的快速冷却；与此同时，压缩空气从内喷管4中高速喷出，实现对钻杆焊缝内表面的快速冷却。
参见图3、4，本发明的钻杆焊缝热处理淬火装置，用于对钻杆6焊缝进行热处理淬火，其包括，本体1，其为一箱体结构，具有一主腔体100、水腔101、气腔102以及相应的排水口103、进水口104、进气口105；环形喷水器2，设置于本体主腔体100内，并通过一固定块8以及紧固件81固定于本体1，该环形喷水器2一端通过连接管3连通于水腔101，该环形喷水器2沿圆周方向设有第一喷孔21，环形喷水器2上的第一喷孔21与钻杆管体的轴线方向形成夹角α；内喷管4，设置于本体主腔体100内，穿设于环形喷水器2中，其一端与气腔102导通，其沿长度方向环设有第二喷孔41，该第二喷孔41与钻杆管体的轴线方向形成夹角β；与环形喷水器2连通的连接管3上设有控制阀31；还设有旁通水管5以及相应的控制阀51，该旁通水管5一端连通连接管3，另外一端伸入本体主腔体100内。
冷却水可以通过进水口104进入喷淋箱的水腔101，通过控制阀31和连接管3进入环形喷水器2，通过环形喷水器2上的第一喷孔21喷淋到钻杆6焊缝部位的外表金属上，实现对焊缝部位外表面的快速与均匀冷却。同时压缩空气通过进气口105进入气腔102，再进入内喷管4，通过内喷管4上的沿径向开出的第二喷孔41吹向焊缝金属的内表面，从而实现对焊缝内表面的辅助冷却。
当需要对钢管的外表面进行冷却时，需要关闭旁通水管的控制阀51，打开连接管3控制阀31；当不需要对钢管的外表面进行冷却时，可以关闭控制阀31，同时打开控制阀51。在同时热处理多根钻杆的情况下，有可能会出现某1个工位无钻杆的情况，在这种情况下，利用上述的“双阀门”控制方法不仅有利于维持其他需要工作的环形喷水器水量不变，而且可以避免高压空气将喷水器喷出的水吹出喷淋箱而污染生产作业环境。
从环形喷水器2中喷出的水汇流到主腔体100中，并通过排水口103流回到贮水箱中，从而实现冷却水(或水溶性淬火介质)的循环利用。
从内喷管4第二喷孔41中喷出的压缩空气从钻杆6的另一端流出并自动放散。
以Φ127×9.19mm IEU S135钻杆为例，其管体选用类似4130H的水淬材质。在奥氏体后，使用本发明专利的淬火冷却方法淬火并进行高温回火后，焊缝的屈服强度可以达到850MPa左右，焊缝的常温全尺寸冲击功可以达到80J左右，焊缝整体拉伸性能大约是管体整体拉伸性能的1.6倍，从而可以确保钻杆焊缝的安全性。
本发明可以直接应用在国内外的钻杆生产中。本发明提供的方法不仅可以保证类似4130H的水淬材质钻杆焊缝的热处理淬火冷却过程中所需要的比较高的冷却速度要求，并确保钢管内表面不会由于冷却速度过快而产生淬火裂纹，而且可以有效地保持生产现场的环境整洁。本发明还可以应用于所有管件局部热处理的冷却过程，具有较好的推广应用前景。
权利要求
1.一种钻杆焊缝热处理淬火方法，包括以下步骤在奥氏体化后的钻杆焊缝外表喷淬火液体，同时在钻杆焊缝内表面喷气，以此达到焊缝淬火的目的，在确保焊缝淬透的同时保证焊缝不产生淬火裂纹。
2.如权利要求1所述的淬火方法，其特征在于，所述的淬火液体包括水或水溶性淬火介质。
3.如权利要求1所述的淬火方法，其特征在于，冷却后焊缝外表温度在100～400℃之间。
4.如权利要求1所述的淬火方法，其特征在于，淬火冷却后进行高温回火，温度范围550～720℃。
5.如权利要求1所述的淬火方法，其特征在于，所述的淬火液体的压力控制在0.1bar以上，外喷液体流与钻杆管体的轴线方向形成夹角α，夹角α在30°～150°之间。
6.如权利要求1所述的淬火方法，其特征在于，在钻杆焊缝内表面喷吹的气体的压力控制在0.5bar以上，该内喷气流与钻杆管体的轴线方向形成夹角β，夹角β在30°～150°之间。
7.钻杆焊缝热处理淬火装置，其特征是，包括，本体，其为一箱体结构，具有一主腔体；环形喷水器，设置于本体主腔体内，其一端通过连接管连通于水源体，该环形喷水器沿圆周方向设有第一喷孔；内喷管，设置于本体主腔体内，穿设于环形喷水器中，其一端与气源体导通，其沿长度方向环设有第二喷孔。
8.如权利要求7所述的钻杆焊缝热处理淬火装置，其特征是，所述的环形喷水器上的第一喷孔与钻杆管体的轴线方向形成夹角α。
9.如权利要求7所述的钻杆焊缝热处理淬火装置，其特征是，所述的内喷管第二喷孔与钻杆管体的轴线方向形成夹角β。
10.如权利要求7所述的钻杆焊缝热处理淬火装置，其特征是，所述的本体主腔体内还设有水腔、气腔，分别对应连通于环形喷水器、内喷管。
11.如权利要求7所述的钻杆焊缝热处理淬火装置，其特征是，与环形喷水器连通的连接管上设有控制阀。
12.如权利要求7所述的钻杆焊缝热处理淬火装置，其特征是，还设有旁通水管以及相应的控制阀，该旁通水管一端连通连接管，另外一端伸入本体主腔体内。
全文摘要
一种钻杆焊缝热处理淬火方法，包括以下步骤在奥氏体化后的钻杆焊缝外表喷淬火液体，同时在钻杆焊缝内表面喷气，以此达到焊缝淬火的目的，在确保焊缝淬透的同时保证焊缝不产生淬火裂纹。与现有技术相比，本发明对传统钻杆焊缝水淬工艺进行了改进。改进后的方法可对奥氏体化后的焊缝金属进行快速冷却。对于类似4130H的水淬钻杆材质，不但使焊缝外表冷却均匀，而且即使焊缝处的壁厚达到40mm，也能够完全淬透。与传统方法相比，不仅冷却能力大幅度提高，而且不会造成生产线环境的污染，也不会造成焊缝内表面淬火开裂。
文档编号C21D11/00GK101029352SQ20061002417
公开日2007年9月5日 申请日期2006年2月27日 优先权日2006年2月27日
发明者朱世忠, 赵鹏 申请人:宝山钢铁股份有限公司