基础零部件重量减轻攻关实例

自1966年以来，我们按照上述途径，对一批质量和寿命比较突出的产品，重新选择了材料和热处理工艺，使这些产品分别取得了减轻重量、延长寿命、提高安全可靠性的效果。下面仅以吊卡、公锥、刹车鼓、吊环等产品为例，作一简要说明。

1.减轻重量——以吊卡为例

吊卡是石油钻井提升系统的重要工具，主要用于钻井过程的起下钻和油井打捞。国产旧吊卡是按苏联设计及工艺制造，又粗又重，钻井工人劳动强度很大，迫切要求大幅度减轻其重量。

刚着手减轻吊卡重量时，由于没有按照材料强度的思路进行研究，陷入盲目，导致多次失败。当时，我们只单纯认识到，旧吊卡傻大笨粗是材料使用强度水平太低导致的，要减轻其重量，采用超高强度钢即可。用抗拉强度2000MPa级的钢种制造的吊卡，在很低的试验负荷下就压垮了。以后，在西安交大金属材料强度研究室的协助下，我们分析了吊卡的服役条件和失效特点，有针对性地变革材料和热处理工艺，取得了较好效果。

吊卡在使用中承受的最主要的负荷是疲劳负荷。在每一应力循环中，负荷的最小值接近于零，最大值在下钻时随着钻杆深度的逐渐增加而增大；在起钻时则随着钻杆深度的减少而降低。同时，随着井深的增加，完成一个起下钻操作所经历的应力循环周次逐渐增加。每一应力循环所需时间一般约有几分钟。由于在正常钻井过程中，除接单根外无需使用吊卡，因此它是间歇受载。由此可知，吊卡所承受的是一种变动应力幅的低频随机疲劳负荷。

在起下钻时，特别是在处理事故的过程中，由于猛提猛刹，使吊卡承受较大的冲击负荷。这种冲击负荷往往引起吊卡瞬时超载。

钻井作业长期在野外进行，特别是我国北方油田，冬季气温低达零下40℃，因此需要考虑材料的冷脆倾向。

通常吊卡有三种失效方式：①变形（吊卡底座变形后呈船形）；②磨损（主要部位是与钻杆接头接触处）；③疲劳断裂。这些失效方式总的都表现为吊卡材料的强度不够。为了减轻吊卡重量，需要提高材料强度水平；为了杜绝吊卡早期失效，也要提高材料强度。但吊卡的服役条件表明，在提高材料强度的同时，必须保证材料有较好的塑性韧性、较低的缺口敏感度、过载敏感性和冷脆倾向。因此，我们确定了疲劳强度、缺口敏感度、过载敏感性、低温冲击值等作为吊卡材料的失效判据。在试验室里对几种材料进行了上述项目试验后，选定20SiMn2MoVA作为吊卡用钢。该钢在淬火、低温回火后，得到低碳马氏体（板条状马氏体），具有高强度大塑性韧性相结合的综合力学性能，较好地适应了吊卡的服役条件。

除了材料和热处理工艺改革外，还在吊卡结构上进行了两方面的改进：①加大主体、活页等主要零件上的过渡圆弧，降低应力集中系数；②进行电测、光弹等试验应力分析，加强危险截面，减小应力较低处的截面，尽可能做到等强度设计，进一步减轻重量。

上述改革有的放矢，针对性强，吊卡重量由原来的126kg减轻到62kg，安全可靠性也提高了。经进行实物超负荷试验和现场工业性试验，证明这些改革是成功的。

图2 以减轻重量为目的步骤

在一般情况下，对于那些以减轻重量为主要目标的基础零部件，可按图2所示的步骤进行攻关。

2.延长寿命——以公锥和刹车鼓为例

钻杆打捞公锥是钻井过程中处理钻杆断裂事故的主要工具。据调查，原20CrMo公锥一般只能下井打捞一次，有的公锥甚至连一次打捞也不能完成。

在打捞过程中，公锥的服役条件是很复杂的。在寻找“落鱼”时，公锥（尤其是打捞扣部分）承受一定的冲击负荷。造扣时，公锥整体承受扭转或弯扭复合应力，而打捞扣则受到很大的切向剪切应力、多向不等压应力，以及强烈的磨损（除与钻杆材料相磨外，还承受“落鱼”内泥沙的磨粒磨损）。造扣完成后，公锥整体又要承受全部“落鱼”的重量及井壁阻力，打捞扣则相应的承受轴向切应力。在这样的服役条件下，许多公锥经一次使用后，造扣部位即变成光杆。(www.xing528.com)

根据公锥失效的外部现象，似乎磨损问题是主要矛盾。几年来，我们多次深入油田进行反复调查和实地观察，并对失效公锥进行了过细的解剖分析，将获得的材料经过一番“去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里的思索”和加工制作，透过现象看清了本质。原来公锥使用后形成的“光杆”是由于打捞扣被剪断，经公锥和钻杆互相挤压摩擦造成的。

因此，公锥的失效首先是一个强度问题。除了要求打捞扣有较高的剪切强度外，心部强度和硬度也是很重要的。这主要取决于公锥用钢的淬透性（包括渗碳层的淬透性）和心部碳含量。通过试验，选定27SiMn2WVA为公锥用钢，并经渗碳处理。仅作这样的改革，公锥的造扣能力和使用寿命就有了较大的提高。与20CrMo旧公锥相比，提高使用寿命一倍以上。打捞普通钻杆时，平均寿命2.5次，并且可以打捞无细扣高强度钻杆。

解决了强度问题后，耐磨性上升为主要矛盾。渗碳后又渗硼，较好地解决了这一问题。几年来，先后制造了三批共40余件渗碳加渗硼的公锥，经在几个油田试用，打捞普通钻杆时平均寿命3.5次，最高寿命9次，打捞无细扣高强度钻杆时能稳定使用2～3次。但渗碳后又渗硼，工艺周期比较长，盐浴渗硼工艺本身也还存在一些问题，目前已改为碳氮共渗，并正式转产，使用效果也较好。例如1976年8月，华北油田任45井（当时，这口井被认为是可以拿下高产油田的关键井），当井深接近油层时，突然发生卡钻事故，十几个20CrMo渗碳公锥都不顶用。采用送往油田的试验公锥，一举捞起井下两千多米钻杆，顺利处理了事故。这件事轰动了油田，钻井工人给这只公锥披红戴花。再如去年十月，四川关基井发生了断钻杆顿钻事故，当时井深7069m，落鱼2280m，重51t。若不及时排除事故，将严重影响我国第一口7000m超深井的顺利完钻。结果，井队用27SiMn2WVA碳氮共渗高强度公锥，一次打捞成功。向上提钻具时，公锥承受的最大负荷148t，使用后，公锥造扣部位完整无损。

钻机绞车刹车时，刹带与刹车鼓工作表面强烈摩擦，使温度急剧上升到900℃左右，随即又迅速冷却到室温（有时是喷水冷却）。这样反复急热急冷，使刹车鼓表面产生裂纹，并逐渐发展而致断裂。

但过去，我们对刹车鼓的失效分析不够，仅从表面现象出发，认为刹车鼓早期失效主要是由于材料耐磨性不够，因此材料和热处理工艺改革是从提高硬度和耐磨性出发的。由于没有抓住主要矛盾，不能对症下药，刹车鼓越改革越不耐用。

近年来，我们深入油田，和钻井工人们一起分析了刹车鼓的服役条件，并进行电镜断口分析，过细地研究了失效特点和失效原因，发现刹车鼓是典型的热疲劳破坏；导致刹车鼓早期失效的主要矛盾，是材料的热疲劳抗力不够，因此确定热疲劳抗力是刹车鼓失效的依据。选择几种材料进行了试验室热疲劳试验，发现ZG18Cr3MoWA（ZGN8）的热疲劳寿命是ZG35CrMo的3倍（前者7根试样的平均值为297次，后者为96次）。现场工业性试验与试验室试验的结果是吻合的。例如四川石油沟气矿32515钻井队（卧64井）把N8钢刹车鼓和35CrMo刹车鼓装在同一台绞车上，进行对比试验。这口井于1976年9月11日开始，1977年5月7日完钻，井深3020m。全井钻进过程共更换96个钻头（有的钻头只能钻进0.47m，可见地层之硬）。N8钢刹车鼓在比较恶劣的条件下经受了全井考验，打完这口井后虽已产生裂纹但仍可继续使用。而35CrMo刹车鼓先后断裂了2只，一共用了3只刹车鼓才打完这口井。完钻后，第三只35CrMo刹车鼓已严重开裂，不能继续使用。

在一般情况下，对于那些以延长寿命为主攻方向的零件，可按图3所示的步骤进行攻关。

图3 以延长寿命为目的步骤

3.保障安全可靠性——以吊环为例

石油钻井用轻型单臂吊环，采用20SiMn2MoVA钢淬火低温回火制造，使用中曾发生小环部断裂事故。为确保吊环的安全可靠性，我们在西安交通大学的协助下，用有限元法计算了小环部危险断面的应力强度因子K随裂纹长度变化的数值解，测定了吊环用钢的K_IC=133MPa·mm²¹，并用50t吊环实物试验进行验证。其中有一根吊环断裂负荷为53t，实际裂纹长度为12.9mm，而计算裂纹长度为12.5mm，误差仅1.2%。其余几根试验吊环实测和计算误差也在10%左右。

断口分析表明，吊环的断裂是由疲劳负荷引起的。为了计算吊环在出现了一定裂纹以后的剩余寿命，除计算了吊环危险断面K_I、测定了吊环用钢的K_IC外，还进行了该钢疲劳裂纹扩张速率的测定，最后用50t吊环的实物疲劳试验，验证K_I计算和试验室性能试验的结果：当疲劳负荷为15t/1.4t，初始裂纹尺寸为10.6mm时，实测剩余寿命为7.05×10⁴次，计算寿命为5.31×10⁴次；当疲劳负荷为25t/1.4t，初始裂纹尺寸为8.75mm时，实测剩余寿命为1.54×10⁴次，计算寿命为1.72×10⁴次。试验表明，吊环剩余寿命的计算也具有满足工程实际需要的精度。这就能够定量地回答吊环危险截面出现裂纹后是否能继续安全使用，以及还能使用多久的问题。这样吊环使用中就能在确保安全的同时，做到物尽其用。

根据条件门坎（阈值）值ΔK_th计算所得的吊环中允许存在非扩张裂纹长度，也为产品的检验提供了一定的依据。

因此，运用断裂力学的方法可以使我国吊环生产和使用建立在更合理的基础上，并确保其安全可靠。