CN105671431B - 一种深海采油设备阀座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设备阀座用钢及其锻件的制造方法，包括以下步骤：以一种专用钢材为坯料，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，然后再采用自由锻加模具锻的复合锻造方式对坯料进行锻造，得到阀座的二次锻坯；对阀座锻坯进行正火，并采用冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺对阀座锻坯进行淬火热处理；将经过淬火热处理后的阀座锻件加热至675~690℃并保温至少10小时，出炉空冷至室温，即得到深海采油设备阀座用钢锻件。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设备阀座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

一种深海采油设备阀座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设备阀座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
我国南海具有丰富的油气资源，其地质储量达230亿～300亿吨，其中75％位于深海区域。针对深海中的油气资源，就需要用到深海采油设备将油气资源顺利开采上来。在深海采油设备中存在着大量各种类型的阀门，其中包括：闸阀、节流阀、旋塞阀、止回阀、节流阀、紧急切断阀等。由此可见，阀门是深海采油设备组成的一个重要部分。阀座恰恰又是阀门所有部件和管线的承载体，要求具有良好的力学性能来承载起阀门和管线。
另一方面，深海采油的环境较为苛刻，采油设备往往要面临着环境脏(泥浆多)、腐蚀强(各类腐蚀性气体和液体)、压力高(通常需要面对35MPa～69MPa的压力)以及温度低(工作温度为-50℃左右)等工作环境。作为采油设备的重要组成的阀门和阀座就需要具有良好的抗腐蚀、抗压力和低温力学性能，尤其是阀座作为承重单位还必须具有良好的低温韧性。目前，国际上制造深海采油设备阀座材料通常选用AISI4130(MOD)，该材料属于中等淬透性低合金结构钢，加上阀座尺寸较大，结构较复杂，存在多个圆方过渡界面，往往在水冷淬火时会因为冷却速度过大而出现内应力过大，导致阀座淬裂。此外，由于阀座尺寸较大，往往不容易锻透，造成偏析、疏松和锁孔在锻造过程中无法消除，在后继热处理过程中，会在这些缺陷部位造成应力集中，导致阀座发生开裂或者降低其有效承载能力。因此，使用常规的锻造工艺来处理AISI4130(MOD)材料制造深海阀座无法保证产品的成功率和合格率，尤其是阀座的低温韧性达不到要求，无法保证其在深海采油设备中的使用寿命。因此，期望能够采用一种新的制造方法来处理AISI4130(MOD)材料，使其性能能够满足深海采油环境的需求，解决上述问题。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种深海采油设备阀座用钢及其锻件的制造方法，制造的深海采油设备阀座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。
本发明的技术方案为：一种深海采油设备阀座用钢，其特征在于，所述钢各成分及其质量百分比含量为：
本发明还提供了一种深海采油设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以上述的一种深海采油设备阀座用钢为坯料，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，然后再利用自由锻方法对所述坯料进行热锻，得到阀座一次锻造坯；
(2)对步骤(1)得到的阀座一次锻造坯回炉加热，然后采用模具锻造方法进行热锻，得到阀座二次锻造坯；
(3)对步骤(2)得到的阀座二次锻造坯进行正火处理；
(4)对步骤(3)得到的阀座二次锻造坯利用冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理；
(5)将经过步骤(4)处理后的阀座锻件加热至675～690℃并保温至少10小时，出炉空冷至室温，即得到所述深海采油设备阀座用钢锻件。
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(1)中，所述自由锻造方法包括以下步骤：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，所述模具锻造方法包括以下步骤：将坯料加热到1100±10℃，并保温至少3小时→装模，锻造成型。
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)得到的阀座锻坯加热至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，所述冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺具体包括以下步骤：将步骤(3)正火处理后的阀座二次锻造坯加热至淬火温度并保温，出炉，然后依次进行入冰水冷却—出水空冷—再入沸水冷却—最后再普通水冷却至室温，其中第一次入冰水冷却时间t按照经验公式t＝K×D来估算，式中，钢铁材料系数K为0.6～1.0s/mm，D为阀座锻件的直径，单位mm；空气冷却时间为第一次入冰水冷却时间的2.0～3.0倍；入沸水冷却时间为第一次入冰水冷却时间的1.5～2.5倍；最后普通水冷时间为第一次入冰水时间的20～50倍。
进一步地，上述步骤(4)中，所述冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺之前，将步骤(3)得到的阀座锻坯加热至900±20℃并保温至少4小时后，降温至850±20℃保温至少3小时。
进一步地，上述步骤(4)中，利用所述冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理的过程中，开始时淬火的水温低于5℃，结束时淬火的水温低于40℃。
进一步地，上述步骤(4)中，利用所述冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理的过程中，两次水冷的过程中，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.本发明深海采油设备阀座用钢的各成分中，铬、镍和钼成分范围较AISI4130(MOD)范围要高，这在后期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钆元素，一方面钆元素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，在锻造过程中钆与铁在晶界处形成的Gd-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.在钢铁材料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铁材料表面生成氧化皮，以及锻造过程中材料表面碳元素的损失，使得钢铁材料的成分稳定，性能得到保障。
3.锻造工艺采用自由锻结合模具锻的复合锻造工艺，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；随后再用模具锻锻造过程中，利用模具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.冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火的调质热处理工艺，所采用的高温阶段冰水冷却达到快速降温以提高材料的力学性能，随后空冷—沸水冷却—普通水冷进一步的减缓冷却速度，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，在阀座截面尺寸不同的圆与圆和圆与方的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，本发明的深海采油设备阀座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，即自由锻结合模具锻的复合锻造工艺结合冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段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设备阀座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设备阀座用钢锻件的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)根据深海采油设备阀座的尺寸，选择合适的钢铁坯料。所述钢铁材料包括以下质量百分比(wt.％)的各组分：
根据所需要结构件尺寸，选择5.4吨的八角梅花锭，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，玻璃状涂层主要成分为(wt.％)：50％SiO2+2％Al2O3+3％CaO+15％黏土+30％水玻璃。然后进炉加热至1300℃保温3小时出炉，在35MN的自由锻快锻油压机上压钳把，倒棱。沿轴向镦粗至高径比为0.84(镦粗后的高度为800mm)。剁切钳把，用600mm宽上下平砧沿钢锭径向拔长，变形量为20～25％，反复四次。
(2)对步骤(1)得到的阀座一次锻造坯回炉加热到1120℃，并保温3小时，然后采用模具锻进行热锻，模具尺寸为50mm×50mm×50mm。
(3)对步骤(2)得到的阀座二次锻造坯进行正火处理：加热至1020℃并保温5小时后，出炉空冷至室温。
(4)对步骤(3)得到的阀座毛坯加热至920℃并保温4小时后，降温至870℃保温3小时后，然后利用冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理；具体工艺为：冰水冷却1分钟30秒—空气冷却3分钟0秒—沸水冷却2分钟15秒—普通水冷450分钟左右。
(5)将经过步骤(4)处理后的阀座锻件加热至675℃并保温24小时，出炉空冷至室温，即得到所述深海采油设备阀座用钢锻件。
实施例2：
(1)根据深海采油设备阀座的尺寸，选择合适的钢铁坯料。所述钢铁材料包括以下质量百分比(wt.％)的各组分：
根据所需要结构件尺寸，选择5.4吨的八角梅花锭，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，玻璃状涂层主要成分为(wt.％)：50％SiO2+2％Al2O3+3％CaO+15％黏土+30％水玻璃。然后进炉加热至1300℃保温3小时出炉，在35MN的自由锻快锻油压机上压钳把，倒棱。沿轴向镦粗至高径比为0.84(镦粗后的高度为800mm)。剁切钳把，用600mm宽上下平砧沿钢锭径向拔长，变形量为20～25％，反复四次。
(2)对步骤(1)得到的阀座一次锻造坯回炉加热到1120℃，并保温3小时，然后采用模具锻进行热锻，模具尺寸为50mm×50mm×50mm。
(3)对步骤(2)得到的阀座二次锻造坯进行正火处理：加热至1000℃并保温10小时后，出炉空冷至室温。
(4)对步骤(3)得到的阀座毛坯加热至900℃并保温6小时后，降温至850℃保温5小时后，然后利用冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理；具体工艺为：冰水冷却3分钟45秒—空气冷却9分钟38秒—沸水冷却7分钟05秒—普通水冷300分钟左右。
(5)将经过步骤(4)处理后的阀座锻件加热至680℃并保温15小时，出炉空冷至室温，即得到所述深海采油设备阀座用钢锻件。
实施例3：
(1)根据深海采油设备阀座的尺寸，选择合适的钢铁坯料。所述钢铁材料包括以下质量百分比(wt.％)的各组分：
根据所需要结构件尺寸，选择5.4吨的八角梅花锭，在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，玻璃状涂层主要成分为(wt.％)：50％SiO2+2％Al2O3+3％CaO+15％黏土+30％水玻璃。然后进炉加热至1300℃保温3小时出炉，在35MN的自由锻快锻油压机上压钳把，倒棱。沿轴向镦粗至高径比为0.84(镦粗后的高度为800mm)。剁切钳把，用600mm宽上下平砧沿钢锭径向拔长，变形量为20～25％，反复四次。
(2)对步骤(1)得到的阀座一次锻造坯回炉加热到1120℃，并保温3小时，然后采用模具锻进行热锻，模具尺寸为50mm×50mm×50mm。
(3)对步骤(2)得到的阀座二次锻造坯进行正火处理：加热至980℃并保温15小时后，出炉空冷至室温。
(4)对步骤(3)得到的阀座毛坯加热至880℃并保温8小时后，降温至830℃保温7小时后，然后利用冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理；具体工艺为：冰水冷却5分钟26秒—空气冷却16分钟23秒—沸水冷却13分钟09秒—普通水冷100分钟左右。
(5)将经过步骤(4)处理后的阀座锻件加热至690℃并保温10小时，出炉空冷至室温，即得到所述深海采油设备阀座用钢锻件。
经过上述制造方法获得深海采油设备阀座用钢锻件综合力学数据对比：
表1深海采油设备阀座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。制造的深海采油设备阀座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 (10)

1.一种深海采油设备阀座用钢，其特征在于，所述钢各成分及其质量百分比含量为：
碳 0.28~0.33；
硅 0.15~0.35；
锰 0.40~0.60；
硫 ≤0.040；
磷 ≤0.035；
铬 1.10~1.80；
镍 ≤0.030；
铜 ≤0.030；
钼 0.25~0.35；
钆 0.20～0.40
铁 余量。
2.一种深海采油设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以一种深海采油设备阀座用钢为坯料，所述钢各成分及其质量百分比含量为：
碳 0.28~0.33；
硅 0.15~0.35；
锰 0.40~0.60；
硫 ≤0.040；
磷 ≤0.035；
铬 1.10~1.80；
镍 ≤0.030；
铜 ≤0.030；
钼 0.25~0.35；
钆 0.20～0.40
铁 余量，
在坯料表面涂覆一层玻璃状涂层，然后再利用自由锻方法对所述坯料进行热锻，得到阀座一次锻造坯；
（2）对步骤（1）得到的阀座一次锻造坯回炉加热，然后采用模具锻造方法进行热锻，得到阀座二次锻造坯；
（3）对步骤（2）得到的阀座二次锻造坯进行正火处理；
（4）对步骤（3）得到的阀座二次锻造坯利用冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理；
（5）将经过步骤（4）处理后的阀座锻件加热至675~690℃并保温至少10小时，出炉空冷至室温，即得到所述深海采油设备阀座用钢锻件。
3.如权利要求2所述的一种深海采油设备阀座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：
SiO2 50%；
Al2O3 2% ；
CaO 3%；
黏土 15%；
水玻璃 30%。
4.如权利要求2所述的一种深海采油设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（1）中，所述自由锻造方法包括以下步骤：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设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（2）中，所述模具锻造方法包括以下步骤：将坯料加热到1100±10℃，并保温至少3小时→装模，锻造成型。
6.如权利要求2所述的一种深海采油设备阀座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）得到的阀座锻坯加热至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设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（4）中，所述冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺具体包括以下步骤：将步骤（3）正火处理后的阀座二次锻造坯加热至淬火温度并保温，出炉，然后依次进行入冰水冷却—出水空冷—再入沸水冷却—最后再普通水冷却至室温，其中第一次入冰水冷却时间t按照经验公式t=K×D来估算，式中，钢铁材料系数K为0.6~1.0 s/mm，D为阀座锻件的直径，单位mm；空气冷却时间为第一次入冰水冷却时间的2.0~3.0倍；入沸水冷却时间为第一次入冰水冷却时间的1.5~2.5倍；最后普通水冷时间为第一次入冰水时间的20~50倍。
8.如权利要求2所述的一种深海采油设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（4）中，所述冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺之前，将步骤（3）得到的阀座锻坯加热至900±20℃并保温至少4小时后，降温至850±20℃保温至少3小时。
9.如权利要求2所述的一种深海采油设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（4）中，利用所述冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理的过程中，开始时淬火的水温低于5℃，结束时淬火的水温低于40℃。
10. 如权利要求2所述的一种深海采油设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，上述步骤（4）中，利用所述冰水冷却—空气冷却—沸水冷却—普通水冷四段间歇淬火工艺进行淬火热处理的过程中，两次水冷的过程中，对水进行搅拌处理，其中，水的搅拌流速不小于0. 5 m/s。
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