CN105483542A - 一种深海采油装备用钢及其锻件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深海采油装备用钢及其锻件的制造方法，包括以下步骤：以一种专用钢铁材料为坯料，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，然后采用自由锻加束缚锻的复合锻造方式对坯料进行锻造，得到二次锻坯；然后对二次锻坯进行正火，并采用缓-急-缓梯度升温方式升到1150~1200℃，然后采用水冷-空冷三次循环交替方式进行淬火热处理；对淬火后的二次锻造坯采用回火-水冷-再回火-再水冷的二次回火处理，即得到所述深海采油装备用钢锻件。本发明的锻造工艺与热处理工艺的组合有效地防止了形状复杂的大锻件淬火开裂，而且制造的深海采油装备用钢锻件的综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于深海低温工况环境。

Description

一种深海采油装备用钢及其锻件的制造方法
技术领域
本发明涉及一种深海采油装备用钢及其锻件的制造方法，属于金属锻造与热处理领域。
背景技术
我国海洋具有丰富的油气资源，已探明储量达几百多亿吨，其中绝大多数位于深海区域。但由于水下油气田开采的核心装备(水下采油树)的制造技术只有美国掌握，我国被迫长期依赖美国进口，不仅费用高昂，还给我国的能源安全、海洋安全甚至海防安全带来潜在威胁。
水下采油设备是山一系列具有耐原油(气)高温、高压、高腐蚀的生产和控制通道构筑的，即由设备本体、油管挂、液控闸阀阀体、双孔连接器、管道连接器及生产跨接管道等主要关键部件组成的。针对海底的低温环境、生产介质的温度落差、外部环境载荷及内部高压的承载工况，水下采油关键部件材料除要求具有高强度外，还要求具有良好的晶粒组织、低温韧性及抗热疲劳性能，也就是说其关键零部件基体材料应具有良好的综合机械性能。
通常，深海采油装备尺寸均较大，采用常用锻造工艺处理后的材料往往难以锻透，一些铸态冶金缺陷，如偏析、疏松、缩孔等将不同程度地残留在锻件中，使锻件在热处理过程中将产生更大的应力集中，往往导致锻件在热处理过程中或在热处理结束后的放置过程中发生开裂，或者因内应力的存在而降低零件在服役时的有效寿命。此外由于深海采油装备所处的环境为深海苛刻工况条件，具有腐蚀性强、工作温度低以及压力高等特点，需要采油装备材料具有良好的耐蚀性和低温力学性能，而这些性能采用普通的制造手段往往难以实现，或者生产出的材料合格率低，造成极大的浪费。因此，期望有一种新的深海装备用钢锻造的制造方法来实现锻造的材料具有优秀的耐蚀性和良好的低温力学性能。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种能达到耐腐、耐压、
抗冲击要求指标的深海采油装备用钢及其锻件的制造方法。
本发明的技术方案为：一种深海采油装备用钢，其特征在于，所述钢各成分及其质量百分比含量为：
本发明还公开了一种深海采油装备用钢锻件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)锻前处理：以上述深海采油装备用钢为坯料，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，然后再利用自由锻对所述坯料进行热锻，得到阀座一次锻造坯；
(2)锻造：
①采用自由锻进行初次锻造得到一次锻造坯，锻造始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃，锻造比大于3.5:1；
②然后采用自由束缚锻再次进行锻造，得到二次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比大于3:1；
(3)锻后热处理：对步骤(2)得到的二次锻造坯进行正火处理；
(4)性能热处理：
①对步骤(3)得到的二次锻造坯采用缓-急-缓梯度升温方式升到1150～1200℃，然后采用水冷-空冷三次循环交替方式淬火；
②对淬火后的二次锻造坯采用回火-水冷-再回火-再水冷的二次回火处理，即得到所述深海采油装备用钢锻件。
进一步地，上述步骤(1)中所述玻璃状涂层主要成分及其质量百分比含量为：
进一步地，上述步骤(2)中，步骤①的具体锻造步骤为：将坯料沿轴向镦粗→将镦粗的坯料沿直径方向镦拔→二次镦粗→二次镦拔→三次镦粗→三次镦拔→四次镦粗→四次镦拔。
进一步地，上述步骤(2)中，步骤②的具体锻造步骤为：将坯料在束缚作用下沿轴向镦粗→将镦粗的坯料在束缚作用下沿直径方向镦拔→在束缚作用下二次镦粗→在束缚作用下二次镦拔→在束缚作用下三次镦粗→在束缚作用下三次镦拔→在束缚作用下四次镦粗→在束缚作用下四次镦拔。
进一步地，上述步骤(3)中，所述正火处理具体包括以下步骤：将步骤(2)得到的二次锻造坯加热至1000±20℃并保温至少5小时后，出炉空冷至室温。
进一步地，上述步骤(4)中，步骤①缓-急-缓梯度升温方式的具体步骤为：以不高于60℃/h的速度缓慢升温到600～650℃，然后保温3-5h；然后以不低于200℃/h的温度快速升温到900～950℃后保温3～5h；然后再以不高于50℃/h慢速升温到1150～1200℃，并保温2～3h。
进一步地，上述步骤(4)中，步骤①水冷-空冷三次循环交替间歇淬火工艺中入水冷却时间t按照经验公式t＝K×D来估算，式中，钢铁材料系数K为3～5s/mm，D为锻件的直径，单位为mm；空气冷却时间为入水冷却时间的5.0～10.0倍，开始时淬火的水温低于20℃，结束时淬火的水温低于50℃。
进一步地，上述步骤(4)中，步骤①利用所述交替淬火工艺进行淬火热处理的过程中，水冷时对水进行搅拌处理，其中，水的搅拌流速不小于0.5m/s。
本发明所达到的有益效果：
1.钢中含量较高的镍在锻造过程中能够有效防止了形状复杂的大锻件的开裂，以及强化其低温综合力学性能尤其是低温韧性；钢铁成分中还特意添加了少量的锆和钛元素，一方面锆和钛元素在凝固的过程中就在晶界位置阻碍了晶粒的长大，起到了细化晶粒作用，提高了合金的综合力学性能；另一方面，在锻造过程中锆与铁在晶界处形成的Zr-Fe金属间化合物被有效的揉碎均匀分布于合金内部，使合金的耐腐蚀性能和综合力学性能得到了质的提升。
2.在钢表面涂覆一层玻璃状涂层，能在后继热锻过程中有效的防止钢表面生成氧化皮，以及锻造过程中材料表面碳元素的损失，使得钢的成分稳定，性能得到保障。
3.锻造工艺采用自由锻结合束缚锻的复合锻造工艺，在首次自由锻的过程中将钢铁材料镦实镦透，降低钢铁材料在铸造过程中形成的偏析、疏松和锁孔，破碎材料内部粗大枝状晶，提高合金的力学性能和抗腐蚀能力；随后在二次锻造过程中，利用侧面的束缚对坯料的压力将铸态金属中疏松、空隙和裂纹等原始缺陷最大程度地压实，提高了金属的致密度和连续性，同时促进铸态组织揉合，使锻件内外组织趋向均匀，有效地减轻了锻件的偏析程度；同时利用大塑性变形作用使材料晶粒细化，进一步提高合金的综合力学性能和抗腐蚀能力。采用复合锻的目的是利用坯料变形方向变化多，钢锭心部金属向外流动，有效地破碎了钢锭中心的铸态树枝晶组织、锻合钢锭内部的疏松、孔穴、裂纹等缺陷，提高了金属的致密度和连续性；同时促进了铸态组织的揉合，使锻件内外组织趋向均匀，减轻了锻件组织的偏析程；从组织上确保锻件在随后的调质热处理的淬火过程中，避免锻组织缺陷引发的淬火应力集中裂纹或由此而引起的淬火开裂，增强形状复杂锻件抵抗热处理热应力和组织应力的冲击能力。
4.缓-急-缓梯度升温+水冷-空冷三次循环交替间歇淬火的调质热处理工艺，在低温阶段缓慢升温可以对块状材料有效的的进行预热，降低材料内外的温度差，减小内应力；随后快速升温加速原子扩散，增加晶粒形核率，降低晶粒长大速度；最后在高温阶段采用缓慢升温可以进一步降低内应力，使偏析原子能够均匀扩散。所采用水冷-空冷三次循环交替的淬火工艺可以保证在高温阶段水冷却达到快速降温以提高材料的力学性能，随后空冷减缓冷却速度，这样来回交替冷却，既保持了材料的力学性能，同时也能够最大限度地降低锻件热处理产生的热应力和组织应力，减少在过渡截面处引起的应力集中，防止了锻件的淬火开裂和内裂，同时也获得均匀细小淬火组织。
综上所述，本发明的深海采油装备用钢锻件的制造方法，选用特殊钢铁材料，并将锻造工艺和热处理工艺组合起来，即自由锻结合束缚锻的复合锻造工艺结合缓-急-缓梯度升温+水冷-空冷三次循环交替间歇淬火的调质热处理工艺，不仅有效地防止了形状复杂的大锻件淬火开裂，而且制造的深海采油装备用钢锻件的抗腐蚀性和综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于深海低温工况环境。
附图说明
图1为本发明制造方法获得深海采油装备用钢锻件的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
(1)锻前处理：以一种深海采油装备用的特殊钢为坯料，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，然后再利用自由锻对所述坯料进行热锻，得到阀座一次锻造坯；所述钢包括以下质量百分比(wt.％)的各组分：
(2)锻造：①采用自由锻进行初次锻造得到一次锻造坯；锻造始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃，锻造比大于3.5:1；②然后采用自由束缚锻再次进行锻造，得到二次锻造坯；锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比大于3:1；
(3)锻后热处理：对步骤(2)得到的二次锻造坯加热至980℃并保温15小时后，出炉空冷至室温。
(4)性能热处理：①对步骤(3)得到的二次锻造坯采用缓-急-缓梯度升温方式升到1150～1200℃，然后采用水冷-空冷三次循环交替方式淬火。具体升温方式为：以不高于60℃/h的速度缓慢升温到600℃，然后保温5h。随后以不低于200℃/h的温度快速升温到900℃后保温5h。随后再以不高于50℃/h慢速升温1150℃，并保温3h。然后利用水冷-空冷三次循环交替方式淬火工艺进行淬火热处理，具体工艺为：水冷却3分钟→空气冷却15分钟→水冷却3分钟→空气冷却15分钟→水冷却3分钟→空气冷却80分钟。②对淬火后的二次锻造坯采用回火-水冷-再回火-再水冷的二次回火处理，具体处理工艺为：一次回火温度为650℃，保温3h后，进行水冷至常温，再进行二次回火，二次回火温度为600℃，保温3h后，进行水冷至常温，即得到所述深海采油装备用钢件。
实施例2：
(1)锻前处理：以一种深海采油装备用的特殊钢为坯料，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，然后再利用自由锻对所述坯料进行热锻，得到阀座一次锻造坯；所述钢包括以下质量百分比(wt.％)的各组分：
(2)锻造：①采用自由锻进行初次锻造得到一次锻造坯；锻造始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃，锻造比大于3.5:1；②然后采用自由束缚锻再次进行锻造，得到二次锻造坯；锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比大于3:1；
(3)锻后热处理：对步骤(2)得到的二次锻造坯加热至1000℃并保温10小时后，出炉空冷至室温。
(4)性能热处理：①对步骤(3)得到的二次锻造坯采用缓-急-缓梯度升温方式升到1150～1200℃，然后采用水冷-空冷三次循环交替方式淬火。具体升温方式为：以不高于60℃/h的速度缓慢升温到620℃，然后保温4h。随后以不低于200℃/h的温度快速升温到930℃后保温4h。随后再以不高于50℃/h慢速升温1180℃，并保温2.5h。然后利用水冷-空冷三次循环交替方式淬火工艺进行淬火热处理，具体工艺为：水冷却2分钟→空气冷却16分钟→水冷却2分钟→空气冷却16分钟→水冷却2分钟→空气冷却100分钟。②对淬火后的二次锻造坯采用回火-水冷-再回火-再水冷的二次回火处理，具体处理工艺为：一次回火温度为650℃，保温3h后，进行水冷至常温，再进行二次回火，二次回火温度为600℃，保温3h后，进行水冷至常温，即得到所述深海采油装备用钢件。
实施例3：
(1)锻前处理：以一种深海采油装备用的特殊钢为坯料，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，然后再利用自由锻对所述坯料进行热锻，得到阀座一次锻造坯；所述钢包括以下质量百分比(wt.％)的各组分：
(2)锻造：①采用自由锻进行初次锻造得到一次锻造坯；锻造始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃，锻造比大于3.5:1；②然后采用自由束缚锻再次进行锻造，得到二次锻造坯；锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比大于3:1；
(3)锻后热处理：对步骤(2)得到的二次锻造坯加热至1020℃并保温5小时后，出炉空冷至室温。
(4)性能热处理：①对步骤(3)得到的二次锻造坯采用缓-急-缓梯度升温方式升到1200℃，然后采用水冷-空冷三次循环交替方式淬火。具体升温方式为：以不高于60℃/h的速度缓慢升温到650℃，然后保温3h。随后以不低于200℃/h的温度快速升温到950℃后保温3h。随后再以不高于50℃/h慢速升温1200℃，并保温2h。然后利用水冷-空冷三次循环交替方式淬火工艺进行淬火热处理，具体工艺为：水冷却1分钟→空气冷却10分钟→水冷却1分钟→空气冷却10分钟→水冷却1分钟→空气冷却180分钟。②对淬火后的二次锻造坯采用回火-水冷-再回火-再水冷的二次回火处理，具体处理工艺为：一次回火温度为650℃，保温3h后，进行水冷至常温，再进行二次回火，二次回火温度为600℃，保温3h后，进行水冷至常温，即得到所述深海采油装备用钢件。
经过上述制造方法获得深海采油装备用钢锻件综合力学数据对比：
表1深海采油装备用钢锻件综合力学数据对比
由表1可知，上述3个实施例产品与国际技术规范要求进行对比，本发明获得的产品力学参数均远高于国际技术规范要求。制造的深海采油装备用钢锻件的综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于深海低温工况环境。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种深海采油装备用钢，其特征在于，所述钢各成分及其质量百分比含量为：
碳0.30~0.40；
硅0.17~0.37；
锰0.50~0.80；
硫≤0.020；
磷≤0.025；
铬1.10~1.70；
镍2.75~3.25；
钼0.25~0.40；
钛1.00~1.30；
锆0.50~0.80；
铁余量。
2.一种深海采油装备用钢锻件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）锻前处理：以上述深海采油装备用钢为坯料，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，然后再利用自由锻对所述坯料进行热锻，得到阀座一次锻造坯；
（2）锻造：
①采用自由锻进行初次锻造得到一次锻造坯，锻造始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃，锻造比大于3.5:1；
②然后采用自由束缚锻再次进行锻造，得到二次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比大于3:1；
（3）锻后热处理：对步骤（2）得到的二次锻造坯进行正火处理；
（4）性能热处理：
①对步骤（3）得到的二次锻造坯采用缓-急-缓梯度升温方式升到1150~1200℃，然后采用水冷-空冷三次循环交替方式淬火；
②对淬火后的二次锻造坯采用回火-水冷-再回火-再水冷的二次回火处理，即得到所述深海采油装备用钢锻件。
3.如权利要求2所述的一种深海采油装备用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（1）中所述玻璃状涂层主要成分及其质量百分比含量为：
SiO255%；
Al2O35%；
黏土10%；
水玻璃30%。
4.如权利要求2所述的一种深海采油装备用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（2）中，步骤①的具体锻造步骤为：将坯料沿轴向镦粗→将镦粗的坯料沿直径方向镦拔→二次镦粗→二次镦拔→三次镦粗→三次镦拔→四次镦粗→四次镦拔。
5.如权利要求2所述的一种深海采油装备用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（2）中，步骤②的具体锻造步骤为：将坯料在束缚作用下沿轴向镦粗→将镦粗的坯料在束缚作用下沿直径方向镦拔→在束缚作用下二次镦粗→在束缚作用下二次镦拔→在束缚作用下三次镦粗→在束缚作用下三次镦拔→在束缚作用下四次镦粗→在束缚作用下四次镦拔。
6.如权利要求2所述的一种深海采油装备用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（3）中，所述正火处理具体包括以下步骤：将步骤（2）得到的二次锻造坯加热至1000±20℃并保温至少5小时后，出炉空冷至室温。
7.如权利要求2所述的一种深海采油装备用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（4）中，步骤①缓-急-缓梯度升温方式的具体步骤为：以不高于60℃/h的速度缓慢升温到600~650℃，然后保温3-5h；然后以不低于200℃/h的温度快速升温到900~950℃后保温3~5h；然后再以不高于50℃/h慢速升温到1150~1200℃，并保温2~3h。
8.如权利要求2所述的一种深海采油装备用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（4）中，步骤①水冷-空冷三次循环交替间歇淬火工艺中入水冷却时间t按照经验公式t=K×D来估算，式中，钢铁材料系数K为3~5s/mm，D为锻件的直径，单位为mm；空气冷却时间为入水冷却时间的5.0~10.0倍，开始时淬火的水温低于20℃，结束时淬火的水温低于50℃。
9.如权利要求2所述的一种深海采油装备用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（4）中，步骤①利用所述交替淬火工艺进行淬火热处理的过程中，水冷时对水进行搅拌处理，其中，水的搅拌流速不小于0.5m/s。
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