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摘 要：作为钻井的常用工具之一，石油钻井稳定器要具有较高的安全可靠性，尤其是综合力学性能，必须达到较高要求。当前，许多大型稳定器的体积质量均较大，给热处理工作增加了难度。此外，许多石油钻具生产厂及专业的热处理厂，在对大型稳定器进行热处理的生产过程中，均发生了不同程度的纵裂、横裂质量事故及力学性能不达标的现象，导致了严重的经济损失。所以，对于石油钻具大型稳定器的选材及热处理，必须予以足够的重视。
关键词：石油钻具 大型稳定器 选材 热处理
石油钻井稳定器是钻井中使用频率较高的工具之一，其安全可靠性与钻井工作的安全有着很大的联系。但当前石油钻井的大型稳定器，其质量体积普遍较大，给热处理工作造成了很大的困扰，甚至会发生不同程度的纵裂、横裂质量事故或力学性能不符合要求的现象，给石油钻具生产厂及热处理厂造成了巨大的经济损失。
一、关于大型稳定器选材的分析
1.以质量及Bi毕式准数为衡量标准，大型稳定器属于大锻件[1]。由于大型稳定器在工作时受到的力以拉应力为主，故在受拉伸载荷零件的淬火后，其表层和心部应均为马氏体组织，或者是马氏体-下贝氏体复相组织。在中低碳合金钢中，普遍采用的是马氏体-下贝氏体复相组织，因为其强韧性要远远优于贝氏体单一组织。所以，大型稳定器用钢的淬硬性及淬透性必须达到相关规定的要求。石油钻具的常用钢主要有40CrNiMo、40CrMnMo及4145H等[2]。当钢中的主要元素含量偏下限或是下限时，热处理性能会出现显著差异，而此种情况也常出现于40CrNiMo淬透性曲线中。所以，上述几种常用钢应用在大型稳定器时，其主要元素的含量应倾向于中上限。
2.近年来，我国引进了大量的4145HMOD钢。该种钢广泛应用于大型石油钻具中，因为其Mo的含量明显高于40CrNiMo、40CrMnMo、4145H三种钢种，而增加了Mo含量，则表示钢的淬透性也增加了，进而大大增加了钢的回火抗力，钢的二次脆性则明显减轻。所以，在现阶段，4145HMOD钢被认为是大型稳定器的最佳材料。
二、大型稳定器热处理工艺的相关分析
1.大型稳定器发生纵裂、横裂的原因分析
1.1通常情况下，大型稳定器直径偏小的颈部是最容易发生纵裂的部位，而直径尺寸较大的部位则易发生横裂。如果将材料缺陷导致材料强度下降的因素排除，内应力超出材料实际破断强度则是导致断裂的主要原因，而热应力是引起横裂的首要原因，组织应力则是导致纵裂的第一原因。大锻件在加热及冷却的过程中均会产生大量的热应力，尤其是加热时形成的热应力，极易增加横裂的危险性；而淬火冷却的过程则是组织应力的生成过程，冷却程度越厉害，终冷温度则更低，纵裂的危险性也更大[3]。实际上，淬火件内最大拉应力及存在部位是淬裂得以形成的最主要因素。所以，如何在保证力学性能符合要求的前提下，将加热及冷却过程中的最大拉应力降低，并改变其发生的位置，则是防止大型稳定器断裂的重要环节。
1.2工艺、结构等因素也会直接影响到瞬时内应力的产生及残余应力的大小。在冷却方式上，大型实心轴类零件不同于有中心孔的轴累零件，两者在热处理后的残余应力是存在较大差异的。当中心孔不冷却时，其与实心轴类零件在热处理后的残余应力则无差异，而中心孔及其表面如果同时冷却，其外表及内壁均会受压，中间则受拉，则大幅度降低了其峰值。大锻件在装进正火温度或炉温升值淬火的炉中时，若其表面温度为450℃，则其心部与表面温差将高达300℃以上，此时工件会形成巨大的内应力，这对于处在弹性状态的锻件无疑是十分危险的。据了解，采用阶梯加热的方式，能将低温区锻件的表面及心部温差显著降低，最大温差仅有70℃，此时则能有效降低工件的内应力。
2.提高综合力学性能的方法分析
先选择合适的材料，然后在进行热处理前钻中心孔，以减少材料的有效壁厚，从而获取所需的淬火组织。淬火介质与钢的淬透性有着紧密联系，能否选择恰当的淬火介质，将直接影响到钢的淬透性。水基淬火介质能够调节浓度，改变冷却的特性温度，最终达到需要的冷却速度，既有效保证了钢的淬硬性，又提高了钢的淬透性，从而大大减小了工件的淬裂倾向。通过采取上述方法，能让大型稳定器颈部获取足量的马氏-下贝氏体组织或马氏体组织，回火也可取得均匀的回火索氏体组织；同时，颈部的横截面每个部位的硬度达到285HB，这样即可有效提高了大型稳定器的综合力学性能。
3.热处理工艺的编制分析
根据以上降低内应力的方法，并结合调整最大内应力出现位置的措施，首先，在开始热处理前钻中心孔，这样做的目的是减小工件的有效壁厚。其次，采取阶梯加热方式进行加热，再选择合适的水基淬火介质，待淬火冷却时，高温期会快速冷却，这样便可得到高的热应力值将组织应力抵消掉；最后，将外表面与中心孔同时浸入冷却，即可得到过渡型残余应力。经过冷却后，得到了所要的的组织，对终冷温度进行有效控制，以减小马氏体正方度，再让组织应力降低，即可将断裂抗力提高。使用该方法进行的不同尺寸的大型稳定器力学性能达到了相关规定的要求，从而有效防止了断裂事故的发生。
三、经验总结
由于大型稳定器的质量体积较大，故许多石油钻具生产厂及热处理厂均发生了一些纵裂或横裂质量事故，抑或是力学性能不符合要求等，这严重影响了其经济效益。经过不断的实践论证，总结出了一些改善大型稳定器力学性能及避免纵裂、横裂质量事故发生的方法，具体如下。
1.要做到合理选材。大型稳定器用钢的含量及质量对于保证其力学综合性能有重要意义。在现阶段，以4145HMOD钢为最佳材料，因为该材料的Mo含量较其余钢多，故大大增加了钢的淬透性，钢的回火抗力也得到了大幅度的提高，进而使得钢的二次脆性明显减轻，体现出良好的强韧性。
2.在保证合理选材的前提下，应在开始热处理之前钻中心孔，这样能将有效壁厚减小，从而有利于把最大应力降低，并利于最大应力出现部位的调整。
3.加热时，最好是选择阶梯式加热方式加热，从而有利于低温区工件表面及内部内应力的降低，以实现防止横向断裂发生的目的。
4.正确选择淬火介质。选定了淬火介质后，把外表面及中心孔一同浸淬，并将终冷温度控制好，以保证工件可以得到需要的组织及过渡型残余应力，并有效防止了纵裂质量事故的出现。
四、结束语
综上所述，因为石油钻井稳定器在钻井中是常用的工具，故对其安全可靠性较高。鉴于大多数大型稳定器存在的不足及生产厂家发生的质量事故，必须对石油钻井大型稳定器的选材及热处理予以足够的重视，做到合理选材及正确进行热处理，以保证大型稳定器的安全可靠性。
参考文献
[1]康希纯.石油钻具大型稳定器的选材及热处理[J].金属热处理.2012，37（10）：127-128.
[2]张国新.基于 Deform 石油钻具接头热挤压成形[J].金属铸锻焊技术.2012（03）：78-79.
[3]康希纯，毕叶.石油钻具转换接头的热处理[J].金属热处理.2009，34（09）：91-92.
作者简介：杨秋生（1974-）男，汉族，河南正阳人，工程师，主要从事石油机械工作。
关键词：石油钻具 大型稳定器 选材 热处理
石油钻井稳定器是钻井中使用频率较高的工具之一，其安全可靠性与钻井工作的安全有着很大的联系。但当前石油钻井的大型稳定器，其质量体积普遍较大，给热处理工作造成了很大的困扰，甚至会发生不同程度的纵裂、横裂质量事故或力学性能不符合要求的现象，给石油钻具生产厂及热处理厂造成了巨大的经济损失。
一、关于大型稳定器选材的分析
1.以质量及Bi毕式准数为衡量标准，大型稳定器属于大锻件[1]。由于大型稳定器在工作时受到的力以拉应力为主，故在受拉伸载荷零件的淬火后，其表层和心部应均为马氏体组织，或者是马氏体-下贝氏体复相组织。在中低碳合金钢中，普遍采用的是马氏体-下贝氏体复相组织，因为其强韧性要远远优于贝氏体单一组织。所以，大型稳定器用钢的淬硬性及淬透性必须达到相关规定的要求。石油钻具的常用钢主要有40CrNiMo、40CrMnMo及4145H等[2]。当钢中的主要元素含量偏下限或是下限时，热处理性能会出现显著差异，而此种情况也常出现于40CrNiMo淬透性曲线中。所以，上述几种常用钢应用在大型稳定器时，其主要元素的含量应倾向于中上限。
2.近年来，我国引进了大量的4145HMOD钢。该种钢广泛应用于大型石油钻具中，因为其Mo的含量明显高于40CrNiMo、40CrMnMo、4145H三种钢种，而增加了Mo含量，则表示钢的淬透性也增加了，进而大大增加了钢的回火抗力，钢的二次脆性则明显减轻。所以，在现阶段，4145HMOD钢被认为是大型稳定器的最佳材料。
二、大型稳定器热处理工艺的相关分析
1.大型稳定器发生纵裂、横裂的原因分析
1.1通常情况下，大型稳定器直径偏小的颈部是最容易发生纵裂的部位，而直径尺寸较大的部位则易发生横裂。如果将材料缺陷导致材料强度下降的因素排除，内应力超出材料实际破断强度则是导致断裂的主要原因，而热应力是引起横裂的首要原因，组织应力则是导致纵裂的第一原因。大锻件在加热及冷却的过程中均会产生大量的热应力，尤其是加热时形成的热应力，极易增加横裂的危险性；而淬火冷却的过程则是组织应力的生成过程，冷却程度越厉害，终冷温度则更低，纵裂的危险性也更大[3]。实际上，淬火件内最大拉应力及存在部位是淬裂得以形成的最主要因素。所以，如何在保证力学性能符合要求的前提下，将加热及冷却过程中的最大拉应力降低，并改变其发生的位置，则是防止大型稳定器断裂的重要环节。
1.2工艺、结构等因素也会直接影响到瞬时内应力的产生及残余应力的大小。在冷却方式上，大型实心轴类零件不同于有中心孔的轴累零件，两者在热处理后的残余应力是存在较大差异的。当中心孔不冷却时，其与实心轴类零件在热处理后的残余应力则无差异，而中心孔及其表面如果同时冷却，其外表及内壁均会受压，中间则受拉，则大幅度降低了其峰值。大锻件在装进正火温度或炉温升值淬火的炉中时，若其表面温度为450℃，则其心部与表面温差将高达300℃以上，此时工件会形成巨大的内应力，这对于处在弹性状态的锻件无疑是十分危险的。据了解，采用阶梯加热的方式，能将低温区锻件的表面及心部温差显著降低，最大温差仅有70℃，此时则能有效降低工件的内应力。
2.提高综合力学性能的方法分析
先选择合适的材料，然后在进行热处理前钻中心孔，以减少材料的有效壁厚，从而获取所需的淬火组织。淬火介质与钢的淬透性有着紧密联系，能否选择恰当的淬火介质，将直接影响到钢的淬透性。水基淬火介质能够调节浓度，改变冷却的特性温度，最终达到需要的冷却速度，既有效保证了钢的淬硬性，又提高了钢的淬透性，从而大大减小了工件的淬裂倾向。通过采取上述方法，能让大型稳定器颈部获取足量的马氏-下贝氏体组织或马氏体组织，回火也可取得均匀的回火索氏体组织；同时，颈部的横截面每个部位的硬度达到285HB，这样即可有效提高了大型稳定器的综合力学性能。
3.热处理工艺的编制分析
根据以上降低内应力的方法，并结合调整最大内应力出现位置的措施，首先，在开始热处理前钻中心孔，这样做的目的是减小工件的有效壁厚。其次，采取阶梯加热方式进行加热，再选择合适的水基淬火介质，待淬火冷却时，高温期会快速冷却，这样便可得到高的热应力值将组织应力抵消掉；最后，将外表面与中心孔同时浸入冷却，即可得到过渡型残余应力。经过冷却后，得到了所要的的组织，对终冷温度进行有效控制，以减小马氏体正方度，再让组织应力降低，即可将断裂抗力提高。使用该方法进行的不同尺寸的大型稳定器力学性能达到了相关规定的要求，从而有效防止了断裂事故的发生。
三、经验总结
由于大型稳定器的质量体积较大，故许多石油钻具生产厂及热处理厂均发生了一些纵裂或横裂质量事故，抑或是力学性能不符合要求等，这严重影响了其经济效益。经过不断的实践论证，总结出了一些改善大型稳定器力学性能及避免纵裂、横裂质量事故发生的方法，具体如下。
1.要做到合理选材。大型稳定器用钢的含量及质量对于保证其力学综合性能有重要意义。在现阶段，以4145HMOD钢为最佳材料，因为该材料的Mo含量较其余钢多，故大大增加了钢的淬透性，钢的回火抗力也得到了大幅度的提高，进而使得钢的二次脆性明显减轻，体现出良好的强韧性。
2.在保证合理选材的前提下，应在开始热处理之前钻中心孔，这样能将有效壁厚减小，从而有利于把最大应力降低，并利于最大应力出现部位的调整。
3.加热时，最好是选择阶梯式加热方式加热，从而有利于低温区工件表面及内部内应力的降低，以实现防止横向断裂发生的目的。
4.正确选择淬火介质。选定了淬火介质后，把外表面及中心孔一同浸淬，并将终冷温度控制好，以保证工件可以得到需要的组织及过渡型残余应力，并有效防止了纵裂质量事故的出现。
四、结束语
综上所述，因为石油钻井稳定器在钻井中是常用的工具，故对其安全可靠性较高。鉴于大多数大型稳定器存在的不足及生产厂家发生的质量事故，必须对石油钻井大型稳定器的选材及热处理予以足够的重视，做到合理选材及正确进行热处理，以保证大型稳定器的安全可靠性。
参考文献
[1]康希纯.石油钻具大型稳定器的选材及热处理[J].金属热处理.2012，37（10）：127-128.
[2]张国新.基于 Deform 石油钻具接头热挤压成形[J].金属铸锻焊技术.2012（03）：78-79.
[3]康希纯，毕叶.石油钻具转换接头的热处理[J].金属热处理.2009，34（09）：91-92.
作者简介：杨秋生（1974-）男，汉族，河南正阳人，工程师，主要从事石油机械工作。