高压活动接头为石油钻采管路的关键连接件，在石油钻采中主要起输送流体的作用。 由于活动弯接头多安装在管路变向拐弯处（如图1），常因流体拥堵和冲刷造成较大的应力集中，加之材料不可避免地存在一些微观缺陷，在高压下极易发生爆裂（见图2），导致井液泄漏喷射，危及人身安全，带来很大的事故隐患。为此，我们对某油田现场发生开裂的弯头进行了全面分析，找出了爆裂的原因，并进行了工艺改进，取得了满意的效果。
图1 高压活动弯接头
图2 弯接头现场使用爆裂
1.弯接头技术要求
该零件材料为20CrNiMo，技术要求：表面渗碳硬度56～62HRC，渗碳层深1.0～1.2mm，心部硬度25～30HRC。弯头加工工艺路线：锻造→正火→粗车→时效→精加工→弹道渗碳淬火→喷砂修磨→磁粉探伤→成品。为保证表面硬度，采用图3所示的渗碳淬火工艺。
图3 渗碳直接淬火工艺
2.检验方法和结果
（1）断口形貌检查
断口平齐呈脆性断口（见图4），说明材料延展性较差。
图4 弯接头断口形貌图
（2）化学成分
在失效样品上取样进行化学分析，其结果符合标准要求，见表1。
（3）硬度和金相分析
取样进行硬度和金相分析，表面硬度为57HRC，心部硬度为22HRC，弹道渗层深度为1.1mm，金相组织表面为回火马氏体2级，碳化物1级。渗碳深度和组织符合技术要求，但心部硬度较低。
表1爆裂弯头的化学成分（质量分数）（%）
（4）力学性能
从失效样品取样进行力学性能试验，结果如表2所示。
表2 爆裂弯头力学性能试验结果
项目 | 抗拉强 度/MPa | 屈服强 度/MPa | 伸长 率（%） | 断面收 缩率（%） | 冲击功 Akv（ -29℃）/J |
实测结果 | 740 | 625 | 14 | 40 | 20/22/27 |
技术指标 | 800 | 680 | 12 | 35 | 27（平均值） |
从试验数据看，材料强度和冲击韧性低于指标要求。
（5）夹杂物检测
经在裂纹附近取样观察，发现脆性夹杂物级别达到3级，技术要求为≤2级。
3.原因分析与讨论
弯接头工作时承受较高压力和交变载荷，要求材料具有高强度高韧性，若材料韧性不足易在薄弱部位造成开裂。在开裂样品裂纹处发现有氧化物夹杂，说明材料冶金质量不过关。材料的塑韧性不足原因是渗碳工艺不当，心部存在较多的混合组织。
4.改进措施及效果
影响弯接头材料质量的因素有材料冶金质量和内部金相组织。为此，在对比多种材料的基础上，经过多次工艺试验总结出以下改进措施：
（1）提高材料冶炼等级，将原来采购普通材料改为真空精炼脱气钢，虽然成本有所增加，但大大提高了钢的纯净度，由于减少了杂质含量，结果因夹杂物超标导致的废品大大减少。所以，总的来看，费用基本没有增加。
（2）渗碳采用一次淬火细化晶粒（见图5），提高心部强韧性。
（3）对改进后的弯接头进行材料检验，夹杂物级别≤1级，对心部取样做力学性能试验，强度和冲击性能均达到技术要求。跟踪产品现场使用情况，再没有发生爆裂问题。
图5 弯接头渗碳一次淬火工艺
5.结语
弯接头20CrNiMo材料采用真空冶炼工艺和热处理渗碳+一次淬火工艺可以有效提高产品的材料性能，从而大大减少废品率，避免产品在使用中的开裂，提高了企业的产品形象。
作者：刘琼、胡顺、李平
单位：江汉石油管理局第四机械厂
来源：《金属加工（热加工）》杂志
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