采油封隔器4Cr13钢矩形弹簧研制.pdf

采 油 封 隔 器 4 Cr l 3钢 矩 形 弹 簧 研 制 辽 宁 I 程 技 术 大 学(辽 宁 阜 新 1 2 3 0 0 0)塾 姐 7 l z 辽河石油勘探局沈阳采油厂(辽宁新民1 1 0 3 1 6)薯春光 一 摘蔓根 据对采油封隔器中弹簧使用和性能 的要求，选用 4 C r 1 3 不锈钢翩造，弹簧截面设计成矩 设备，其主要特点是靠弹簧作用于卡瓦实现 座封，因此，弹簧是其关键零件之一。由于石 油 开采逐渐 向地层深 处发展，特别 是处在 1 5 0 0 m 以下 的深层原油，以前我 国只有使 用进 口封隔器才能开采。由于进 口的价格高，所于 1 9 9 3年研制 了 Y2 2 1 1 5型油气 田封隔 器，以取代进口的同类水平的封隔器，基本满 足了国内石油开采市场的需要。据调查，由于 弹簧过早失效，影响座封和解封所造成的停 产检修，每次大约损失数万元 高于 i 0 0 1 0 m s时，除三 叶片叶轮外，另 外两种叶轮的性能都急剧下降。这说 明采用 适当的叶片数及叶片型线，可以在一定的粘 度 范围内缓 和由于粘性增加引起 的性 能降 低。试验表明，三 叶片叶轮的输送 能力随粘度 的增大有提高的趋势，对高粘输送的适应性 较强。由于 以上各种试验 叶轮外径、进 口状态 都相同，只是叶片数与叶型差距较大，结果导 致 其性能随运动粘度的影响差距较大，这也 说明，粘性对叶轮性能的影响不能简单以粘 度的大小来划分。4 结论 1)输送 介质 的运动粘度较低时，叶片 数增多，泵效基 本相 同，其 最优 工况点 的扬 程、流量和轴功率增大 比较明显，而且随运动 粘度的增加，叶片数对 各离心泵最优工况点 性能的影响减弱。2)输送高粘介质时，三叶片叶轮性能 最好，说 明高粘输送时不宜采用较多的叶片 数。3)叶片数对粘性输送的影响随粘度的 大小范围而变化。在本试验条件下，在运动粘 度低于 1 0 0 l O m s时，叶片数对泵性能 的 影 响程度 基本 相 同，在粘 度 高 于 1 0 0 l O m s时，除三 叶片叶轮外，另外两 种 叶 轮的性能急剧下降 4)介质粘性对泵性能的影响不能简单 地以运动粘度的大小来划分，还应综合考虑 叶片数和叶型的影响 参 考 文 献 1 陈 晓玲 用 涡轮流量 计测量 高粘流体 流量的 研 究 1 9 9 7石油装备学术交流年 会论文集 北京：石油工业出版社 1 9 9 7 7 4 7 7 (收稿日期：1 9 9 8 0 5 1 1)维普资讯 http:/ 4 0 OI L F E I L D I QU I P MF NT 1 9 9 8 V o 1 2 75 采油封隔器卡瓦弹簧，其工作环境温度 高(2 5 0左右)，在空间和尺寸受限制情况 下又要求受力与变形有较好的线性关 系，经 过分析和计算，采用矩形截面弹簧才能满 足 使用要求。此外，还要有一定耐腐蚀、抗氧化 性能 1 研制方案，1 1 弹簧材质选择 由于封 隔器 在 1 5 0 0 m I；l 下 的深 井作 业，工作温度可达 2 5 0，受多种介质腐蚀，在座封和解封时还要受到一定冲击力 所以，要求弹簧不仅要耐腐蚀、抗 氧化、耐热、抗松 驰，还应具有 抗冲击载荷 能力。因此，选择 4 C r 1 3 马 氏体不锈钢作为弹簧的材料 。1 2 4 C r 1 3钢矩形截面的轧制 矩形截面 4 Cr 1 3钢国内市场没有现货，进 口材料成本高又不能及时供货 况且用 量 少。因此，首先要设计制造 1台能把原料轧制 成矩形料的冷轧机。轧制时一要保证几何形 状尺寸和 表面粗糙度的要求；二要控 制变形 率，改善材料性能 禁止用钢板切成矩形料所 造成纤维组织分布不合理、韧性增加和粗糙 度下降 此外，还要求厚度和角度可调，这样 就可以保证卷制后弹簧韵几何尺寸符合要 求。经过 1 a时间的生产摸索，所轧制的成品 完全满足卡瓦矩形弹簧尺寸要求，并 为开发 其他用途的矩形弹簧奠定了基础 1 3 弹簧的卷制 在卷制弹簧过程中，矩形截面钢丝要发 生旋转，而 圆截面通过塑性变形抵消这种旋 转。对于矩形钢丝要十分注意控制这种旋转，特别是弹簧指数 c=d(为弹簧 中径，d 为钢丝直径)值小和屈强 比 a a b(a 为屈服 点，为抗拉强度极 限)大的矩形 弹簧 卷制 难度更大。同时由于矩形料在卷制弹簧时 内 外变形量不一致，很难保证矩形形状，因此，要求材料有一定的强韧性及硬度；在普通卷 制弹簧设备上增设 了仿形 自动 跟进辅助 装 置，这样就可以保证弹簧的几何尺寸精度，防 止卷制过程 中的翻倒和旋转，提高了产 品的 合格率。弹簧的几何尺寸如图 1 圈1 4 c r 1 3 铜 矩 形 弹 簧 几 何 尽 寸 m m 1 4 热处理工艺 4 Cr l 3钢矩形弹簧在使用过程 中常出现 有脆断及松驰现象。经过实验分析得知，脆断 主要是 由于淬火后组织中含有一定量的残余 奥氏体，回火后的冷却及使用过程中，部分残 余奥 氏体转变为马氏体脆性相，同时加上表 面被氧化脱碳，而使脆性增加。松驰现象主要 是 由于长时 间在 2 5 0左 右温度 环境下工 作，引起 内部组织变化，而使强韧性下降。为 了防止氧化脱碳并能受热均匀，热处理时淬 火与回火均采用盐浴炉加热。因此，在实验室选用 了 1 1 5 0、1 1 0 0 和 1 0 5 0的 3种淬 火温 度、3 5 0、2 7 0 回火温度的 3次 回火热处理工 艺，进行对 比试验，以便选 出最佳 的热处理工艺。1 5 检验 内容及方法 对于不同热处理工艺处理后 的试样，进 行了力学性能测试(包括硬度、强度和塑性)，还进行了金相组织观察，并用 x射线衍射仪 测量了淬火后组织中的残余奥氏体量 2 试验结果与分析 2 1 力学性能 拉伸 和硬 度试样，分别 采用 1 1 5 0、1 1 0 0和 1 0 5 0温度漳火，并分别用 3 5 0 或 2 7 0的 3次回火，然后分别做拉伸和 硬度试验，其结果如表 1。鲤 劈一 维普资讯 http:/ 第 2 7 卷 第 5期 石 油 矿 场 机 械 4 l 从表 1可以看 出，1 1 0 0淬火，3 5 0 的 3次回火，其强度、塑性和硬度综合性能均 高于其他热处理工艺。2 2 金相组织 对不同淬火温度及 3 5 03次 回火 的试 样利用金相显微镜观察其组织，如图 2。(a)l 0 5 0淬火-1-t-3 5 0圆火(b)1 l O O谇火-1-t-3 5 0回火(c)1 1 5 o淬火-3 5 o 图 2 不同热处理 温度的盘相组织(4 o o x)由观察结果得知，1 1 1 0淬火，可使更 多的合金碳化物(C r、F e)C C r 2 3 C 6溶于奥 氏体，增加了淬火后马氏体的过饱和度，并得 到一定量的板条马氏体及较多 的残余奥 氏 体。利用 x射线衍射仪测得其奥 氏体量远高 于 1 0 5 0淬火时的量，大量的残余奥氏体 在一次回火后，由于应力松驰而使其大部分 转变为马氏体，产生二次淬火现象，同时碳化 物 弥散析 出而产生二次硬化现象，提高 了强 度和硬度，但韧性较低。经二次回火，由一次 回火冷却时出现二次淬火现象而产生的应力 在二次回火时得到松驰，随后冷却又有剩余 的残余奥 氏体转变为马氏体。经 3 次回火，使 淬火应力得到充分松驰，而使韧性有所改善。淬火温度高，大量碳化物溶入奥氏体，回火时 又弥散析 出；另外，绝大多数奥氏体在回火冷 却中转变为马氏体，提高了强度和韧性。常规热处理工艺为 1 0 5 0淬火，3 5 0 回火 1次，由于淬火组织中残余奥氏体量及 板条马氏体量少，所 以韧性不高口 ，二次硬化 效果也不明显，而且一次 回火组织转变不充 分，常有马氏体脆性相，是弹簧发生脆断的主 要原 因之一。l1 5 0淬火，由于 温度偏高，晶粒粗大，力学性能明显降低。3 生产工艺 在实试室做了大量试验工作后，结合工 厂实际条件，选用了 1 1 0 0淬火后 3 5 0 回火 3次，其工艺曲线如图 3。为了防止氧化脱碳，亦在盐浴炉 中加热。采油封隔器 4 C r 1 3 钢矩形弹簧的制造工艺路 线为：维普资讯 http:/ oI L F E|L D E QU I P ME N T 1 9 9 8 v 胡2 7 5 一】0 C 3 0 圈 3 热处理工艺曲线 矩形料轧制一卷簧一修簧一淬火一3次 回火一磨端面一强压处理一抛光一检验。4 经济效益分析 工厂的经济效益和社会效益是否显著，是衡量一种产品生命力的尺度，它将直接关 系到企业的生死存亡。以某厂生产此弹簧为 例，栗油封隔器弹簧每套￥5 2 0元，骧材料成 本￥1 9 5元，其 他费 用￥2 1 5元，每套 利 润￥1 1 0元，年生产能力为 5 0 0 0套，则每年可 获利￥5 5万元。同时由于原有弹簧过早 失 效，使封隔器不能座封、解封和脱落而造成停 产检修，每次要损失数万元。如能在全国油 田 推广使用此种新型弹簧，经济效益是非常可 观的。5 结论 1)弹簧线材的轧制、卷绕及仿形 自动 跟进辅助装置，保证了弹簧几何尺寸及精度。2)利用高温淬火和 3次回火的热处理 工艺，保证 了产 品的力学性能，避免了弹簧脆 断和松驰。参 考 文 献 I 赵越超 工程材料 长抄=湖南科学技术出版 社，1 9 9 5 B 7 1 o 2 2 马伯尤 金属 热处理 北 京一 机械工 业 出版 社 1 9 8 4 I 9 5 1 9 7 (收稿 日期 t 1 9 9 8-0 3 2 5)届 曲矿 野粕辘 瞧扇砸 国内刊号 C N6 2 1 O 5 8 T E 国际刊号 I S S N1 0 0 1-3 4 8 2 邮发代号：5 4 2 O 国外总发行：中国国际图书贸易总公司 石 油矿 坶机械期 刊属全国性 期刊，两次入选 国家“中文棱 心期 刊”，并加盟于我国第一个国家级外向型 中国学术期刊(光盘版)(简称 C A 卜一 C D)的应用技术类刊物。读者对象是石油、地矿业的石油及天然气勘探与开发设备的科 研、制造、使用、安装、管理、采办的工程技术人员和大专院校师生。同圈固国瑟目疆 曩罄圜露翻 地址：甘肃省兰卅市七里蔼区敦煌铬 1 5 5号 石油矿场机械 编辑越 邮编：7 3 0 0 5 0 电报：2 6 1 1 电话：[phone](9)一2 3 s 3 广告经营许 可证 甘兰七工商广字 O 2 2 O O 6 传 真；2 3 4 3 2 1 4 维普资讯 http:/