[发明专利]一种长寿命高压泵头体的制作方法

说明书

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明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；