王　明，劉付杰，皇甫列鋒，隋　珅（72478部隊(duì)，濟(jì)南250000）

退役火炮身管應(yīng)用于接箍的再制造方法研究

王明，劉付杰，皇甫列鋒，隋珅
（72478部隊(duì)，濟(jì)南250000）

軍用鋼材性能優(yōu)良，若退役軍用鋼材直接報(bào)廢將造成優(yōu)質(zhì)資源的浪費(fèi)。油管接箍等石油裝備服役工況惡劣，容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效。參考石油裝備有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)退役火炮身管材料的結(jié)構(gòu)尺寸、化學(xué)成分、拉伸性能、抗沖擊性能、硬度等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，證明退役火炮身管能夠較好地滿足石油裝備材料的使用性能要求，可作為生產(chǎn)接箍的高性能原材料。采用火炮身管制造油管接箍，既可以充分利用資源，又可以降低接箍成本，增加油田經(jīng)濟(jì)效益。

軍用鋼材；火炮身管；再制造；接箍

與普通鋼材相比，軍用鋼材具有優(yōu)良的使用性能。軍用火炮身管服役于高溫差、燃?xì)鉀_刷和爆炸沖擊等極端復(fù)雜的環(huán)境，既具有良好的強(qiáng)度和韌性，又具有較高的耐蝕、耐磨等表面使用性能。退役軍用鋼材若直接報(bào)廢，高質(zhì)量鋼材無(wú)法得到有效利用，對(duì)資源與環(huán)境造成較大壓力。石油石化領(lǐng)域裝備種類繁多，在井下及海水中長(zhǎng)期受到磨損及腐蝕破壞，導(dǎo)致裝備及部件極易發(fā)生破壞失效。油管接箍在油田服役過(guò)程中，在濕硫化氫環(huán)境下容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕［1］，腐蝕破壞失效時(shí)有發(fā)生，例如某油田接箍材質(zhì)為N80鋼級(jí)，從下井使用直至接箍發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效服役時(shí)間只有3個(gè)月左右［2］。油管接箍開裂會(huì)導(dǎo)致管柱落井，造成停產(chǎn)甚至井筒堵塞，某西部油井就因?yàn)橛凸芙庸块_裂導(dǎo)致油管落井［3］。軍用鋼材以其良好的強(qiáng)度與表面性能可以滿足油管接箍在惡劣工況下工作要求?；鹋谏砉苄螤钜?guī)則，利于加工和再制造，退役火炮身管再制造為接箍，既充分挖掘材料潛力，又可以提高油田經(jīng)濟(jì)效益。

本文對(duì)身管及接箍進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸分析，按照API SPEC 5CT《套管和油管規(guī)范》［4］中對(duì)接箍材料性能要求試驗(yàn)測(cè)試火炮身管材料性能，對(duì)比分析退役火炮身管能否滿足接箍對(duì)材料性能的要求，驗(yàn)證身管制造為接箍的可行性。

圖1　火炮身管

圖2a為油管接箍，由于油管接箍外形也是圓筒狀，可以用比其直徑大、壁厚更厚的身管，通過(guò)去除材料的方式加工出來(lái)。圖2b為API SPEC 5CT中對(duì)接箍的尺寸要求，其中NL為接箍長(zhǎng)度，W為接箍外徑，D為與接箍螺旋副配合的圓螺紋套管的外徑。

1　身管與接箍結(jié)構(gòu)分析

圖1a和圖1b為退役身管實(shí)物圖，圖1c為1973年式100mm滑膛炮身尺寸圖，從圖中可以看出，身管總長(zhǎng)度為5460mm，最大直徑為280mm，身管形狀規(guī)則，呈多節(jié)的圓筒狀，并且每節(jié)壁厚均勻，改造加工比較方便。

圖2　油管接箍

表1為API SPEC 5CT中對(duì)圓螺紋套管接箍尺寸的要求，列出了不同代號(hào)的短圓螺紋套管接箍和長(zhǎng)圓螺紋套管接箍尺寸，包括圓螺紋套管外徑D，接箍外徑W和最小接箍長(zhǎng)度NL。

表1　API圓螺紋套管接箍尺寸

由圖1c長(zhǎng)度方向尺寸標(biāo)注可知，身管可以分為6節(jié)，除端部長(zhǎng)60mm部分由于長(zhǎng)度太短不能加工成接箍，其余5節(jié)均可以加工。在可以加工的5節(jié)中，身管最小內(nèi)徑為100mm，最大外徑為252mm，壁厚不小于20mm，而表1中所列外徑小于252mm的接箍，其壁厚均小于20mm，通過(guò)計(jì)算，表1中從代號(hào)為4到代號(hào)為8的7個(gè)代號(hào)的接箍均可以由身管通過(guò)去材料方式加工出來(lái)，僅圖1c中炮身前端尺寸為3500mm部分身管就可以加工接近20個(gè)代號(hào)為4的接箍。

因此，從尺寸方面分析，身管滿足制作接箍尺寸的要求，并且易于加工。

2　退役身管材料的性能測(cè)試

根據(jù)API SPEC 5CT中對(duì)接箍材料性能的要求，對(duì)退役身管材料的化學(xué)成分、拉伸性能、抗沖擊性能、硬度等材料性能參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

2.1材料性能測(cè)試方案

由上節(jié)對(duì)身管尺寸分析可知，身管除端部部分，其余5節(jié)均可以加工為接箍，因此，每項(xiàng)試驗(yàn)均從可以加工為接箍的5節(jié)中各截取一個(gè)試樣，把截取的5個(gè)試樣分成5組進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)每項(xiàng)試驗(yàn)的測(cè)試內(nèi)容和試驗(yàn)原理，參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，制定材料性能測(cè)試方案。

1）拉伸性能測(cè)試。從每節(jié)身管壁中間位置截取如圖3所示圓棒形試樣［5］，其中直徑d為12.7mm，長(zhǎng)度G為50.8mm，過(guò)渡圓弧R為9.5mm。將試樣在拉力試驗(yàn)機(jī)裝夾好后，進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，試樣屈服后降低拉伸速率，記錄屈服載荷和最大載荷以及測(cè)量試樣拉斷后的斷后標(biāo)距，計(jì)算每組材料的抗拉強(qiáng)度Rm、拉伸屈服強(qiáng)度Rel和斷后伸長(zhǎng)率A，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果，將各組數(shù)值的最小值和最大值記錄在檢測(cè)報(bào)告中。

圖3　拉伸試樣

2）硬度測(cè)試。從每節(jié)身管的兩端各截取一個(gè)厚度為10mm的硬度試驗(yàn)環(huán)，硬度試驗(yàn)在試驗(yàn)環(huán)遠(yuǎn)離棒料端部方向的那個(gè)表面測(cè)試。硬度試驗(yàn)環(huán)及測(cè)試位置如圖4所示，其中，1為中徑位置壓痕，2為外徑位置壓痕，3為內(nèi)徑位置壓痕，外徑或內(nèi)徑壓痕位置應(yīng)取在距相應(yīng)表面2.54mm至3.81mm之間的位置，如圖4中的a所示。以錐角為120°的金剛石圓錐壓入被測(cè)件表面［6］，硬度值取所測(cè)位置3個(gè)壓痕硬度的平均值，如圖4中的b所示。統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果，整理各組數(shù)值，把最小值和最大值記錄在檢測(cè)報(bào)告中。

圖4　硬度試驗(yàn)測(cè)試位置

3）夏比缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試。從每節(jié)身管壁中截取橫縱2個(gè)試樣［7］，如圖5所示，1為縱向試樣，2為橫向試樣。試樣橫截面為10mm×10mm，長(zhǎng)度為55mm，V型缺口夾角為45°，深度為2mm。如圖6所示，將試樣緊貼支座放置，并使試樣缺口的背面朝向擺錘刀刃，用對(duì)中夾鉗調(diào)節(jié)試樣缺口對(duì)稱面，使其與兩支座對(duì)稱面重合，釋放擺錘打斷試樣，記錄沖擊吸收功。將各組試樣結(jié)果取平均值并圓整為整數(shù)記錄在檢測(cè)報(bào)告中。

4）化學(xué)成分測(cè)定。首先，采用高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法測(cè)量身管中碳、硫成分含量，從每節(jié)身管中制取0.5 g標(biāo)準(zhǔn)樣品，分為5組。取錫粒和鎢粒作為助燃劑，先將0.3 g錫粒放于坩堝內(nèi)，再將0.5 g身管標(biāo)準(zhǔn)樣品置于坩堝中，再加入1.5 g鎢粒，在HF-2000型高頻感應(yīng)燃燒紅外碳硫分析儀中進(jìn)行測(cè)試［8-9］。統(tǒng)計(jì)5組測(cè)試結(jié)果，將碳硫元素的測(cè)試結(jié)果平均值計(jì)入檢測(cè)報(bào)告。

圖5　沖擊試驗(yàn)試樣取向

圖6　沖擊試驗(yàn)機(jī)支座位置示意

然后，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法，測(cè)定試樣中錳、鉬、鉻、鎳、磷元素的含量。從每節(jié)身管中制取0.5 g標(biāo)準(zhǔn)樣品，分為5組。將試樣用10 m L鹽酸和硝酸的混合酸溶解，將溶液引入電感藕合等離子體發(fā)射光譜儀，測(cè)定各元素分析線的發(fā)射光強(qiáng)度，計(jì)算各元素的發(fā)射光強(qiáng)度比［10-11］。統(tǒng)計(jì)5組測(cè)試結(jié)果，將各元素的測(cè)試結(jié)果的平均值計(jì)入檢測(cè)報(bào)告。

2.2材料性能測(cè)試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測(cè)試方案進(jìn)行試驗(yàn)，嚴(yán)格按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試材料的相關(guān)性能，試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告如表2所示。

表2　身管材料檢測(cè)報(bào)告

將各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果與API SPEC 5CT中對(duì)材料的各項(xiàng)要求進(jìn)行對(duì)比分析。

1）檢測(cè)報(bào)告中化學(xué)成分與API SPEC 5CT中規(guī)定鋼級(jí)和類型的要求對(duì)比分析，標(biāo)準(zhǔn)中Ni含量不大于0.99%，P含量不大于0.03%，而檢測(cè)結(jié)果Ni含量3.5%，P含量0.08%。除Ni和P兩種成分偏高，其余成分接近C90和C95鋼級(jí)成分含量。Ni元素對(duì)鋼性能的提高具有重要作用，可以提高鋼對(duì)疲勞的抗力和減小鋼對(duì)缺口的敏感性。隨Ni元素含量的增加，鋼的表面銹層更薄并且更加致密，提高了鋼的耐蝕能力［12-13］。增加鎳含量，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加，鋼的低溫韌性增加［14］。鋼中的P元素可以提高鋼抗腐蝕能力，并且鋼的P含量在0.08%～0.15%時(shí)，耐蝕性能最高［15-16］。更高含量的Ni和P使身管材料的強(qiáng)度和韌性更高，耐蝕能力更強(qiáng)，用此材料生產(chǎn)接箍可以一定程度上減少接箍服役過(guò)程中腐蝕破壞失效的風(fēng)險(xiǎn)。

2）身管試樣拉伸屈服強(qiáng)度在942～975 MPa，而API SPEC 5CT中規(guī)定C95鋼的拉伸屈服強(qiáng)度在655～758 MPa，Q125級(jí)鋼拉伸屈服強(qiáng)度在862 ～1 034 MPa，對(duì)比分析可知，身管屈服強(qiáng)度大于C95鋼，接近Q125級(jí)鋼。油管接箍常用鋼級(jí)為J55、K55、N80、L80和P110，表3為油管接箍常用鋼級(jí)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。由表3可以看出身管的屈服強(qiáng)度大于表中常用鋼級(jí)的屈服強(qiáng)度。因此，從材料的屈服強(qiáng)度性能看，身管可以較好的滿足接箍的性能要求。

身管試樣的最小抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果為1 039 MPa，抗拉強(qiáng)度值大于表3中所列常用接箍的抗拉強(qiáng)度，因此，從材料的抗拉性能看，身管可以較好滿足接箍材料要求，而標(biāo)準(zhǔn)中Q125鋼級(jí)抗拉強(qiáng)度為931 MPa，身管材料的抗拉強(qiáng)度高于Q125鋼級(jí)。

表3　接箍常用鋼級(jí)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

身管試樣斷后伸長(zhǎng)率為12%～15.5%，與API SPEC5CT中Q125級(jí)鋼在規(guī)定抗拉強(qiáng)度為931 MPa條件下的最小伸長(zhǎng)率相近。

3）檢測(cè)結(jié)果的硬度值為35.8～36.0 HRC，硬度值均大于API SPEC 5CT中有硬度參考值的最后一種材料T95級(jí)鋼，身管材料硬度高，如果用此材料改造成油管接箍，可以減小油管上扣過(guò)程中，由于大鉗夾持力過(guò)大，在接箍外表面產(chǎn)生的深牙痕，進(jìn)而可以減小微裂紋產(chǎn)生及應(yīng)力集中破壞可能性。

4）檢測(cè)結(jié)果中缺口沖擊功值縱向?yàn)?0 J，橫向?yàn)?2 J，根據(jù)API SPEC 5CT中接箍橫向夏比吸收能要求可知，Q125級(jí)鋼在最大臨界厚度為24.16mm時(shí)，其缺口沖擊試驗(yàn)的最小橫向吸收能為42 J，接近檢測(cè)材料的檢測(cè)結(jié)果；Q125級(jí)鋼在最大臨界厚度為14.94mm時(shí)，其缺口沖擊試驗(yàn)的最小縱向吸收能為62 J，接近檢測(cè)材料的檢測(cè)結(jié)果。

綜上可知，身管材料性能可以較好滿足API SPEC 5CT中對(duì)接箍的要求，其性能優(yōu)于C95級(jí)鋼，略低于Q125級(jí)鋼，從材料性能看，退役火炮身管仍為高性能材料。

3　結(jié)論

由火炮身管和接箍的結(jié)構(gòu)尺寸分析以及身管性能測(cè)試結(jié)果得出，身管的結(jié)構(gòu)尺寸以及材料使用性能可以較好的滿足API SPEC 5CT對(duì)接箍材料的要求。因此，退役火炮身管可以作為接箍的優(yōu)質(zhì)原料，將退役火炮身管加工成接箍，可以降低接箍材料成本，減少失效破壞風(fēng)險(xiǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

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Study on the Method of Remanufacture of Retired Gun Barrel for Coupling

WANG Ming，LIU Fujie，H UANGFU Liefeng，SUI Shen
（72478 Troops，Jinan 250000，China）

Military steel have good property.The direct discard of the retired military steel will cause the waste of superior resources.However the conditions where coupling and other oil equip-ment serves are so poor that they are prone to the failure of stress corrosion.In this paper，accord-ing to the relevant standard of petroleum equipment，structure size，chemical composition，tensile properties，impacting resistance，hardness and other parameters are compared and analyzed by ex-periment.The research results show that the performance of the barrel material is good enough to meet the requirement of the petroleum equipment and retired barrel can be used as the high per-formance raw materials to manufacturer coupling.The reproduction of the retired barrel can not only make full use of the resources，but also reduce the cost，which will increase the economic profit finally in oil field.

military steel；gun barrel；remanufacture；couplin g

TE931.1

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.015

1001-3482（2015）12-0058-05

2015-08-15

王明（1982-），男，山東萊陽(yáng)人，從事報(bào)廢裝備金屬利用技術(shù)研究，Email：xhs72478＠163.com。