一种长寿命高压泵头体的制作方法技术

一种长寿命高压泵头体的制作方法，利用低碳马氏体不锈钢作为泵体材料，通过成分设计、三向等量变形锻造和正火‑淬火‑两次回火热处理制备得到长寿命高压泵头体，利用低碳马氏体不锈钢作为新型泵头体用材料以替代传统的中碳合金钢材料，通过对新型泵头体材料成分进行设计与优化，在合理的冶炼、锻造、粗加工及打孔工序后进行性能热处理，旨在大幅提升该关键部件的综合性能和服役寿命，适用于常用的高压单缸和多缸压裂泵泵头体。

Manufacturing method of a long life high pressure pump head

A manufacturing method of long-life high-pressure pump head is described. The low-carbon martensitic stainless steel is used as the pump body material, and the long-life high-pressure pump head body is prepared by composition design, three-way equal deformation forging and normalizing \u2011 quenching \u2011 two times heat treatment. The low-carbon martensitic stainless steel is used as the new pump head body material to replace the traditional medium carbon alloy steel material. The new pump head is made of low-carbon martensitic stainless steel Design and optimize the material composition of the body, and conduct performance heat treatment after reasonable smelting, forging, rough processing and drilling procedures, aiming to greatly improve the comprehensive performance and service life of the key components, which is applicable to the commonly used high-pressure single cylinder and multi cylinder fracturing pump head.

【技术实现步骤摘要】
一种长寿命高压泵头体的制作方法
本专利技术涉及压裂装备材料领域，具体说的是一种长寿命高压泵头体的制作方法。
技术介绍
随着能源开发领域向开采难度更大的超低渗透油田、煤气层、页岩气、深井和深海油气资源进军，压裂作业是油气田增产的核心技术。由于工况条件恶劣，固井压裂设备中的核心部件高压泵头体短期失效问题日益凸显，成为制约压裂装备技术发展的瓶颈问题。目前，国内外对高压泵头体的设计生产主要采用高强度中碳合金钢材料，例如35CrMo、42CrMo、25Cr2Ni4MoV、30CrNi3MoV、38CrNi2MoVA、40CrNiMoA、43CrNi2MoVA等。在冶炼、锻造成型和性能热处理后，可通过表面处理、自增强技术处理等方法在一定程度上提高其承载能力。高压泵头体的材料成本和制造成本较高，由于工作环境恶劣，工作介质为水泥、沙子和酸化介质（一般为高浓度盐酸），在循环疲劳载荷和腐蚀介质的双重作用下，其使用寿命普遍较短。依靠目前广泛采用的合金钢本体性能优化提升以及后续改性优化处理这些方法很难实现泵头体综合性能的大幅提升，不能从根本上满足现代高功率压裂泵的发展。因此，大幅提升高压泵头体材料的综合性能和延长其使用寿命成为一个十分急迫的问题。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术采用一种低碳马氏体不锈钢作为新型泵头体用材料以替代传统的中碳合金钢材料，通过对新型泵头体材料成分进行设计与优化，在合理的冶炼、锻造、粗加工及打孔工序后进行性能热处理，旨在大幅提升该关键部件的综合性能和服役寿命，适用于常用的高压单缸和多缸压裂泵泵头体。为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种长寿命高压泵头体的制作方法，利用低碳马氏体不锈钢作为泵体材料，通过成分设计、三向等量变形锻造和正火-淬火-两次回火热处理制备得到长寿命高压泵头体，具体包括以下步骤：步骤一、设计目标值并制作钢锭（一）制定低碳不锈钢配方目标值，按质量百分比为C：0.01%-0.04%，Si：0.15%-1.0%，Mn：0.025%-1.80%，S：≤0.007%，P：≤0.016%，Cr：14.0%-17.5%，Ni：3.5%-7.5%，Mo：0.5%-1.5%，N:0.010%-0.080%，Nb：0.03%-0.15%，V：0.04%-0.20%，其余为铁以及不可去除杂质；（二）利用不锈钢原料采用中频感应电炉以低碳不锈钢配方目标值，制备低碳马氏体不锈钢圆柱体钢锭；步骤二、三向等量变形锻造去除步骤一得到的圆柱体钢锭的头部与底部，保留精料，装入加热炉加热至1150—1250℃后保温，取出后先沿z向墩粗，沿y向拔长；再沿y向墩粗，沿x向拔长；最后沿x向墩粗，沿z向拔长出毛坯；步骤三、性能热处理（1）首先，将锻造完成的泵头体毛坯空冷至低于180℃，装入热处理炉内，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温2-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至600-680℃，保温3-6h，再以60-80℃/h的升温速率加热至850-900℃，接着以5-30℃/h的升温速率缓慢升温至900-1080℃，保温6-16h，之后进行出炉空冷正火处理；（2）将经过正火处理的泵头体粗加工并加工出贯通孔后装入热处理炉内，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温1-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至600-680℃，保温2-6h，再以60-80℃/h的升温速率加热至850-900℃，接着以5-30℃/h的升温速率缓慢升温至900-1080℃，保温6-16h，之后进行油冷淬火；（3）将起始温度低于180℃的油冷淬火后锻件装入热处理炉，以20-40℃/h的升温速率加热至330-360℃，保温2-6h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至450-550℃，保温8-18h，然后出炉空冷；（4）将起始温度低于180℃的空冷后锻件装入热处理炉，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温1-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至450-550℃，保温7-16h，然后出炉整体浸入油池冷却40-120min，精加工后得到高压泵头体成品。油冷淬火的方法为将锻件吊出热处理炉整体浸入油池，在油池内上下窜动10-20min，之后再静止冷却40-90min，然后吊出油池。本专利技术有益效果是：采用本专利技术《一种长寿命高压泵头体》，可以取得如下效果：（1）同等工作条件下服役寿命相比传统的30CrNi3MoV等合金钢泵头体提高2—6倍。（2）三个方向的晶粒度达到5级以上。（3）三个方向屈服强度可达950MPa以上，抗拉强度1000MPa以上。（4）-30℃条件下三个方向V型缺口标准试样冲击功达到100J以上。（5）三个方向强度指标相差3%以内，冲击指标相差15%以内。（6）对压裂液的耐腐蚀性比传统的30CrNi3MoV等合金钢提高3倍。附图说明图1为圆柱体钢锭变形方向示意图；图2为泵头体成品示意图；图3实施例1产品晶粒度照片；图4实施例2产品晶粒度照片；图5实施例3产品晶粒度照片。具体实施方式一种长寿命高压泵头体，针对岩气开采用高功率压裂泵泵头体工作时高压、疲劳、腐蚀、冲蚀、磨损的恶劣条件，采用一种低碳马氏体不锈钢作为泵头体本体材料，通过合理的成分设计、三向等量变形锻造和正火-淬火-两次回火热处理制备出具有良好的强度和塑韧性的新型低碳板条状马氏体结构高压泵头体材料。其具有高强度、高塑韧性和良好的耐磨耐蚀性能。采用该不锈钢材料生产的泵头体服役寿命相比传统的中碳合金钢泵头体大幅提高。一种长寿命高压泵头体的制作方法为：步骤一、设计目标值并制作钢锭制定低碳不锈钢配方目标值，该低碳不锈钢材料化学成分组成以质量百分数计为C：0.01%-0.04%，Si：0.15%-1.00%，Mn：0.25%-1.80%，S：≤0.007%，P：≤0.016%，Cr：14.0%-17.5，Ni：3.5%-7.5%，Mo：0.5%-1.5%，N:0.010%-0.080%，Nb：0.03%-0.15%，V：0.04%-0.20%，其余为铁以及不可去除杂质。利用不锈钢原料采用中频感应电炉以低碳不锈钢配方目标值，制备低碳马氏体不锈钢圆柱体钢锭。Cr是强烈形成和稳定铁素体、缩小奥氏体区的元素，能显著提高材料的电极电位,材料中加入的Cr对材料的耐蚀性起着决定作用，同时可有效提高合金的淬透性；C是奥氏体形成元素，在给定Cr含量情况下，不锈钢淬火后的强度和硬度随着C含量的增加而提高，但耐蚀性和韧性降低，焊接难度增大，为获得低碳马氏体不锈钢的综合性能，通常控制在较低含量；N是奥氏体形成元素，同时可以提高材料的强度和硬度，在钢中的作用与C元素类似，该不锈钢为获得更好的耐蚀性而降低C含量，同时加入一定量N元素以弥补碳的作用。Ni是强烈形成并稳定奥氏体的元素，可扩大奥氏体相区，降低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种长寿命高压泵头体的制作方法，其特征在于：利用低碳马氏体不锈钢作为泵体材料，通过成分设计、三向等量变形锻造和正火-淬火-两次回火热处理制备得到长寿命高压泵头体，具体包括以下步骤：/n步骤一、设计目标值并制作钢锭/n（一）制定低碳不锈钢配方目标值，按质量百分比为C：0.01%-0.04%，Si：0.15%-1.0%，Mn：0.25%-1.80%，S：≤0.007%，P：≤0.016%，Cr：14.0%-17.5%，Ni：3.5%-7.5%，Mo：0.5%-1.5%，N:0.010%-0.080%，Nb：0.03%-0.15%，V：0.04%-0.20%，其余为铁以及不可去除杂质；/n（二）利用不锈钢原料采用中频感应电炉以低碳不锈钢配方目标值，制备低碳马氏体不锈钢圆柱体钢锭；/n步骤二、三向等量变形锻造/n去除步骤一得到的圆柱体钢锭的头部与底部，保留精料，装入加热炉加热至1150—1250℃后保温，取出后先沿z向墩粗，沿y向拔长；再沿y向墩粗，沿x向拔长； 最后沿x向墩粗，沿z向拔长出毛坯；/n步骤三、性能热处理/n（1）首先，将锻造完成的泵头体毛坯空冷至低于180℃，装入热处理炉内，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温2-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至600-680℃，保温3-6h，再以60-80℃/h的升温速率加热至850-900℃，接着以5-30℃/h的升温速率缓慢升温至900-1080℃，保温6-16h，之后进行出炉空冷正火处理；/n（2）将经过正火处理的泵头体粗加工并加工出贯通孔后装入热处理炉内，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温1-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至600-680℃，保温2-6h，再以60-80℃/h的升温速率加热至850-900℃，接着以5-30℃/h的升温速率缓慢升温至900-1080℃，保温6-16h，之后进行油冷淬火；/n（3）将起始温度低于180℃的油冷淬火后锻件装入热处理炉，以20-40℃/h的升温速率加热至330-360℃，保温2-6h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至450-550℃，保温8-18h，然后出炉空冷；/n（4）将起始温度低于180℃的空冷后锻件装入热处理炉，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温1-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至450-550℃，保温7-16h，然后出炉整体浸入油池冷却40-120min，精加工后得到高压泵头体成品。/n...

【技术特征摘要】
1.一种长寿命高压泵头体的制作方法，其特征在于：利用低碳马氏体不锈钢作为泵体材料，通过成分设计、三向等量变形锻造和正火-淬火-两次回火热处理制备得到长寿命高压泵头体，具体包括以下步骤：
步骤一、设计目标值并制作钢锭
（一）制定低碳不锈钢配方目标值，按质量百分比为C：0.01%-0.04%，Si：0.15%-1.0%，Mn：0.25%-1.80%，S：≤0.007%，P：≤0.016%，Cr：14.0%-17.5%，Ni：3.5%-7.5%，Mo：0.5%-1.5%，N:0.010%-0.080%，Nb：0.03%-0.15%，V：0.04%-0.20%，其余为铁以及不可去除杂质；
（二）利用不锈钢原料采用中频感应电炉以低碳不锈钢配方目标值，制备低碳马氏体不锈钢圆柱体钢锭；
步骤二、三向等量变形锻造
去除步骤一得到的圆柱体钢锭的头部与底部，保留精料，装入加热炉加热至1150—1250℃后保温，取出后先沿z向墩粗，沿y向拔长；再沿y向墩粗，沿x向拔长；最后沿x向墩粗，沿z向拔长出毛坯；
步骤三、性能热处理
（1）首先，将锻造完成的泵头体毛坯空冷至低于180℃，装入热处理炉内，以20-40℃/h的升温速率加热至300-380℃，保温2-4h，然后以40-60℃/h的升温速率加热至600-680℃，保温3-6h，再以60-80℃/h的升温速...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵阳磊，王灵水，陶凯，汪承财，范芳雄，陈亚涛，孙永伟，曹翁凯，
申请(专利权)人：洛阳双瑞特种装备有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41