P110級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、氣井井壁的支撐設備，由于其工作條件十分惡劣，管體會受到如彎、壓、拉、扭等各種應力綜合作用，且石油套管不能夠重復使用，這就要求套管具備較高的綜合機械性能。所以石油套管在生產(chǎn)中必須進行調質處理，以提高石油套管綜合力學性能。目前生產(chǎn)中采用傳統(tǒng)的淬火工藝進行熱處理時，發(fā)現(xiàn)套管易出現(xiàn)淬火裂紋，難以保證套管質量，給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟損失。
　　本文以25MnV材質的P110級石油套管為研究對象，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程中產(chǎn)生的殘余應力，結合正交方法模擬在不同淬火工藝參數(shù)下的組織應力與熱應力的變化規(guī)律，得到了石油套管較佳的淬火工藝參數(shù)。研究中，針對尺寸規(guī)格為：244.48mm×11.99mm的P110級石油套管，首先利用有限元分析軟件ANSYS14.5，建立了石油套管淬火過程的數(shù)學模型，對石油套管沿著套管壁厚方向溫度場進行計算，將模擬結果與實際

3、測量結果進行對比，兩者吻合較好，驗證了數(shù)值模型的可行性；然后利用正交方法對不同水空交替淬火工藝參數(shù)進行模擬比較，從溫度場，應力場分析結果表明工藝參數(shù)組合為：水冷7s，空冷7s，再水冷10s時，套管在組織轉變過程中的熱應力與組織應力有所減少，管材的殘余應力得到降低；其后再對現(xiàn)場實驗樣件取樣分析，對其顯微組織進行觀察，結果表明：該參數(shù)下，套管基本完成了馬氏體轉變，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度和韌性，會阻止產(chǎn)生微裂

4、紋和抑制其擴展，且管材的淬火硬度仍能達到48HRC左右，有效地保證了淬火質量。
　　該研究提供的水-空交替淬火方式，不僅可以減少淬火時產(chǎn)生的內應力，還可以保證套管內外馬氏體轉變的同時性，有利于抑制淬火裂紋的產(chǎn)生或者擴張。本文提出的建模方式及模擬方法對分析不同工況和不同實際操作參數(shù)下套管的溫度場、應力場的變化，提供了一定的理論依據(jù)，對進一步分析不同規(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值。其研究結果對提高熱處理合格率，