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低應力脆性斷裂案例分享 ：會造成重大經濟損失！！！

2023年12月04日 仁成精密鋼管廠1333???3??? 鋼鐵知識 百度已收錄 № 14315
壓裂頭是油田壓裂作業中安裝在采油（氣）樹頂部，用于匯集多條管線壓裂液，實現多管線注入的重要設備，適用于大排量、高壓力壓裂作業。


壓裂頭系大型零件，單件小批生產，基本不進行熱處理工藝試驗，現連續兩次發生壓裂頭熱處理后出現裂紋的重大質量事故，不僅嚴重影響生產，且造成重大經濟損失。


一、壓裂頭的工藝流程


壓裂頭的形狀如圖1所示。工藝流程：鍛造成形→正火→粗加工→劃線→鉆鏜中間大孔→調質→機加工去掉氧化皮→探傷。



圖1  壓裂頭形狀


壓裂頭材料為30CrNi2MoV。技術要求：230～286HBW。產品最大直徑為750mm，高度為890mm，中心孔尺寸為φ130mm，結構尺寸如圖2所示。



圖2  壓裂頭示意




二、壓裂頭熱處理后裂紋形貌


熱處理后，去掉氧化皮，探傷，發現壓裂頭內孔裂紋形貌如圖3所示，靠近內孔小凸臺端面有肉眼可見的裂紋，如圖4所示。



圖3  壓裂頭內孔裂紋形貌




圖4  靠近內孔小凸臺端面上的裂紋



三、壓裂頭裂紋產生的原因分析


（1）壓裂頭鍛件材質
壓裂頭的毛坯是由外協單位提供，毛坯入廠時通過超聲波探傷檢測，壓裂頭毛坯夾雜物及高低倍組織均滿足技術要求。

（2）壓裂頭熱處理工藝
熱處理工藝如圖5所示。通過對壓裂頭進行取樣分析，發現壓裂頭力學性能、微觀組織及晶粒度均滿足技術要求。



圖5  熱處理工藝


（3）裂紋形貌
對裂紋進行取樣分析，裂紋形貌如圖6所示，裂紋是在熱處理過程中產生的。



圖6  裂紋形貌



四、原因分析


深入了解熱處理過程，熱處理油池的容量為30t左右，冷卻過程中向油池注入空氣進行攪拌，油池冷卻效果不是很好。

查閱有關手冊資料得知，30CrNi2MoV的端淬試樣直徑遠小于壓裂頭的有效厚度，在冷卻效果較好的油池中，如果僅采用空氣攪拌而不采取其他的方法，壓裂頭也是無法淬透的。

原蘇聯聶姆琴斯基做了大量的試驗，對于非淬透性鋼，在油淬后測得殘余應力與直徑的關系，如圖7所示。應力的作用方式和大件淬裂產生的力學模型如圖8所示。



圖7  大型產品淬火后的殘余應力圖




圖8  大型件應力的作用方式和淬裂產生的力學模型


由于壓裂頭中心孔較小，在冷卻過程中，中心孔內表面不能很好地冷卻，由圖7可知，中心孔內表面為拉應力，這是因為在冷卻末期，外層金屬（圖8陰影線部分），已先于內部冷至低溫（直到室溫），這時內部金屬的溫度必然不同程度地高于外層，當心部金屬隨后繼續降溫時，因伴隨的體積收縮受到外層金屬的強制約束，而在中心部分產生三向拉應力，其最大拉應力主要作用在大型件的截面中心處。金屬力學性能理論表明，金屬在三向拉應力作用下，大大約束了塑性變形能力，使其轉變為脆性狀態，極易產生低應力脆性斷裂，這就是具有珠光體組織的大型零件心部金屬，在熱應力作用下形成裂紋（被淬裂）的根本原因。



五、改進措施及效果


為解決壓裂頭淬裂的問題，利用組織應力與熱應力在大件截面中心處能相互抵消的原理，采用中心孔通水強冷的整體加熱的普通淬火方法，使最大拉應力盡可能從內孔表面移至截面內部，這就可以避免中心孔開裂，同時使內層淬裂的危險性減小。

生產實踐證明，采用中心孔通水的強制冷卻方式，壓裂頭熱處理后，不再有中心孔內表面裂紋現象發生。

作者：馮玲

單位：中石化第四機械廠

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