CN115747630B - 一种深海采油装备管道连接器用钢及其锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海采油装备管道连接器用钢，包括以下质量百分含量的元素组分，C：0.28‑0.33％；Si：0.15‑0.35％；Mn：0.70‑1.00％；P：0.010‑0.025％；S：0.010‑0.025％；Cr：0.80‑1.00％；Mo：0.35‑0.45％；Ni：0.75‑0.90％；Al：0.015‑0.030％；Cu：0.021‑0.35％；Nb：0.040‑0.060％；Ti：0.040‑0.060％；V：0.040‑0.060％。本发明还公开了一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法。本发明可以有效解决油气管道连接器锻件的锻造开裂和晶粒粗大的缺陷等系列问题。

Description

一种深海采油装备管道连接器用钢及其锻造方法

技术领域

本发明涉及一种深海采油装备管道连接器用钢及其锻造方法，属于深海高性能金属材料及其加工技术领域。

背景技术

油气管道连接器锻件是用于油气钻采的陆地井口装置及采油树装置、水下井口及采油树装置以及防喷器等钻通设备的关键部件。油气管道连接器在这些设备使用过程中面临着高温、高压、高含硫等恶劣的工作环境，这就要求其具有高强度、耐腐蚀、耐压、低温韧性和抗冲击性、抗疲劳等综合性能。目前，油气管道连接器主要采用8630锻件，该种锻件具备较高的硬度、屈服强度、抗拉强度、冲击韧性和延伸率等优点。然而，在8630锻造过程中存在各式各样的缺陷，如裂纹、晶粒粗大等内部缺陷。一方面锻造开裂使得8630锻件无法通过探伤检测，报废率升高。另一方面，晶粒粗大的存在，造成锻件的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性等力学性能大幅降低，最终导致锻件过早失效。

综上所述，本领域技术人员亟需研究在高温、高压、高含硫等多种恶劣工作环境、苛刻环境下的深海油气管道连接器锻件用钢及其锻造方法，用以解决油气管道连接器锻件的锻造开裂和晶粒粗大的缺陷等系列问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，本发明提供一种深海采油装备管道连接器用钢，该钢可用于苛刻的深海环境下。

同时，本发明提供一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，该方法可以有效解决油气管道连接器锻件的锻造开裂和晶粒粗大的缺陷等系列问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种深海采油装备管道连接器用钢，包括以下质量百分含量的元素组分，C：0.28-0.33％；Si：0.15-0.35％；Mn：0.70-1.00％；P：0.010-0.025％；S：0.010-0.025％；Cr：0.80-1.00％；Mo：0.35-0.45％；Ni：0.75-0.90％；Al：0.015-0.030％；Cu：0.021-0.35％；Nb：0.040-0.060％；Ti：0.040-0.060％；V：0.040-0.060％；B：0.0001-0.0005％；Ca：0.002-0.005％；H：≤2ppm；O：≤20ppm；N：≤100ppm和余量的Fe。

一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，包括以下步骤：

S1：冶炼：

1)备料：按上述成分配比进行备料并清洗烘干备用；

2)熔炼：采用电炉熔化、钢包精炼和真空脱气处理将备好的原料冶炼成钢水，获得液态钢水；

3)浇铸：将液态钢水在温度1650～1690℃维持25～45min，随后浇铸成形，获得坯料；

S2：锻造：包括锻前准备和三阶段锻造过程；

1)锻前准备：将S1获得的坯料放置于炉中加热至1260～1270℃，保温2～3小时，以备锻造；

2)锻造第一阶段：锻造温度1250～1050℃，锻造比10～10.8:1；

3)锻造第二阶段：锻造温度960～1050℃，锻造比7.6～8.4:1；

4)锻造第三阶段：锻造温度850～960℃，锻造比4.1～6.3:1；

S3：性能热处理：锻造后余热空冷至室温，再以100～125℃/h速率升温至620～710℃保温3.1～4.5h，然后再以60～80℃/h速率升温至860～890℃保温2.0～3.2h，随后利用余热空冷自至室温，获得深海采油装备管道连接器用钢。

3、根据权利要求2所述的一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，其特征在于：深海采油装备管道连接器用钢的碳当量≥0.77。

S1中，电炉熔化温度为1810～1850℃，熔化至所有元素完全化清；钢包精炼吹氩除杂，氩气搅拌强度为0.011～0.015m³/(t·min)；真空脱气的真空度为43～55Pa。

S1中，浇铸阶段，液态钢水在凝固成坯料的过程中，形成多成分的异质形核点和固液界面成分过冷区；

以多成分的异质形核点作为异质形核点，增加形核率，析出更多的能够抑制晶粒长大、细化晶粒的第二相粒子；

固液界面成分过冷区产生彼此互相生长并连接封闭起来的奥氏体枝晶，奥氏体枝晶阻碍多成分的异质形核点生长，细化晶粒。

多成分的异质形核点和第二相粒子均包括SiC、Cr₇C₃、Mo₂C和Cr₃Si。

细化后，晶粒度8-9级。

S2中，锻造第一阶段，Ni和Mn元素在锻造裂纹处偏聚并析出形成低熔点固溶体，低熔点固溶体用于重熔填补修复锻造裂纹。

低熔点固溶体包括Mn₂Ni和MnNi。

深海采油装备管道连接器用钢的抗拉强度Rm≥886MPa；屈服强度Rp 0.2≥708MPa；延伸率δ≥22％；断面收缩率ψ≥46％；冲击韧性AKV(-29℃)≥48J/cm²。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明的油气管道连接器锻件用钢，通过C、Si、Cr和Mo元素的特定配比，在凝固过程中，形成多成分的异质形核和固液界面成分过冷效果，使钢铁材料的显微组织明显细化，并且析出高强度第二相粒子进一步抑制晶粒长大，使晶粒细化程度更高(本发明，细化前晶粒度5-6级(8630国标)，细化后晶粒度8-9级)。其中异质形核效果的产生是由钢液中C、Si、Cr和Mo元素在高温下，形成高熔点SiC、Cr₇C₃、Mo₂C和Cr₃Si等碳化物和硅化物，作为异质形核点，增加形核率，显著降低晶粒大小。其中固液界面成分过冷效应则是由凝固过程中，C、Si、Cr和Mo元素难以完全溶于组织中的组成相，元素在固液相中的分配系数远小于1，造成溶质原子富集在固液界面处形成成分过冷区。成分过冷区的形成能促进奥氏体异质形核和离异共晶反应的发生，因此共晶奥氏体吸附在初晶奥氏体的枝晶上自由延伸，导致产生更多的奥氏体枝晶，彼此互相生长并连接封闭起来。这就使碳化物和硅化物的延伸受到抑制，不能继续择优生长，其形态的生长受阻，保持较小的异质形核点。

2.本发明的油气管道连接器锻件的锻造方法分三个阶段，锻造第一阶段采用高温高锻造比，锻造第二阶段采用中温中锻造比，锻造第三阶段采用低温低锻造比。该工艺能使材料在锻造第一阶段的高温和大应变所引起的高压双重作用下，材料内部粗大枝状晶(即奥氏体枝晶)被破碎，形成细小晶粒。同时，材料合金元素Ni和Mn元素扩散加剧，向锻造裂纹处偏聚，在裂纹处形成Ni和Mn聚集区，形成低熔点固溶体，主要成分为Mn₂Ni和MnNi混合物，并在该锻造温度下重熔填补修复锻造裂纹。锻造第二阶段在温度和应力作用下，将材料锻透锻实，让修复部位通过多次协同变形的方式降低内应力的同时促进偏聚元素的扩散，降低成分偏析。锻造第三阶段通过低温低变形的方式提高锻件的成形精度和锻造质量。

3.本发明的油气管道连接器锻件的锻后热处理可以促进材料中偏析元素进一步均匀化扩散，形成较为均匀组织，其中余热自回火可以一方面减少能源消耗，一方面可以通过余热辐射的方式进行自回火消除锻造内应力。

4.本发明的深海采油装备管道连接器用钢的抗拉强度Rm≥886MPa；屈服强度Rp0.2≥708MPa；延伸率δ≥22％；断面收缩率ψ≥46％；冲击韧性AKV(-29℃)≥48J/cm²，可用于苛刻的深海环境下。

附图说明

图1为本发明中第二相粒子的微观组织图；

图2为本发明中奥氏体枝晶和晶粒度的微观组织图；

图3为本发明中低熔点固溶体的结构表征图以及低熔点固溶体修复锻造裂纹的微观组织图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种深海采油装备管道连接器用钢，包括以下质量百分含量的元素组分和余量的Fe：

一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，包括以下步骤：

S1：冶炼：

1)备料：按本实施例的成分配比进行备料并清洗烘干备用；

2)熔炼：采用电炉熔化、钢包精炼和真空脱气处理将备好的原料冶炼成钢水；

3)浇铸：将液态钢水温度在1650℃维持25min，随后浇铸成形；

S2：锻造：包括锻前准备和三阶段锻造过程；

1)锻前准备：将S1冶炼好的深海采油装备管道连接器用钢为坯料，放置于炉中加热至1260℃，保温2小时，以备锻造；

2)锻造第一阶段：锻造温度1250℃，锻造比10:1；

3)锻造第二阶段：锻造温度1050℃，锻造比7.6:1；

4)锻造第三阶段：锻造温度960℃，锻造比4.1:1；

S3：性能热处理：以100℃/h速率升温至620℃保温3.1h，然后再以60℃/h速率升温至860℃保温2.0h，随后利用余热空冷自至室温。

合金体系的碳当量为0.77。

S1冶炼中电炉熔化温度为1810℃，熔化至所有元素完全化清。钢包精炼吹氩除杂，氩气搅拌强度为0.011m³/(t·min)。真空脱气的真空度为43Pa。

S2锻造步骤分为三个阶段，锻造第一阶段采用高温高锻造比，锻造第二阶段采用中温中锻造比，锻造第三阶段采用低温低锻造比。

S2锻造步骤分为三个阶段，锻造第一阶段Ni和Mn元素在裂纹处偏聚并析出形成低熔点固溶体。

S2锻造步骤分为三个阶段，锻造第二阶段通过多次协同变形的方式降低重熔修复锻造裂纹处内应力的同时促进偏聚元素的扩散，降低成分偏析。

S3性能热处理采用余热空冷方式。

如图1所示，本实施例在浇铸阶段，液态钢水在凝固成坯料的过程中，析出了高强度、高熔点的第二相粒子SiC、Cr₇C₃、Mo₂C和Cr₃Si等碳化物和硅化物。

如图2所示，本实施例在浇铸阶段，液态钢水在凝固成坯料的过程中，形成了彼此互相生长并连接封闭起来的奥氏体枝晶，使碳化物和硅化物的延伸受到抑制，细化晶粒，使晶粒度由细化前的5-6级细化为8-9级。

如图3所示，裂纹修复处(白色加号位置)能谱测试，主要元素为Mn和Ni，为低熔点固溶体，成分为Mn₂Ni和MnNi混合物。从图3可以明显看到，低熔点固溶体能够重熔填补修复锻造裂纹。

实施例2：

一种深海采油装备管道连接器用钢，包括以下质量百分含量的元素组分和余量的Fe：

一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，包括以下步骤：

S1：冶炼：

1)备料：按本实施例的成分配比进行备料并清洗烘干备用；

2)熔炼：采用电炉熔化、钢包精炼和真空脱气处理将备好的原料冶炼成钢水；

3)浇铸：将液态钢水温度在1670℃维持30min，随后浇铸成形；

S2：锻造：包括锻前准备和三阶段锻造过程；

1)锻前准备：将S1冶炼好的深海采油装备管道连接器用钢为坯料，放置于炉中加热至1265℃，保温2.5小时，以备锻造；

2)锻造第一阶段：锻造温度1150℃，锻造比10.5:1；

3)锻造第二阶段：锻造温度1000℃，锻造比8:1；

4)锻造第三阶段：锻造温度900℃，锻造比5:1；

S3：性能热处理：以115℃/h速率升温至680℃保温4h，然后再以70℃/h速率升温至875℃保温2.5h，随后利用余热空冷自至室温。

合金体系的碳当量为0.79。

S1冶炼中电炉熔化温度为1830℃，熔化至所有元素完全化清。钢包精炼吹氩除杂，氩气搅拌强度为0.013m³/(t·min)。真空脱气的真空度为50Pa。

S2锻造步骤分为三个阶段，锻造第一阶段采用高温高锻造比，锻造第二阶段采用中温中锻造比，锻造第三阶段采用低温低锻造比。

S2锻造步骤分为三个阶段，锻造第一阶段Ni和Mn元素在裂纹处偏聚并析出形成低熔点固溶体。

S2锻造步骤分为三个阶段，锻造第二阶段通过多次协同变形的方式降低重熔修复锻造裂纹处内应力的同时促进偏聚元素的扩散，降低成分偏析。

S3性能热处理采用余热空冷方式。

实施例3：

一种深海采油装备管道连接器用钢，包括以下质量百分含量的元素组分和余量的Fe：

一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，包括以下步骤：

S1：冶炼：

1)备料：按本实施例的成分配比进行备料并清洗烘干备用；

2)熔炼：采用电炉熔化、钢包精炼和真空脱气处理将备好的原料冶炼成钢水；

3)浇铸：将液态钢水温度在1690℃维持45min，随后浇铸成形；

S2：锻造：包括锻前准备和三阶段锻造过程；

1)锻前准备：将S1冶炼好的深海采油装备管道连接器用钢为坯料，放置于炉中加热至1270℃，保温3小时，以备锻造；

2)锻造第一阶段：锻造温度1050℃，锻造比10.8:1；

3)锻造第二阶段：锻造温度960℃，锻造比8.4:1；

4)锻造第三阶段：锻造温度850℃，锻造比6.3:1；

S3：性能热处理：以125℃/h速率升温至710℃保温4.5h，然后再以80℃/h速率升温至890℃保温3.2h，随后利用余热空冷自至室温。

合金体系的碳当量为0.78。

S1冶炼中电炉熔化温度为1850℃，熔化至所有元素完全化清。钢包精炼吹氩除杂，氩气搅拌强度为0.015m³/(t·min)。真空脱气的真空度为55Pa。

S2锻造步骤分为三个阶段，锻造第一阶段采用高温高锻造比，锻造第二阶段采用中温中锻造比，锻造第三阶段采用低温低锻造比。

S2锻造步骤分为三个阶段，锻造第一阶段Ni和Mn元素在裂纹处偏聚并析出形成低熔点固溶体。

S2锻造步骤分为三个阶段，锻造第二阶段通过多次协同变形的方式降低重熔修复锻造裂纹处内应力的同时促进偏聚元素的扩散，降低成分偏析。

S3性能热处理采用余热空冷方式。

对比例：

现有的8630锻件。其抗拉强度Rm为689MPa；屈服强度Rp 0.2为552MPa；延伸率δ为18％；断面收缩率ψ为35％；冲击韧性AKV(-29℃)为27J/cm²。由此可见，8630锻件的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性等力学性能较本发明的锻件均大幅降低，最终导致锻件过早失效。

实施例1～3与对比例的性能数据见下表1。

表1油气管道连接器锻件用钢锻件综合力学数据对比

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，其特征在于：包括以下质量百分含量的元素组分，C：0.28-0.33％；Si：0.15-0.35％；Mn：0.70-1.00％；P：0.010-0.025％；S：0.010-0.025％；Cr：0.80-1.00％；Mo：0.35-0.45％；Ni：0.75-0.90％；Al：0.015-0.030％；Cu：0.021-0.35％；Nb：0.040-0.060％；Ti：0.040-0.060％；V：0.040-0.060％；B：0.0001-0.0005％；Ca：0.002-0.005％；H：≤2ppm；O：≤20ppm；N：≤100ppm和余量的Fe；

锻造方法包括以下步骤：

S1：冶炼：

1)备料：按成分配比进行备料并清洗烘干备用；

2)熔炼：采用电炉熔化、钢包精炼和真空脱气处理将备好的原料冶炼成钢水，获得液态钢水；

3)浇铸：将液态钢水在温度1650～1690℃维持25～45min，随后浇铸成形，获得坯料；

S2：锻造：包括锻前准备和三阶段锻造过程；

1)锻前准备：将S1获得的坯料放置于炉中加热至1260～1270℃，保温2～3小时，以备锻造；

2)锻造第一阶段：锻造温度1250～1050℃，锻造比10～10.8:1；

3)锻造第二阶段：锻造温度960～1050℃，锻造比7.6～8.4:1；

4)锻造第三阶段：锻造温度850～960℃，锻造比4.1～6.3:1；

S3：性能热处理：锻造后余热空冷至室温，再以100～125℃/h速率升温至620～710℃保温3.1～4.5h，然后再以60～80℃/h速率升温至860～890℃保温2.0～3.2h，随后利用余热空冷自至室温，获得深海采油装备管道连接器用钢；

S2中，锻造第一阶段，Ni和Mn元素在锻造裂纹处偏聚并析出形成低熔点固溶体，低熔点固溶体用于重熔填补修复锻造裂纹；

低熔点固溶体包括Mn₂Ni和MnNi。

2.根据权利要求1所述的一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，其特征在于：深海采油装备管道连接器用钢的碳当量≥0.77。

3.根据权利要求1所述的一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，其特征在于：S1中，电炉熔化温度为1810～1850℃，熔化至所有元素完全化清；钢包精炼吹氩除杂，氩气搅拌强度为0.011～0.015m³/(t·min)；真空脱气的真空度为43～55Pa。

4.根据权利要求1所述的一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，其特征在于：S1中，浇铸阶段，液态钢水在凝固成坯料的过程中，形成多成分的异质形核点和固液界面成分过冷区；

以多成分的异质形核点作为异质形核点，增加形核率，析出更多的能够抑制晶粒长大、细化晶粒的第二相粒子；

固液界面成分过冷区产生彼此互相生长并连接封闭起来的奥氏体枝晶，奥氏体枝晶阻碍多成分的异质形核点生长，细化晶粒。

5.根据权利要求4所述的一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，其特征在于：多成分的异质形核点和第二相粒子均包括SiC、Cr₇C₃、Mo₂C和Cr₃Si。

6.根据权利要求4所述的一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，其特征在于：细化后，晶粒度8-9级。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种深海采油装备管道连接器用钢的锻造方法，其特征在于：深海采油装备管道连接器用钢的抗拉强度Rm≥886MPa；屈服强度Rp 0.2≥708MPa；延伸率δ≥22％；断面收缩率ψ≥46％；冲击韧性AKV(-29℃)≥48J/cm²。