一種深海采油裝備用鋼及其鍛件的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種深海采油裝備用鋼及其鍛件的制造方法，屬于金屬鍛造與熱處理 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國海洋具有豐富的油氣資源，已探明儲(chǔ)量達(dá)幾百多億噸，其中絕大多數(shù)位于深 海區(qū)域。但由于水下油氣田開采的核心裝備(水下采油樹）的制造技術(shù)只有美國掌握，我國 被迫長期依賴美國進(jìn)口，不僅費(fèi)用高昂，還給我國的能源安全、海洋安全甚至海防安全帶來 潛在威脅。
[0003] 水下采油設(shè)備是山一系列具有耐原油（氣）高溫、高壓、高腐蝕的生產(chǎn)和控制通道 構(gòu)筑的，即由設(shè)備本體、油管掛、液控閘閥閥體、雙孔連接器、管道連接器及生產(chǎn)跨接管道等 主要關(guān)鍵部件組成的。針對海底的低溫環(huán)境、生產(chǎn)介質(zhì)的溫度落差、外部環(huán)境載荷及內(nèi)部高 壓的承載工況，水下采油關(guān)鍵部件材料除要求具有高強(qiáng)度外，還要求具有良好的晶粒組織、 低溫韌性及抗熱疲勞性能，也就是說其關(guān)鍵零部件基體材料應(yīng)具有良好的綜合機(jī)械性能。
[0004] 通常，深海采油裝備尺寸均較大，采用常用鍛造工藝處理后的材料往往難以鍛透， 一些鑄態(tài)冶金缺陷，如偏析、疏松、縮孔等將不同程度地殘留在鍛件中，使鍛件在熱處理過 程中將產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中，往往導(dǎo)致鍛件在熱處理過程中或在熱處理結(jié)束后的放置過程 中發(fā)生開裂，或者因內(nèi)應(yīng)力的存在而降低零件在服役時(shí)的有效壽命。此外由于深海采油裝 備所處的環(huán)境為深?？量坦r條件，具有腐蝕性強(qiáng)、工作溫度低以及壓力高等特點(diǎn)，需要采 油裝備材料具有良好的耐蝕性和低溫力學(xué)性能，而這些性能采用普通的制造手段往往難以 實(shí)現(xiàn)，或者生產(chǎn)出的材料合格率低，造成極大的浪費(fèi)。因此，期望有一種新的深海裝備用鋼 鍛造的制造方法來實(shí)現(xiàn)鍛造的材料具有優(yōu)秀的耐蝕性和良好的低溫力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種能達(dá)到耐腐、耐壓、
[0006] 抗沖擊要求指標(biāo)的深海采油裝備用鋼及其鍛件的制造方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種深海采油裝備用鋼，其特征在于，所述鋼各成分及其質(zhì) 量百分比含量為： 碳 0.30-0.40； 硅 0.17~0,37; IS 0J0-0.B0： 硫 切.020; 爾 <0.025；
[0008] 鉻 UU.70; -鎳 2.75-3,25； 鉬 0.25 ~0.40; 鈦 銷 0.50-0.80； 鐵 余量。
[0009] 本發(fā)明還公開了一種深海采油裝備用鋼鍛件的制造方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0010] (1)鍛前處理：以上述深海采油裝備用鋼為坯料，在坯料表面涂覆一層玻璃狀涂 層，然后再利用自由鍛對所述坯料進(jìn)行熱鍛，得到閥座一次鍛造坯；
[0011] ⑵鍛造：
[0012] ①采用自由鍛進(jìn)行初次鍛造得到一次鍛造坯，鍛造始鍛溫度為1200°C，終鍛溫度 為800°(3，鍛造比大于3.5:1;
[0013] ②然后采用自由束縛鍛再次進(jìn)行鍛造，得到二次鍛造坯，鍛造始鍛溫度為1150°C， 終鍛溫度為950°C，鍛造比大于3:1;
[0014] (3)鍛后熱處理:對步驟(2)得到的二次鍛造坯進(jìn)行正火處理；
[0015] ⑷性能熱處理：
[0016] ①對步驟(3)得到的二次鍛造坯采用緩-急-緩梯度升溫方式升到1150~1200°C， 然后采用水冷-空冷三次循環(huán)交替方式淬火；
[0017] ②對淬火后的二次鍛造坯采用回火-水冷-再回火-再水冷的二次回火處理，即得 到所述深海采油裝備用鋼鍛件。
[0018] 進(jìn)一步地，上述步驟(1)中所述玻璃狀涂層主要成分及其質(zhì)量百分比含量為： Si02 55%；
[0019] ΑΙ20-, 5% ; 黏土 10%;:
[0020] 水玻璃 30%。
[0021] 進(jìn)一步地，上述步驟(2)中，步驟①的具體鍛造步驟為:將坯料沿軸向鐓粗-將鐓 粗的坯料沿直徑方向鐓拔-二次鐓粗-二次鐓拔-三次鐓粗-三次鐓拔-四次鐓粗-四 次鐓拔。
[0022] 進(jìn)一步地，上述步驟(2)中，步驟②的具體鍛造步驟為:將坯料在束縛作用下沿軸 向鐓粗-將鐓粗的坯料在束縛作用下沿直徑方向鐓拔-在束縛作用下二次鐓粗-在束縛 作用下二次鐓拔-在束縛作用下三次鐓粗-在束縛作用下三次鐓拔-在束縛作用下四次 鐓粗-在束縛作用下四次鐓拔。
[0023] 進(jìn)一步地，上述步驟(3)中，所述正火處理具體包括以下步驟:將步驟(2)得到的二 次鍛造坯加熱至1000±20°C并保溫至少5小時(shí)后，出爐空冷至室溫。
[0024] 進(jìn)一步地，上述步驟(4)中，步驟①緩-急-緩梯度升溫方式的具體步驟為：以不高 于60°C/h的速度緩慢升溫到600~650°C，然后保溫3-5h;然后以不低于200°C/h的溫度快速 升溫到900~950°C后保溫3~5h;然后再以不高于50°C/h慢速升溫到1150~1200°C，并保溫 2 ~3h〇
[0025] 進(jìn)一步地，上述步驟(4)中，步驟①水冷-空冷三次循環(huán)交替間歇淬火工藝中入水 冷卻時(shí)間t按照經(jīng)驗(yàn)公式t = K XD來估算，式中，鋼鐵材料系數(shù)K為3~5s/mm，D為鍛件的直 徑，單位為空氣冷卻時(shí)間為入水冷卻時(shí)間的5.0~10.0倍，開始時(shí)淬火的水溫低于20°C， 結(jié)束時(shí)淬火的水溫低于50°C。
[0026] 進(jìn)一步地，上述步驟(4)中，步驟①利用所述交替淬火工藝進(jìn)行淬火熱處理的過程 中，水冷時(shí)對水進(jìn)行攪拌處理，其中，水的攪拌流速不小于0.5m/s。
[0027]本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：
[0028] 1.鋼中含量較高的鎳在鍛造過程中能夠有效防止了形狀復(fù)雜的大鍛件的開裂，以 及強(qiáng)化其低溫綜合力學(xué)性能尤其是低溫韌性;鋼鐵成分中還特意添加了少量的鋯和鈦元 素，一方面鋯和鈦元素在凝固的過程中就在晶界位置阻礙了晶粒的長大，起到了細(xì)化晶粒 作用，提高了合金的綜合力學(xué)性能；另一方面，在鍛造過程中鋯與鐵在晶界處形成的Zr-Fe 金屬間化合物被有效的揉碎均勻分布于合金內(nèi)部，使合金的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能得 到了質(zhì)的提升。
[0029] 2.在鋼表面涂覆一層玻璃狀涂層，能在后繼熱鍛過程中有效的防止鋼表面生成氧 化皮，以及鍛造過程中材料表面碳元素的損失，使得鋼的成分穩(wěn)定，性能得到保障。
[0030] 3.鍛造工藝采用自由鍛結(jié)合束縛鍛的復(fù)合鍛造工藝，在首次自由鍛的過程中將鋼 鐵材料鐓實(shí)鐓透，降低鋼鐵材料在鑄造過程中形成的偏析、疏松和鎖孔，破碎材料內(nèi)部粗大 枝狀晶，提高合金的力學(xué)性能和抗腐蝕能力；隨后在二次鍛造過程中，利用側(cè)面的束縛對坯 料的壓力將鑄態(tài)金屬中疏松、空隙和裂紋等原始缺陷最大程度地壓實(shí)，提高了金屬的致密 度和連續(xù)性，同時(shí)促進(jìn)鑄態(tài)組織揉合，使鍛件內(nèi)外組織趨向均勻，有效地減輕了鍛件的偏析 程度；同時(shí)利用大塑性變形作用使材料晶粒細(xì)化，進(jìn)一步提高合金的綜合力學(xué)性能和抗腐 蝕能力。采用復(fù)合鍛的目的是利用坯料變形方向變化多，鋼錠心部金屬向外流動(dòng)，有效地破 碎了鋼錠中心的鑄態(tài)樹枝晶組織、鍛合鋼錠內(nèi)部的疏松、孔穴、裂紋等缺陷，提高了金屬的 致密度和連續(xù)性；同時(shí)促進(jìn)了鑄態(tài)組織的揉合，使鍛件內(nèi)外組織趨向均勻，減輕了鍛件組織 的偏析程;從組織上確保鍛件在隨后的調(diào)質(zhì)熱處理的淬火過程中，避免鍛組織缺陷引發(fā)的 淬火應(yīng)力集中裂紋或由此而引起的淬火開裂，增強(qiáng)形狀復(fù)雜鍛件抵抗熱處理熱應(yīng)力和組織 應(yīng)力的沖擊能力。
[0031 ] 4.緩-急-緩梯度升溫+水冷-空冷三次循環(huán)交替間歇淬火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，在低 溫階段緩慢升溫可以對塊狀材料有效的的進(jìn)行預(yù)熱，降低材料內(nèi)外的溫度差，減小內(nèi)應(yīng)力； 隨后快速升溫加速原子擴(kuò)散，增加晶粒形核率，降低晶粒長大速度;最后在高溫階段采用緩 慢升溫可以進(jìn)一步降低內(nèi)應(yīng)力，使偏析原子能夠均勻擴(kuò)散。所采用水冷-空冷三次循環(huán)交替 的淬火工藝可以保證在高溫階段水冷卻達(dá)到快速降溫以提高材料的力學(xué)性能，隨后空冷減 緩冷卻速度，這樣來回交替冷卻，既保持了材料的力學(xué)性能，同時(shí)也能夠最大限度地降低鍛 件熱處理產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，減少在過渡截面處引起的應(yīng)力集中，防止了鍛件的淬 火開裂和內(nèi)裂，同時(shí)也獲得均勻細(xì)小淬火組織。
[0032]綜上所述，本發(fā)明的深海采油裝備用鋼鍛件的制造方法，選用特殊鋼鐵材料，并將 鍛造工藝和熱處理工藝組合起來，即自由鍛結(jié)合束縛鍛的復(fù)合鍛造工藝結(jié)合緩-急-緩梯度 升溫+水冷-空冷三次循環(huán)交替間歇淬火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，不僅有效地防止了形狀復(fù)雜的 大鍛件淬火開裂，而且制造的深海采油裝備用鋼鍛件的抗腐蝕性和綜合力學(xué)性能尤其是低 溫韌性大幅度提高，能很好地適用于深海低溫工況環(huán)境。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明制造方法獲得深海采油裝備用鋼鍛件的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0035] 實(shí)施例1:
[0036] (1)鍛前處理：以一種深海采油裝備用的特殊鋼為坯料，在坯料表面涂覆一層玻璃 狀涂層，然后再利用自由鍛對所述坯料進(jìn)行熱鍛，得到閥座一次鍛造坯;所述鋼包括以下質(zhì) 量百分比(wt. % )的各組分：
[0037]
[0038] (2)鍛造:①采用自由鍛進(jìn)行初次鍛造得到一次鍛造坯;鍛造始鍛溫度為1200°C， 終鍛溫度為800°C，鍛造比大于3.5:1;②然后采用自由束縛鍛再次進(jìn)行鍛造，得到二次鍛造 坯;鍛造始鍛溫度為1150°C，終鍛溫度為950°C，鍛造比大于3:1;
[0039] (3)鍛后熱處理:對步驟(2)得到的二次鍛造坯加熱至980°C并保溫15小時(shí)后，出爐 空冷至室溫。
[0040] (4)性能熱處理:①對步驟(3)得到的二次鍛造坯采用緩-急-緩梯度升溫方式升到 1150~1200°