隨鉆測(cè)井儀器硬質(zhì)合金復(fù)合件熱鑲內(nèi)應(yīng)力分析

趙江波 羅登銀 郭心宇

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149；2.自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，自貢 643000）

硬質(zhì)合金材料作為高硬度、高耐磨材料，具有耐熱、耐腐蝕的特性[1]。在500 ℃的溫度下，它的性質(zhì)基本保持不變，大量運(yùn)用于石油鉆采業(yè)。硬質(zhì)合金與不銹鋼的連接方式分為過(guò)盈連接、粘接及螺紋連接等形式[2]?？紤]到井下高溫高壓的特殊工作環(huán)境，采用粘接工藝需要高溫粘結(jié)劑與真空注膠工藝結(jié)合。在井下高溫高壓環(huán)境中，注膠殘余的氣泡容易造成粘接開裂與失效，泥漿中的化學(xué)物質(zhì)與粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)使粘接強(qiáng)度降低，導(dǎo)致粘接失效。對(duì)于螺紋連接方式，硬質(zhì)合金韌性較差，且硬度高，加工困難。結(jié)合井下隨鉆儀器結(jié)構(gòu)尺寸較小且高強(qiáng)度振動(dòng)的情況，硬質(zhì)合金螺紋處容易破損與失效。粘接與螺紋連接兩種方式在隨鉆儀器中應(yīng)用較少，較多采用的是不銹鋼金屬與硬質(zhì)合金鑲接，選擇過(guò)盈連接形式進(jìn)行組合連接[3]。

1 熱鑲工藝概況

熱鑲工藝在過(guò)盈連接時(shí)會(huì)出現(xiàn)連接失效的情況。一類是如圖1所示的硬質(zhì)合金噴嘴與不銹鋼熱鑲，其中缸套為17-4PH不銹鋼，外表面加工有連接螺紋，合金基體材料為YG6硬質(zhì)合金，按17-4PH的屈服極限設(shè)計(jì)鑲接的過(guò)盈量。鑲接后，車外螺紋時(shí)合金噴嘴松動(dòng)，導(dǎo)致連接失效。另一類是如圖2所示的提升閥。提升閥基體為硬質(zhì)合金，螺紋套材質(zhì)為17-4PH不銹鋼。提升閥基體和螺紋套加工到尺寸要求后將螺紋冷鑲進(jìn)提升閥內(nèi)孔，用戶在裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)螺紋套松動(dòng)，部分螺紋套與硬質(zhì)合金的提升閥基體分離，過(guò)盈連接失效[4]。提升閥基體與螺紋套的過(guò)盈量按照17-4PH不銹鋼屈服極限設(shè)計(jì)。

應(yīng)用于石油鉆采的不銹鋼，要求具有較高強(qiáng)度和較好的耐腐蝕性[5]。本實(shí)驗(yàn)方案選用沉淀硬化不銹鋼17-4PH，經(jīng)過(guò)熱處理后，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1 100～1 300 MPa（160～190 ksi）。選用加工完成的YG6硬質(zhì)合金套（外徑Φ23.7 mm、內(nèi)徑Φ17.6 mm、高度19 mm），將硬質(zhì)合金套外徑磨到Φ23.65～23.69 mm，與不同壁厚的17-4PH不銹鋼套熱鑲，鋼套高度15.5 mm，裝配的過(guò)盈量控制在0.04～0.07 mm。

圖1 鑲接式硬質(zhì)合金噴嘴（單位：mm）

圖2 鑲接式提升閥

先將17-4PH鋼套加熱到450 ℃后保溫2 h，再將YG6硬質(zhì)合金套安裝到鋼套內(nèi)部，如圖3所示。等待過(guò)盈裝配試件冷卻到常溫后，測(cè)試試件的壓力峰值，并根據(jù)材料摩擦系數(shù)與接觸面積計(jì)算壓應(yīng)力。在計(jì)算理論壓應(yīng)力時(shí)，采用組合厚壁圓筒過(guò)盈連接計(jì)算公式計(jì)算鑲接試件的壓應(yīng)力，并比較理論壓應(yīng)力和實(shí)測(cè)壓應(yīng)力，分析差異原因。

2 試驗(yàn)方案及壓力測(cè)試

2.1 YG6硬質(zhì)合金套制備及測(cè)量結(jié)果

準(zhǔn)備20件YG6硬質(zhì)合金套，外圓表面粗糙度Ra0.8 μm，尺寸見表1。

圖3 17-4PH鋼套與硬質(zhì)合金過(guò)盈裝配試件

表1 YG6硬質(zhì)合金套尺寸

2.2 17-4PH不銹鋼套制備及測(cè)量結(jié)果

準(zhǔn)備14件17-4PH不銹鋼套，硬度HRC34，內(nèi)孔表面粗糙度Ra1.6 μm，鋼套壁厚分別為3 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm共7個(gè)規(guī)格，每個(gè)規(guī)格各2件，共14件，尺寸見表2。

2.3 過(guò)盈熱鑲

將17-4PH鋼套與YG6硬質(zhì)合金套按照零件編號(hào)，熱鑲組件編號(hào)見表3。

2.4 組合試件熱鑲與測(cè)試

按照表3編號(hào)后，將不銹鋼套在電阻爐中加熱到450 ℃后恒溫2 h，出爐后將硬質(zhì)合金熱鑲?cè)脘撎變?nèi)，按照如圖3所示的方式進(jìn)行過(guò)盈裝配。其中，3號(hào)和10號(hào)組件熱鑲時(shí)，合金套未正常鑲?cè)脘撎變?nèi)，剩下的12個(gè)組件送質(zhì)檢中心在CMT5303電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試峰值壓力。壓力測(cè)試方式按照如圖4所示方式進(jìn)行。在測(cè)試組件安裝上端芯軸、下端墊圈后，將12個(gè)測(cè)試組件依次使用CMT5303電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，使用電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)將硬質(zhì)合金套從17-4PH鋼套中完全壓出，記錄每個(gè)測(cè)試組件的壓力值。測(cè)試組件實(shí)驗(yàn)結(jié)果的峰值壓力如表4所示。

表2 17-4PH不銹鋼套尺寸

表3 熱鑲組件編號(hào)

3 計(jì)算應(yīng)力

對(duì)于進(jìn)行實(shí)測(cè)的12組熱鑲過(guò)盈裝配件，按照每組組合件的材料、尺寸、過(guò)盈量計(jì)算其理論過(guò)盈應(yīng)力，并與實(shí)測(cè)的過(guò)盈應(yīng)力進(jìn)行比較，分析理論應(yīng)力、實(shí)測(cè)應(yīng)力與不銹鋼鋼套厚度的關(guān)系。

圖4 測(cè)試組件實(shí)驗(yàn)方式

表4 組件峰值壓力

3.1 理論壓應(yīng)力

對(duì)每組組合件，按照材料力學(xué)的組合壁圓筒進(jìn)行理論壓應(yīng)力p的計(jì)算：

式中：δ為過(guò)盈量，mm；a為合金套內(nèi)徑，mm；b為合金套外徑、鋼套內(nèi)徑，mm；c為鋼套外徑，m；Ei為合金彈性模量，取值為600 GPa；Ee為17-4PH彈性模量，取值為200 GPa；μi為YG6泊松比，取值為0.22；μe為17-4PH泊松比，取值為0.3。組件的理論壓應(yīng)力，如表5所示。

表5 組件的理論壓應(yīng)力

3.2 實(shí)測(cè)壓應(yīng)力

根據(jù)熱鑲組合件使用CMT5303電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試壓力數(shù)據(jù)，計(jì)算每組熱鑲過(guò)盈裝配件實(shí)測(cè)應(yīng)力，結(jié)果如表6所示。

表6 組件的實(shí)測(cè)壓應(yīng)力

3.3 應(yīng)力比

這里用應(yīng)力比來(lái)估算安全系數(shù)。應(yīng)力比指實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力的比值，如表7所示。

表7 組件的應(yīng)力比

通過(guò)表7可以看出，實(shí)測(cè)應(yīng)力大于理論應(yīng)力。對(duì)于不同壁厚的17-4PH鋼套，應(yīng)力比為2.3～5.5，平均應(yīng)力比為3.8。

3.4 單位過(guò)盈應(yīng)力

分析單位過(guò)盈應(yīng)力時(shí)，先將應(yīng)力除過(guò)盈量，再計(jì)算同壁厚的2個(gè)組件單位過(guò)盈應(yīng)力的均值，結(jié)果如圖5和圖6所示。

4 分析與結(jié)論

當(dāng)17-4PH鋼套壁厚從3 mm開始增加時(shí)，從圖5和圖6可看出，單位過(guò)盈應(yīng)力隨鋼套壁厚的增加而增大，在鋼套壁厚15 mm時(shí)達(dá)到峰值，繼續(xù)增加鋼套壁厚，單位過(guò)盈應(yīng)力有所下降。此外，單位過(guò)盈理論應(yīng)力隨鋼套壁厚增加的斜率明顯低于單位過(guò)盈實(shí)際應(yīng)力增加的斜率。

圖6 應(yīng)力比與鋼套壁厚的關(guān)系

單位過(guò)盈應(yīng)力隨鋼套壁厚的增加而增大，這與材料力學(xué)上組合厚壁圓筒理論相符。實(shí)測(cè)應(yīng)力比理論應(yīng)力大3倍左右，材料力學(xué)上的組合厚壁圓筒理論出現(xiàn)較大偏差，實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力存在較大差異。通過(guò)分析原因，可以歸結(jié)如下。

（1）一般文獻(xiàn)上舉例多為彈性模量200 GPa左右的金屬材料，進(jìn)行這種過(guò)盈鑲套配合方式的多為金屬材料之間，兩個(gè)鑲套零件的彈性模量差值較小，但是對(duì)于當(dāng)彈性模量600 GPa的硬質(zhì)合金與彈性模量200 GPa的不銹鋼的過(guò)盈鑲接時(shí)，彈性模量差值達(dá)到400 GPa，即硬質(zhì)合金的彈性模量是不銹鋼彈性模量的3倍。

（2）本次測(cè)試的兩種材料的表面硬度差異過(guò)大，YG6的硬度為91 HRA，相當(dāng)于78 HRC，而17-4PH的硬度為34 HRC，在不銹鋼與硬質(zhì)合金過(guò)盈鑲接中按照一般公式計(jì)算，導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際差異過(guò)大。

對(duì)于在生產(chǎn)過(guò)程中不銹鋼與硬質(zhì)合金過(guò)盈鑲接的要求與經(jīng)驗(yàn)，需要提高鑲接前不銹鋼的硬度（通?！?0 HRC），嚴(yán)格控制熱鑲溫度，避免熱鑲溫度過(guò)高導(dǎo)致鋼套硬度下降而使鋼套的強(qiáng)度下降。此外，在設(shè)計(jì)過(guò)盈量時(shí)，對(duì)鋼套的屈服強(qiáng)度應(yīng)降低到70%左右，鋼套壁厚應(yīng)盡量接近15 mm，保證不銹鋼與硬質(zhì)合金鑲接過(guò)盈配合的強(qiáng)度。

5 結(jié)論

17-4PH不銹鋼與硬質(zhì)合金的工藝實(shí)驗(yàn)及分析，對(duì)比理論應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力的差值，對(duì)壁厚3 mm的YG6硬質(zhì)合金套與不銹鋼過(guò)盈鑲接，可以得到以下結(jié)論：

（1）單位過(guò)盈應(yīng)力隨鋼套壁厚的增加而增大，在鋼套壁厚15 mm時(shí)達(dá)到峰值；

（2）單位過(guò)盈理論應(yīng)力隨鋼套壁厚增加的斜率明顯小于單位過(guò)盈實(shí)際應(yīng)力增加的斜率；

（3）實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)大于理論應(yīng)力，平均應(yīng)力比約為4，且應(yīng)力比隨鋼套壁厚的增加而增大，在壁厚15 mm時(shí)達(dá)到峰值。