CN102191442B - 海洋深水钻井隔水管法兰用钢及隔水管法兰的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋深水钻井隔水管法兰用钢，包括以下组分，各组分的基准单位为Wt％：C为0.13-0.21，Mn为1.65-1.95，Mo为0.25-0.35，Nb为0.03-0.09，V为0.02-0.08，Ti≤0.015，Ni为0.5-0.9，Cu为0.07-0.2，Cr≤0.15，Si≤0.22，S≤0.01，P≤0.02，余量为Fe。本发明还公开了海洋深水钻井隔水管法兰的制造方法，实施步骤是：按照前述的组分含量配料，再进行电弧炉冶炼，得到钢液；将钢液在真空下采用电弧加热钢液和吹氩气搅拌钢液脱气；钢锭浇注，采用吹起式滑动水口吹入惰性气体，均匀成分和温度，净化钢水；对得到的钢锭锻造，锻后经退火处理；机加工车光；进行模锻，最后得到隔水管法兰成品。本发明的钢材及隔水管法兰制备方法，通过最佳的成分配比和热处理工艺设置，各项力学性能满足API关于海洋隔水管法兰用钢的要求。

Description

海洋深水钻井隔水管法兰用钢及隔水管法兰的制造方法

技术领域

本发明属于石油勘探设备技术领域，涉及一种海洋深水钻井隔水管法兰用钢，本发明还涉及一种海洋深水钻井隔水管法兰的制造方法。

背景技术

海洋深水钻井隔水管系统是石油勘探中的关键设备之一，钻井隔水管各主管线之间是通过与法兰焊接连接而成，因此，法兰材料的选择非常重要，要确保隔水管系统使用的安全性，法兰材料不但要有良好的力学性能，而且还应具备良好的焊接性。根据产品设计要求，目前现有的隔水管主管线材料是X80钢，那么与其连接的法兰材料必然以含碳量低的钢种作为首选，但是现有法兰的材料在兼顾力学性能和焊接性上还具有一定的差距，考虑到该产品的实际工作环境要求，因此急需要开发出一种低碳高强韧性的钢种，制备隔水管法兰来满足实际需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种海洋深水钻井隔水管法兰用钢，解决了现有法兰的材料在兼顾力学性能和焊接性上还不能满足实际需要，低碳高强韧性不足的问题。

本发明的另一目的是提供一种海洋深水钻井隔水管法兰的制造方法，满足低碳高强韧性的实际工作环境要求。

本发明所采用的技术方案是，一种海洋深水钻井隔水管法兰用钢，包括以下各个组分组成，各个组分的基准单位为Wt％：C为0.13-0.21，Mn为1.65-1.95，Mo为0.25-0.35，Nb为0.03-0.09，V为0.02-0.08，Ti≤0.015，Ni为0.5-0.9，Cu为0.07-0.2，Cr≤0.15，Si≤0.22，S≤0.01，P≤0.02，余量为Fe。

本发明所采用的另一技术方案是，一种海洋深水钻井隔水管法兰的制造方法，该方法按照以下步骤实施：

步骤1、配料机电弧炉冶炼

首先按照以下组分及Wt％含量配料：C为0.13-0.21，Mn为1.65-1.95，Mo为0.25-0.35，Nb为0.03-0.09，V为0.02-0.08，Ti≤0.015，Ni为0.5-0.9，Cu为0.07-0.2，Cr≤0.15，Si≤0.22，S≤0.01，P≤0.02，余量为Fe；

然后进行电弧炉冶炼，得到钢液；

步骤2、进行真空精炼

将步骤1冶炼得到的钢液，在真空下采用电弧加热钢液和吹氩气搅拌钢液脱气，控制钢种气体含量的技术要求是：【H】≤2ppm、【O】≤20ppm、【N】≤100ppm；【S】≤0.010％；

步骤3、进行钢锭浇注

钢液浇注时采用吹起式滑动水口吹入惰性气体，均匀成分和温度，净化钢水，浇注的钢锭经坑冷缓冷不少于48小时；

步骤4、对钢锭进行锻造

对步骤3得到的钢锭锻造时要留有切头切尾余量，锻造比不小于3.5；锻后经退火处理，得到制备法兰产品所需圆胚形的钢材料；

步骤5、对毛坯进行加工

对步骤4得到的制备法兰产品所需的圆钢表面经机加工车光；

步骤6、进行热处理

将步骤5得到的圆钢进行模锻制成法兰产品，即得到隔水管法兰成品。

本发明具有的优点和效果是，通过最佳的成分配比和热处理工艺设置，使本发明的钢材具有良好的强韧性搭配；由于其碳含量较低，因此还具有良好的可锻造性、良好的低温断裂韧性和良好的焊接性，达到了钻井隔水管法兰产品低碳高强韧性的技术要求。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的海洋深水钻井隔水管法兰用钢，包括以下各个组分，各个组分的质量百分比(Wt％)分别为：C为0.13-0.21，Mn为1.65-1.95，Mo为0.25-0.35，Nb为0.03-0.09，V为0.02-0.08，Ti≤0.015，Ni为0.5-0.9，Cu为0.07-0.2，Cr≤0.15，Si≤0.22，S≤0.01，P≤0.02，余量为Fe。

本发明的海洋深水钻井隔水管法兰用钢中，各组分添加的原理分别是：

上述配料的重点是控制各个化学成份的含量，当碳含量在中上限时，锰含量一定要控制在中下限；钢中磷、硫、砷含量控制的越低越好，钢中Cr、Ti含量也越低越好，Si控制在0.22％以下，这是与其他高强钢的重要区别。

碳元素是钢材具有强韧性、焊接性的主要元素，随着碳含量的增加，焊接性恶化，韧性下降，同时，偏析加剧，抗腐蚀能力下降；但是碳含量过低，强度上不去，因此，碳含量控制在0.13％～0.21％范围内。

锰元素是高强、高韧、可焊性好的低碳钢的基本合金元素。锰在钢中可降低γ→α相变温度，推迟奥氏体相变，减少珠光体量和细化铁素体晶粒尺寸，高的Mn/C可提高钢的淬透性，有利于提高钢的屈服强度和冲击韧性。Mn与O、S亲和力较强，在钢液和焊缝中能起除S作用，改善钢的焊接性。

钼元素能够有效地延长珠光体转变的孕育期，使铁素体和珠光体区域右移，但对贝氏体的相变影响很小。因此使得钢经奥氏体化后在连续快速冷却时，可以获得贝氏体组织，既保证钢有足够的强度，又可以提高塑性、减少裂纹倾向，使钢具有良好的焊接性。用Cu和Mo合金化，还能得到好的耐蚀性能。

铌、钒、钛元素的作用在于：Nb能减少低温下焊缝处裂纹形成敏感性，V使钢质紧密，提高钢的强度和韧性，Ti对海水腐蚀抵抗能力最为突出。当Ti、Mo、Nb共存会呈现良好韧性。当Ti、V、Nb共同作用时，适当提高V含量对提高焊缝韧性有良好作用，Ti为0.008％时、最佳V含量0.05％。Nb在Cr含量高时，增加再热裂纹倾向，因此Cr含量应较低，Ti/N的含量比值为2.5时能改善大线能量焊接中热影响区的韧性，但Ti超过固定N含量，会生成TiC，损害韧性。实际生产中生成TiN的N含量≤50PPm，因此Ti含量应该≤0.015％。

镍、铜元素的作用在于：Ni能稍微提高钢抗酸性，能提高钢强韧性，特别是冲击韧性，但Ni高时容易引起热裂纹和产生氢脆，Ni超过1％时钢的抗蚀能力下降。因此，Ni含量控制在0.80％以下。Cu能提高钢抗海水腐蚀能力阻碍湿植物对钢的粘附，Cu含量一般在0.20％，对焊接性没有不利的影响。

本发明的海洋深水钻井隔水管法兰的制造方法是，按照以下步骤实施：

步骤1、电弧炉冶炼，首先按照以下组分及含量配料，各个组分质量百分比(Wt％)分别为：C为0.13-0.21，Mn为1.65-1.95，Mo为0.25-0.35，Nb为0.03-0.09，V为0.02-0.08，Ti≤0.015，Ni为0.5-0.9，Cu为0.07-0.2，Cr≤0.15，Si≤0.22，S≤0.01，P≤0.02，余量为Fe；然后进行电弧炉冶炼，得到钢液，冶炼时尽可能地去除钢种中的有害元素和非金属夹杂物；

步骤2、真空精炼，将步骤1冶炼得到的钢液，在真空下采用电弧加热钢液和吹氩气搅拌钢液脱气，控制钢种气体含量的技术要求是：【H】≤2ppm、【O】≤20ppm、【N】≤100ppm；【S】≤0.010％；

步骤3、钢锭浇注，钢液浇注时采用吹起式滑动水口吹入惰性气体，均匀成分和温度，净化钢水，浇注的钢锭经坑冷缓冷不少于48小时。吹起式滑动水口是一种冷却方式，就是将出炉的钢锭放置在类似坑一样的地方，让其缓慢冷却至常温。

步骤4、钢锭锻造，对步骤3得到的钢锭锻造时要留有足够的切头切尾量，以保证锻造质量，锻造比不小于3.5；锻后经退火处理，以避免造成氢致缺陷，并降低硬度便于机加工，得到制备法兰产品所需的圆钢；

步骤5、毛坯加工，对步骤4得到的制备法兰产品所需的圆钢表面经机加工车光，使其表面不得存在裂纹、折叠、氧化皮等缺陷，且保证圆钢质量达到要求；

步骤6、热处理，将步骤5得到的圆钢进行模锻制成法兰产品，并附带自由锻制的Φ165×250mm等效试棒，之后将他们进行同炉热处理，热处理工艺参数为：首先进行正火920℃±10℃保温3±0.1小时空冷；再淬火910℃±10℃保温4±0.1小时水冷，然后高温回火620℃±10℃保温5±0.1小时水冷，即得到隔水管法兰成品。

后续步骤的焊接，将步骤6得到的隔水管法兰成品与隔水管主管线接口端进行对接焊，两者需先预热到150℃-200℃，采用钨极氩弧焊进行打底焊道两层，再使用埋弧焊方法进行第三道及以后焊道和盖面焊道的焊接。

实施例1

试验小钢锭编号：09001

步骤1、电弧炉冶炼，首先按照以下组分及含量配料，各个组分的基准单位为Wt％：C0.17，Mn1.72，Mo0.3，Nb0.054，V0.05，Ti0.015，Ni0.6，Cu0.14，Cr0.06，Si0.16，S0.005，P0.01，余量为Fe；然后进行电弧炉冶炼，得到钢液，冶炼时尽可能地去除钢种中的有害元素和非金属夹杂物；

步骤2、真空精炼，将步骤1冶炼得到的钢液，在真空下采用电弧加热钢液和吹氩气搅拌钢液脱气，控制钢种气体含量的技术要求是：【H】≤2ppm、【O】≤20ppm、【N】≤100ppm；【S】≤0.010％；

步骤3、钢锭浇注，钢液浇注时采用吹起式滑动水口吹入惰性气体，均匀成分和温度，净化钢水，浇注的钢锭经坑冷缓冷不少于48小时。

步骤4、钢锭锻造，对步骤3得到的钢锭锻造时要留有足够的切头切尾量，以保证锻造质量，锻造比不小于3.5；锻后经退火处理，以避免造成氢致缺陷，并降低硬度便于机加工，得到制备法兰产品所需的圆钢；

步骤5、毛坯加工，对步骤4得到的制备法兰产品所需的圆钢表面经机加工车光，使其表面不得存在裂纹、折叠、氧化皮等缺陷，且保证圆钢质量达到要求；

步骤6、热处理，将步骤5得到的圆钢进行模锻制成法兰产品，之后热处理，热处理工艺参数为：首先进行正火925℃保温3小时空冷；再淬火915℃保温4小时水冷，然后高温回火625℃保温5小时水冷，即得隔水管法兰成品。

实施例2

试验炉号编号：09303161444

步骤1、电弧炉冶炼，首先按照以下组分及含量配料，各个组分的基准单位为Wt％：C0.18，Mn1.79，Mo0.29，Nb0.058，V0.079，Ti0.002，Ni0.89，Cu0.14，Cr0.14，Si0.2，S0.004，P0.019，余量为Fe；然后进行电弧炉冶炼，得到钢液，冶炼时尽可能地去除钢种中的有害元素和非金属夹杂物；

步骤2、真空精炼，将步骤1冶炼得到的钢液，在真空下采用电弧加热钢液和吹氩气搅拌钢液脱气，控制钢种气体含量的技术要求是：【H】≤2ppm、【O】≤20ppm、【N】≤100ppm；【S】≤0.010％；

步骤3、钢锭浇注，钢液浇注时采用吹起式滑动水口吹入惰性气体，均匀成分和温度，净化钢水，浇注的钢锭经坑冷缓冷不少于48小时。

步骤4、钢锭锻造，对步骤3得到的钢锭锻造时要留有足够的切头切尾量，以保证锻造质量，锻造比不小于3.5；锻后经退火处理，以避免造成氢致缺陷，并降低硬度便于机加工，得到制备法兰产品所需的圆钢；

步骤5、毛坯加工，对步骤4得到的制备法兰产品所需的圆钢表面经机加工车光，使其表面不得存在裂纹、折叠、氧化皮等缺陷，且保证圆钢质量达到要求；

步骤6、热处理，将步骤5得到的圆钢进行模锻制成法兰产品，之后进行热处理，热处理工艺参数为：首先进行正火910℃保温3小时空冷；再淬火905℃保温4小时水冷，然后高温回火620℃保温5小时水冷，即得到隔水管法兰成品。

实施例3

试验炉号编号：09303081817

步骤1、电弧炉冶炼，首先按照以下组分及含量配料，各个组分的基准单位为Wt％：C0.18，Mn1.8，Mo0.29，Nb0.058，V0.08，Ti0.002，Ni0.9，Cu0.15，Cr0.15，Si0.2，S0.004，P0.019，余量为Fe；然后进行电弧炉冶炼，得到钢液，冶炼时尽可能地去除钢种中的有害元素和非金属夹杂物；

步骤2、真空精炼，将步骤1冶炼得到的钢液，在真空下采用电弧加热钢液和吹氩气搅拌钢液脱气，控制钢种气体含量的技术要求是：【H】≤2ppm、【O】≤20ppm、【N】≤100ppm；【S】≤0.010％；

步骤3、钢锭浇注，钢液浇注时采用吹起式滑动水口吹入惰性气体，均匀成分和温度，净化钢水，浇注的钢锭经坑冷缓冷不少于48小时。

步骤4、钢锭锻造，对步骤3得到的钢锭锻造时要留有足够的切头切尾量，以保证锻造质量，锻造比不小于3.5；锻后经退火处理，以避免造成氢致缺陷，并降低硬度便于机加工，得到制备法兰产品所需的圆钢；

步骤5、毛坯加工，对步骤4得到的制备法兰产品所需的圆钢表面经机加工车光，使其表面不得存在裂纹、折叠、氧化皮等缺陷，且保证圆钢质量达到要求；

步骤6、热处理，将步骤5得到的圆钢进行模锻制成法兰产品，并附带自由锻制的Φ165×250mm等效试棒，之后将他们进行同炉热处理，热处理工艺参数为：首先进行正火920℃保温3小时空冷；再淬火910℃保温4小时水冷，然后高温回火650℃保温5小时水冷，即得到隔水管法兰成品。

热处理及力学性能、显微组织：对与法兰同炉料锻成并同炉进行热处理的Φ165×250mm等效试棒进行热处理试验，热处理及试验方案如下：

表1实施例3试样的力学性能试验结果

试验结果表明，力学性能均符合隔水管法兰的产品设计要求，综合机械性能表现良好。

金相组织试验：等效试棒经热处理后的显微组织为细小回火索氏体和少量贝氏体，组织均匀，晶粒度评级结果为8级。

焊接工艺评定：隔水管接头为本发明隔水管法兰产品和X80钢异种对接接头，在焊接前需预热到150℃-200℃，主要采用钨极氩弧焊和自动埋弧焊，用钨极氩弧焊进行打底焊道两层，再使用埋弧焊进行第三道及以后焊道和盖面焊道的焊接方法。埋弧焊层间温度控制在60℃-150℃，对焊后的试样经过350℃保温45min-60min的去氢处理。按照《钻井隔水管接头焊接规范》，通过力学性能试验和CTOD(裂纹尖端张开位移)试验，进行焊接工艺评定，结果满足要求。

表3实施例3隔水管接头拉伸试验结果

焊接工艺评定试验是将本发明实施例3制备的钢与X80钢进行对接焊，焊接完成后，焊接接头整体不需进行任何热处理过程，最多是进行一些焊后去氢处理；之后将接头进行加工成拉伸试样，得到了表3的结果。这一点也是本发明钢具有优良焊接性能的最大体现。

表4隔水管接头冲击试验结果(-20℃)

表4中的数据，只对应前面的一种材料成分，即炉号为09303081817的实施例3，这个试验是对同一试样缺口处重复进行三个试验，得出三个数值，一般将三个数值中最小的和相关标准进行对比，看是否达到要求。

本发明具有的优点和有益效果是：1)最佳的成分配比和热处理工艺使新钢种获得了良好的强韧性搭配。由于其碳含量较低，因此还具有良好的可锻造性，良好的低温断裂韧性和良好的焊接性，达到了钻井隔水管法兰产品的设计要求。2)本发明实施例对产品设计要求的Φ165×250mm等效试棒进行力学性能试验，结果表明其性能指标远远高于原设计钢种的性能，其中低温冲击韧性指标也远高于设计指标要求。

本发明的海洋深水钻井隔水管用钢及其隔水管法兰的制造方法，通过设置最佳化学成分含量和制造工艺，化学成分设计以低碳-锰-钼为基础，再适量添加铜、钒、铌、钛等合金元素，使其获得良好的综合机械性能和焊接性能，再经过一系列工艺参数设置制作出隔水管法兰成品，满足了海洋钻井隔水管系统法兰产品的使用要求。

Claims (1)

1.一种海洋深水钻井隔水管法兰的制造方法，其特点在于，该方法按照以下步骤实施： 

步骤1、配料及电弧炉冶炼

首先按照以下组分及Wt%含量配料：C为0.13-0.21，Mn为1.65-1.95，Mo为0.25-0.35，Nb为0.03-0.09，V为0.02-0.08，Ti≤0.015，Ni为0.5-0.9，Cu为0.07-0.2，Cr≤0.15，Si≤0.22，S≤0.01，P≤0.02，余量为Fe；

然后进行电弧炉冶炼，得到钢液；

步骤2、进行真空精炼

将步骤1冶炼得到的钢液，在真空下采用电弧加热钢液和吹氩气搅拌钢液脱气，控制钢种气体含量的技术要求是：【H】≤2ppm、【O】≤20ppm、【N】≤100ppm；【S】≤0.010%； 

步骤3、进行钢锭浇注

钢液浇注时采用吹起式滑动水口吹入惰性气体，均匀成分和温度，净化钢水，浇注的钢锭经坑冷缓冷不少于48小时；

步骤4、对钢锭进行锻造

对步骤3得到的钢锭锻造时要留有切头切尾余量，锻造比不小于3.5；锻后经退火处理，得到制备法兰产品所需圆胚形的钢材料；

步骤5、对圆胚形的钢材料进行加工

对步骤4得到的圆胚形钢材料表面进行机加工车光，得到圆钢；

步骤6、进行热处理

将步骤5得到的圆钢进行模锻制成法兰产品，并附带自由锻制的Φ165×250mm等效试棒，之后将他们进行同炉热处理，热处理工艺参数为：首先进行正火920℃±10℃保温3±0.1小时空冷；再淬火910℃±10℃保温4±0.1小时水冷，然后高温回火620℃±10℃保温5±0.1小时水冷，即得到隔水管法兰成品。