一種深海采油樹關(guān)鍵部件用鋼鍛件的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種深海采油樹關(guān)鍵部件用鋼鍛件的制造方法，屬于金屬鍛造與熱處 理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 海洋油氣資源的開發(fā)能力由海洋油氣開發(fā)裝備的先進(jìn)性所決定，研制擁有我國(guó)自 主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋油氣勘探開發(fā)裝備，是推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，保障我國(guó)能源安全的有效途徑。我 國(guó)石油鉆采裝備制造企業(yè)在幾十年的陸地裝備研制過程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為海洋石油 水上裝備設(shè)計(jì)制造奠定了基礎(chǔ)，己實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。但是，目前我國(guó)的部分海洋石油 鉆采裝備的國(guó)產(chǎn)化使用程度僅適用于300米W上的淺海海域，對(duì)于2000米W上的深海海域， 我國(guó)在深海油田鉆采裝備的技術(shù)方面與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大的差距，尤其是油氣 資源儲(chǔ)存量巨大的南海海域的鉆采裝備的關(guān)鍵設(shè)備仍然需要進(jìn)口。
[0003] 深海采油樹設(shè)備是一種在具有強(qiáng)腐蝕性的海底環(huán)境下運(yùn)行的采油(氣)設(shè)備，其接 觸的工作介質(zhì)也具有高溫、高壓及高腐蝕的特性。惡劣的工況及環(huán)境條件對(duì)材料的冶金、機(jī) 械加工、熱處理、焊接、防腐及密封等性能提出很高的要求，因此其材料的設(shè)計(jì)必須參照相 關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行。
[0004] 目前，深海采油樹用鋼主要為低合金高強(qiáng)鋼材料F22USTM A182)dF22材質(zhì)中均含 有相當(dāng)量的銘、鋼、饑，運(yùn)些元素不僅能顯著改善鋼材的澤透性，同時(shí)還能在高溫?zé)崽幚頃r(shí) 防止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，使得水下采油樹厚壁零部件(如樹本體）的調(diào)質(zhì)性能大為改善，進(jìn)而 確保材料不僅具有優(yōu)良的切削加工性能，還保證材料從外表面到中屯、部兼具優(yōu)良的低溫初 性及高低溫疲勞強(qiáng)度，W抵抗低溫海水與高溫生產(chǎn)介質(zhì)產(chǎn)生的溫度落差熱疲勞。但是采用 常規(guī)鍛造手段處理F22會(huì)出現(xiàn)難W鍛透的現(xiàn)象，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，性能上也難W滿足深海采油樹用鋼所需要的低溫初性及高 低溫疲勞強(qiáng)度。因此，期望一種深海采油樹關(guān)鍵部件用鋼及其鍛造方法來(lái)解決上述問題。

【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，提供一種能耗低、鋼材利用率高、生 產(chǎn)成本低、勞動(dòng)條件好的深海采油樹關(guān)鍵部件用鋼鍛件的制造方法，鍛造出來(lái)的材料能達(dá) 到深海采油所需要的耐腐、耐壓、抗沖擊要求指標(biāo)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種深海采油樹關(guān)鍵部件用鋼鍛件的制造方法，其特征在 于，采用特種鋼材為原料，在中頻電爐中冶煉成優(yōu)質(zhì)鋼水，然后在液壓機(jī)上進(jìn)行液態(tài)模鍛， 并在120(TC進(jìn)行脫模，脫模后立即采用自由鍛+束縛鍛終鍛成型，具體步驟如下：
[0007] (1)配料:采用F22合金鋼和化-(?中間合金為原料，按重量10:1進(jìn)行配料；
[000引（2)冶煉:采用中頻電爐將原料冶煉成優(yōu)質(zhì)鋼水；
[0009] (3)液態(tài)模鍛:將冶煉好的鋼水倒入充滿氮?dú)獾臍鈮赫T鑄保溫爐內(nèi)進(jìn)行保溫;再將 保溫爐內(nèi)鋼水誘鑄到液態(tài)模鍛機(jī)模具中進(jìn)行液態(tài)模鍛，誘鑄前要將模具進(jìn)行預(yù)熱至300~ 400°C，當(dāng)巧件溫度在1200°C時(shí)立即脫模；
[0010] (4)終鍛成型:將脫模后的高溫巧件立即采用自由鍛鐵粗-拔長(zhǎng)-二次鐵粗-二次拔 長(zhǎng);然后再采用自由鍛在徑向束縛條件下鐵粗-拔長(zhǎng)-二次鐵粗-二次拔長(zhǎng)；
[0011] (5)性能熱處理:利用束縛鍛造后的鍛巧溫度進(jìn)行水冷-空冷交替循環(huán)兩次澤火， 然后再回火-水冷，得到深海采油樹關(guān)鍵部件用鋼鍛件。
[0012] 進(jìn)一步地，上述步驟(2)中，鋼水冶煉完畢后，進(jìn)行吹氣凈化。
[0013] 進(jìn)一步地，上述步驟(3)中，所述液態(tài)模鍛機(jī)模具采用內(nèi)層為高溫合金的復(fù)合模 具，誘鑄過程中用循環(huán)水冷卻模具，通過調(diào)節(jié)冷卻水流量、壓力使模具溫度控制在50(TCW 內(nèi)。
[0014] 進(jìn)一步地，上述步驟(4)中，采用自由鍛進(jìn)行初次鍛造得到一次鍛造巧，鍛造始鍛 溫度為1200°(：，終鍛溫度為800°(：，鍛造比大于3.5:1。
[0015] 進(jìn)一步地，上述步驟(4)中，采用自由束縛鍛再次進(jìn)行鍛造，得到二次鍛造巧，鍛造 始鍛溫度為115(TC，終鍛溫度為950°C，鍛造比大于3:1。
[0016] 進(jìn)一步地，上述步驟(5)中，水冷-空冷交替循環(huán)兩次澤火，入水冷卻時(shí)間t按照經(jīng) 驗(yàn)公式t = KXD來(lái)估算，式中，鋼鐵材料系數(shù)K為1~4s/mm，D為鍛件的直徑，單位mm;空氣冷 卻時(shí)間為入水冷卻時(shí)間的5.0~20.0倍，開始時(shí)澤火的水溫低于20°C，結(jié)束時(shí)澤火的水溫低 于50°C。
[0017] 進(jìn)一步地，上述步驟(5)中，水冷-空冷交替循環(huán)兩次澤火，水冷時(shí)對(duì)水進(jìn)行攬拌處 理，其中，水的攬拌流速不小于0.5m/s。
[0018] 進(jìn)一步地，上述步驟(5)中，對(duì)澤火后的二次鍛造巧采用在650°C、保溫化回火-水 冷至室溫-再650°C、保溫化回火-再水冷至室溫的二次回火處理。
[0019]本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：
[0020] 1.烙煉鋼鐵選F22合金鋼和化-(?中間合金為原料，其在凝固過程中Ga較早凝固出 來(lái)，成為鋼材凝固過程形核點(diǎn)，增加形核率，降低晶粒尺寸；同時(shí)在完全凝固后，Ga聚集在晶 界處，阻礙了晶粒的進(jìn)一步生長(zhǎng)，降低了晶粒尺寸，進(jìn)一步提高材料的綜合力學(xué)性能。此外， 在后期的束縛自由鍛過程中，將晶界處的Ga-Fe金屬間化合物揉碎并均勻分布于材料內(nèi)部， 即提高了合金的耐蝕性，又大幅提高材料的綜合力學(xué)性能，尤其是低溫初性。
[0021] 2.鍛造工藝采用液態(tài)模鍛結(jié)合束縛鍛的復(fù)合鍛造工藝，在液態(tài)模鍛時(shí)，施加壓力， 是的液態(tài)金屬凝固時(shí)不僅可W成型而且組織狀態(tài)明顯優(yōu)于普通鑄造組織，將鑄態(tài)金屬中疏 松、空隙和裂紋等原始缺陷最大程度地降低，提高了金屬的致密度和連續(xù)性。此外，在后繼 的自由鍛+束縛鍛中將液態(tài)模鍛中較粗大組織W及在晶界處的Ga-Fe金屬間化合物揉碎、樣 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 巧料變形方向變化多，鋼錠屯、部金屬向外流動(dòng)，有效地破碎了鋼錠中屯、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)熱處理的澤火過程中，避免鍛組織缺陷引發(fā)的澤火應(yīng)力集中裂紋或由此而引起的 澤火開裂，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。
[0022] 3.水冷-空冷兩次循環(huán)交替間歇澤火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，可W保證在高溫階段水 冷卻達(dá)到快速降溫W提高材料的力學(xué)性能，隨后空冷減緩冷卻速度，運(yùn)樣來(lái)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，防止了鍛件的澤火開裂和內(nèi)裂，同時(shí)也獲得均勻細(xì) 小澤火組織。
[0023] 4.本發(fā)明材料利用率高，耗能低(除回火外中間不需要再加熱），生產(chǎn)周期短，生產(chǎn) 成本低，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，改善勞動(dòng)條件。W上工藝過程是由若干單機(jī)組合在一條流水生 產(chǎn)線上完成整個(gè)生產(chǎn)過程，單機(jī)(工序)之間可用機(jī)械手、傳送帶自動(dòng)傳遞巧件。巧料無(wú)須反 復(fù)加熱，節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色制造。
[0024] 綜上所述，本發(fā)明的深海采油樹關(guān)鍵部件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(lái)，即液態(tài)模鍛結(jié)合自由鍛+束縛鍛的復(fù)合鍛造工藝 結(jié)合水冷-空冷兩次次循環(huán)交替間歇澤火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，不僅有效地防止了形狀復(fù)雜 的大鍛件澤火開裂，而且制造的深海采油樹關(guān)鍵部件用鋼鍛件的抗腐蝕性和綜合力學(xué)性能 尤其是低溫初性大幅度提高，能很好地適用于深海低溫工況環(huán)境。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的制造方法獲得深海采油樹關(guān)鍵部件用鋼鍛件的沈Μ圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。W下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能W此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027] 實(shí)施例1:
[002引（1)配料:選F22合金鋼和化-(?中間合金為原料，按重量(wt.%)10:l進(jìn)行配料；
[0029] (2)冶煉:采用中頻電爐將原料冶煉成優(yōu)質(zhì)鋼水，冶煉過程中，對(duì)鋼水的化學(xué)成分 進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格即為優(yōu)質(zhì)鋼水;檢驗(yàn)不合格的通過對(duì)含量不足的化學(xué)成分進(jìn)行添 加，含量過量的化學(xué)成分進(jìn)行稀釋等方式進(jìn)行調(diào)整，直到鋼水的化學(xué)成分達(dá)到要求，即成為 優(yōu)質(zhì)鋼水，鋼水冶煉完畢后，進(jìn)行吹氣凈化，提高鋼水純凈度；
[0030] (3)液態(tài)模鍛:將冶煉好的鋼水倒入充滿氮?dú)獾臍鈮赫T鑄保溫爐內(nèi)進(jìn)行保溫;再將 保