游車大鉤材料性能分析

于 雷，黃志超

1中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津

2中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津

游車大鉤，布氏硬度，金相組織，沖擊性能，拉伸性能

1.前言

在年檢中，中海油渤海自營油田修井機(jī)游車大鉤多套次被檢出裂紋缺陷，導(dǎo)致部分游車大鉤報(bào)廢。油田對游車大鉤開展了一系列性能分析。駱發(fā)前等[1]研究了游車大鉤斷裂的原因和預(yù)防措施，于雷[2]對游車大鉤鉤體裂紋在靜載荷下的斷裂性能進(jìn)行了研究，徐世珍等[3]對大鉤的可焊性進(jìn)行了分析。筆者對報(bào)廢游車大鉤鉤體材料性能進(jìn)行分析試驗(yàn)，以促進(jìn)游車大鉤制造工藝的改進(jìn)。

2.化學(xué)成分分析

當(dāng)金屬被能量激發(fā)時(shí)，原子的殼層電子被激發(fā)到較高能級的外層軌道上同時(shí)激發(fā)出特征譜線。采集這些特征譜線并計(jì)算其強(qiáng)度就可以獲得該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)游車大鉤制造商提供的資料顯示，該大鉤的材料牌號為ZG28NiCrMoA。對游車大鉤鉤體材料的8種化學(xué)元素進(jìn)行定量分析，并與標(biāo)準(zhǔn)JBT 6402—2006《大型低合金鋼鑄件》對比，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

Table 1.The test result of chemical composition analysis of hook sample of travelling block 表1.游車大鉤試樣化學(xué)成分分析試驗(yàn)結(jié)果

該試樣的C元素含量略高于標(biāo)準(zhǔn)要求，Si、Mn、P和S元素含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，Cr元素含量明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求，Ni和Mo元素含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.硬度試驗(yàn)分析

試驗(yàn)采用布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測量。選取2個(gè)游車大鉤試樣，試驗(yàn)方法參照GB/T 231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》。從試驗(yàn)結(jié)果(表2)可以看出，2種試樣的布氏硬度在250～256 HBW，說明游車大鉤鉤體各部分的材質(zhì)比較均勻，抵抗壓力和劃痕的能力也基本相同。

Table 2.The test result of Brinell hardness analysis of hook sample of travelling block 表2.游車大鉤試樣布氏硬度分析結(jié)果

4.金相試驗(yàn)分析

金相組織分析是研究金屬及合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種常見試驗(yàn)方法。試驗(yàn)方法參照GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。游車大鉤試樣鉤體表面進(jìn)行金相組織分析并拍攝金相組織相片如圖1所示。游車大鉤的材質(zhì)為以鐵素體為基體，內(nèi)分布著較為均勻的碳化物球粒的復(fù)合物，是一種典型的回火索氏體組織形態(tài)。

Figure 1.The metallographic structure of hook body 圖1.游車大鉤鉤體金相組織

5.沖擊試驗(yàn)分析

材料沖擊試驗(yàn)是一種動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)，材料的沖擊吸收功能夠直觀反應(yīng)材料的沖擊韌性。試驗(yàn)方法參照GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》。試樣尺寸如表3所示。

試驗(yàn)制作了3組沖擊試樣，試驗(yàn)溫度為-20℃，每組包含3個(gè)試樣，沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。游車大鉤試樣的沖擊吸收功在18.5～28 J之間。參考對ZG28NiCrMoA鋼材沖擊吸收能量的要求，在-20℃時(shí)的最小沖擊功為32 J，說明該批試樣的沖擊韌性均未達(dá)標(biāo)。

Table 3.The sample size of impact test 表3.沖擊試驗(yàn)試樣尺寸表

Table 4.The result of impact test 表4.沖擊試驗(yàn)結(jié)果

6.拉伸試驗(yàn)分析

試驗(yàn)方法參照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行試樣加工和試驗(yàn)分析，制作了4組拉伸試樣，試驗(yàn)結(jié)果見表5。參考標(biāo)準(zhǔn)JBT 6402—2006《大型低合金鋼鑄件》，要求該牌號的材料屈服強(qiáng)度大于420 MPa，抗拉強(qiáng)度大于630 MPa，斷后伸長率不低于20%，斷面收縮率高于40%。從拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該游車大鉤鉤體材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均符合標(biāo)準(zhǔn)，斷面收縮率ZG3及ZG4也基本滿足要求。ZG1及ZG2斷面收縮率偏小，可能與試樣加工工藝有關(guān)。

Table 5.The result of tensile test 表5.拉伸試驗(yàn)結(jié)果

7.結(jié)論與建議

1)大鉤試樣的化學(xué)成分試驗(yàn)結(jié)果與該材料牌號的標(biāo)準(zhǔn)要求差異較大，C、Cr、Ni、Mo含量偏離標(biāo)準(zhǔn)值直接影響材料的性能。

2)大鉤試樣的沖擊韌性不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)大鉤試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4)為避免游車大鉤在油田生產(chǎn)運(yùn)營中過早報(bào)廢，建議游車大鉤鉤體在制造過程中完善鑄造工藝，確保大鉤材料各化學(xué)成分和機(jī)械性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。