1 序言

　　顶驱旋塞阀用于顶驱钻井装置，可分为顶驱 上旋塞阀和顶驱下旋塞阀两种，它们是与顶驱系统 配套使用的一种控制阀。通常情况下两个阀串接于 顶部驱动钻井装置上，该阀可承受来自上下两方向 的高压，其工作压力可达10000～15000psi(1psi= 0.006895MPa)。

　　阀体材质采用A I S I 4330V(以下简称4330V 钢)，它是一种美国标准低合金高强度结构钢，相 当于国内牌号30CrNi2Mo VA，化学成分见表1。与其他钢种相比，4330V钢经过热处理后可获得更高 的屈服强度和冲击性能，且具有淬透性好、淬火变 形小、机械加工性能好等优点。因此，近些年在大 规格、复杂地质条件的钻井中，越来越多地选用这 种低合金高强度结构钢制作顶驱接头。

　　表1 4330V钢化学成分(质量分数) (%)

　　2 原热处理工艺

　　阀体需适应低温工作环境，主要承受大扭矩冲 击载荷。API spec7规范要求顶驱旋塞阀阀体-20℃ 低温冲击吸收能量平均值KV≥42J，单个KV≥32J

　　(试件取自阀体最后截面1/2壁厚处)[1]。普通调质 钢采用油淬调质工艺，很难满足API spec7规范对顶驱旋塞阀阀体-20℃低温冲击吸收能量的要求，而

　　AISI 4330V钢(国内对应牌号30CrNi2MoVA)能够满足。

　　某油田对顶驱旋塞提出的力学性能要求见表

　　2，其结构如图1所示。

　　表2 顶驱旋塞的力学性能要求

　　图1 顶驱旋塞结构

　　顶驱旋塞通常热处理工艺如下。

　　(1) 正火 920℃保温220min，空冷。目的是为了细化晶粒，消除带状组织，调整硬度，便于后 续机械加工。

　　(2) 调质 调质工艺在可控气氛箱式多用炉内完成。此材质淬透性较好，除大壁厚工件外常用调 质工艺为油淬+回火空冷，淬火冷却介质为快速光 亮淬火油，淬火后及时回火。淬火工艺：860℃保温180min，油冷25min;回火工艺：(630±20)℃保 温210min，空冷。

　　调质后，-20℃冲击吸收能量略低，不符合要 求，其他主要力学性能合格。

　　热处理工艺如图2所示。

a) 正火工艺

　　图2 4330V钢顶驱旋塞原热处理工艺

　　3 热处理工艺改进

　　由于4330V钢属于刚被广泛应用的新型材料， 故关于其热处理工艺的介绍很少。为此，结合相关 资料和生产条件，我们对其正火和调质淬火工艺进 行了试验。

　　试验用原材料为东北特钢生产的4330V圆钢， 规格φ 210mm，其化学成分见表3。

　　表3 试验用4330V钢化学成分(质量分数) (%)

　　经多次试验，工艺改进如下。

　　(1) 正火 采用870～890℃加热，出炉后强制风冷。其目的是均匀组织，细化奥氏体晶粒。

　　(2) 调质 4330V钢的淬火温度范围较大，有关资料表明，在830～900℃淬火均可。根据工件有 效厚度，通过几次对比试验，最后确定温度为870～ 890℃，保温4～5h。

　　因4330V钢的w C仅为0.31%，所以冷却时需要快速冷却，但用水冷却易产生淬火裂纹，用油冷却 无法获得理想的心部硬度。因此，调整sencro-P75 水溶性淬火液的浓度至6%，并对淬火槽的搅拌设备 进行改造，配置了一组电动机功率为5.5k W、搅拌器转速为720r/min的淬火搅拌设备，进行循环、搅 拌，快速将工件冷却到40℃以下，最终保证淬火工 件表面硬度与心部硬度相差不大，即两处组织基本

　　相同，从而使工件的各项力学性能达到技术要求。 其中浓度6%的sencro-P75水溶性淬火液检测数据及 冷却性能曲线如图3所示[2]。

　　水溶性淬火液检测参数：介质温度30℃，环境 温度32℃，V max=194℃/s，V300=67℃/s，T Vmax= 698℃，t200=6.8s。

　　(3) 回火 淬火后及时回火。据相关资料介绍，4330V钢淬火后560℃回火强度最高，冲击吸收 能量最低;而在600～620℃回火时，能获得最佳的 强度、韧性匹配。经过多次试验，最终确定回火温 度为595℃、回火时间6～8h、出炉后水冷的热处理 工艺，以得到均匀细小的回火索氏体+铁素体+碳化 物的金相组织，使产品具有高强度和良好的韧性， 满足产品在恶劣地质条件下工作的严苛要求。

改进后热处理工艺如图4所示。

　　a) 正火工艺

　　b) 调质工艺

　　图4 4330V钢顶驱旋塞改进热处理工艺

　4 工艺改进后效果

　　顶驱旋塞力学性能检测结果见表4。

　　表4 顶驱旋塞力学性能检测结果

　　由表4可知，三组检测的各项力学性能指标均符 合要求。

　　5 结束语

　　1)通过4330V钢顶驱旋塞热处理工艺改进，采 用870～890℃正火+870～890℃淬火(保温4～5h)

　　+595℃回火(6～8h)，可使工件满足API spec7规

　　范对顶驱旋塞阀阀体的力学性能要求。

　　2)据相关资料介绍，工件通过锻造比>4:1的 锻打，可打碎粗大的奥氏体晶粒，从而确保结构紧 密，夹杂物弥散分布，消除带状组织，减轻各向异 性。通过650℃回火+正火可以均匀组织，细化奥氏 体晶粒。此次试验材料为锻材，今后我们会进一步 试验，以探索更好的4330V钢热处理工艺，从而提 高产品性能与质量。

参考文献：

　　[1] 李如学，王瑞霄，聂海滨，等.改进调质工艺提高顶 驱旋塞阀阀体低温冲击性能[J].金属热处理，2013

　　(5)：112-112.

　　[2] 赵丽，孟祥冰，刘道喜.水基淬火液冷却性能及其在 控时淬火技术上的应用[J].金属加工(热加工)， 2021(2)：82-83.

本论文发表于《金属加工-热加工》2021.12期