摘 要:針對某深水管道連接器 A694F65鋼沖洗壓力帽鍛件,在滿足標準要求的前提下,設計了 兩種不同化學成分即合金元素存在微量差異的鍛材方案,采用相同的鍛造和熱處理工藝進行加工制 造,對兩種鍛件產品進行力學性能測試和金相檢驗。結果表明:為保證可焊性,在考慮碳當量的同時, 降低碳、錳含量,提高鉻、鎳和鉬等合金元素含量,鍛件的顯微組織為所需的貝氏體+鐵素體,非金屬 夾雜物含量較低,材料強度滿足產品設計要求;鍛件低溫沖擊韌度滿足產品設計要求,在-46 ℃和 -18℃溫度下的沖擊韌度測試結果差異較大,隨著測試溫度的升高,沖擊韌度測試結果的穩(wěn)定性提升。 

關鍵詞:深水管道連接器;化學成分;鍛件;力學性能;沖擊韌度 

中圖分類號:TG115                                          文獻標志碼:A                                           文章編號:1001-4012(2022)03-0018-05

水下生產系統(tǒng)已成為一種主流的深水油氣開發(fā) 系統(tǒng)[1]。我國關于水下生產系統(tǒng)的研究起步較晚,目 前海上油氣田所用的水下設備多依賴于進口,設備采 購和維護成本高,供貨周期長,極大限制了我國海洋 石油工業(yè)的發(fā)展。深水管道連接器是深水油氣資源 開發(fā)的關鍵器械之一[2-3],該器械具有安裝便捷、可靠 性高等特點[4-5]。管道連接器按工作原理可分為螺栓 法蘭式、卡箍式和卡爪式三類[6-10],其中,卡箍式連接 器因結構簡單、體積小、連接可靠性高、安裝和拆卸簡便,應用最廣泛[11]。深水管道連接器的核心部件一 般采用鍛件,因為鍛件的力學性能一般優(yōu)于相同材料 鑄件的力學性能。與陸地用鍛件相比,水下用鍛件對 材料的力學性能和穩(wěn)定性要求更高[12],同時需兼顧 其易加工性、易焊接性和經濟性等多方面因素[13]。

ASTM A694/A694M - 2016 Standard SpecificationforCarbonandAlloySteelForgings forPipeFlanges,Fittings,Valves,andPartsfor High-pressureTransmissionService 標 準 只 對 水 下用鍛件的碳、硅、錳、磷和硫元素進行了非常寬泛 的范圍限制,DNVGL-RP-0034SteelForgingsfor SubseaApplications僅對有害 元 素 和 殘 余 元 素 進 行了限制,其 余 元 素 的 限 制 參 照ISO10423:2009 (Modified ) Petroleum and Natural Gas Industries-Drilling and Production EquipmentWellheadandChristmasTreeEquipment 和ISO 13628-4(Identical) Design and Operation of Subsea Production Systems-Part 4: Subsea WellheadandTreeEquipment的設計準則。深水 管道連接器核心部件的化學成分設計需綜合考慮強 度、韌性、焊接性、耐蝕性、抗疲勞性和經濟成本等方 面,其材料普遍為非標材料或改良材料。

某盲孔結構深水管道連接器 A694F65鋼沖洗 壓力帽鍛件的壁厚約為73.3cm(22in),其結構示 意見圖1,在其化學成分滿足 ASTM A694/A694M -2016及 DNVGL-RP-0034標準對水下用鍛件的 技術要求的前提下,筆者設計了兩種不同化學成分 即合金元素存在微量差異的沖洗壓力帽鍛件,采用 相同的鍛造和熱處理工藝進行加工制造,對兩種設 計成分的鍛件成品進行力學性能測試和金相檢驗, 以驗證設計的合理性。 

1 試驗材料與方法 

1.1 試驗材料 

深水管道連接器沖洗壓力帽鍛件采用的材料牌號為 A694F65,鍛件的使用溫度為3 ℃,其尺寸如 圖2所示,A 為加長取樣段,其壁厚為205 mm,加 長長度為325mm。鍛件的制造工藝流程為鋼錠冶 煉→鋼錠鋸切下料→鍛造→粗加工→熱處理正火→ 熱處理淬火+回火→取樣→力學性能測試。

在考慮焊接性能的前提下,即按照現場焊接工 藝規(guī)程,碳當量必須小于0.45,化學成分有兩種不 同的設計方向:一種為高碳、高錳的普通碳錳鋼,記 為1號試樣;另一種為低碳、降錳,少量添加鉻、鎳和 鉬合金元素,來提高材料強度,記為2號試樣。兩種 試樣的化學成分見表1。 

相比1號試樣,2號試樣的成分設計考慮到碳、 錳含量降低會引起強度下降,碳含量降低會造成強 度下降,可以通過添加鉻、鎳和鉬合金化元素來補 償。鎳含量的增加不僅能使材料的屈服強度提高, 同時也能改善其韌性,特別是低溫韌性。鉻元素可 改善材料的淬透性,鉬元素能促進細晶粒的形成,并 且提高材料的強度和延展性。通過同時添加鎳和鉬 元素,不僅可以提高材料的淬透性,促進貝氏體的形 成,也可以提高材料的韌性,抑制回火脆性。 

A694-F65鋼鍛件的顯微組織由鐵素體+珠光 體、上貝氏體和粒狀貝氏體組成。鍛件由表面至心 部隨著深度的增加,晶粒尺寸略微變大,這是因為鍛 件表面發(fā)生了較大的鍛造變形,在熱處理過程中的 淬火冷卻時,鍛件表面至心部的冷卻速率不同,鍛件 表面至心部的組織變化為鐵素體+珠光體數量增 加、貝氏體數量減少。理論上,晶粒尺寸的細化和上 貝氏體數量的大幅下降可以提高材料的韌性。但鍛 件近表面晶粒細化所帶來的韌性改進效果被高含量 的貝氏體帶來的劣勢抵消了,鍛件心部貝氏體含量 低所帶來的優(yōu)勢被心部晶粒度較高帶來的劣勢抵消 了,這也可以用于解釋鍛件不同深度的沖擊性能偏 差很小。

1.2 鍛件試樣的加工工藝

1.2.1 鋼錠冶煉

兩種設計成分的試樣原材料均為5.5t鋼錠,經 過 EBT(電爐)+LF(精煉爐)+VD(真空爐)冶煉, 澆注方式為偏心底出鋼澆注,材料通過二次精煉以 及真空脫氣,充分鎮(zhèn)靜、凝固后進行退火處理。

1.2.2 鍛造工藝 

對鋼錠帽口與澆口進行充分鋸切后,坯料鍛造 按照橫向、縱 向 反 復 3 次 變 形,始 鍛 溫 度 控 制 在 1150~1200 ℃,終鍛溫度控制在850℃以上,總鍛 造比大于6∶1,鍛后緩冷至室溫,以消除應力。

1.2.3 熱處理工藝

因產品有效截面較厚,在鍛造熱加工空冷至室 溫后進行粗加工,隨后采用正火處理(960 ℃+保溫 5.5h,空冷)以消除鍛件中的帶狀組織,以達到組織 均勻化和細化晶粒的目的。 

試樣經正火空冷至室溫,其溫度低于204 ℃后 可進行調質處理(920 ℃+保溫5.5h,水淬),水淬 嚴 格 按 照 APIRP-6HT-2013 HeatTreatment andTestingofCarbonandLowAlloySteelLarge CrossSectionandCriticalSectionComponents 要 求的控制轉移速度和冷卻效果,采用高壓循環(huán)水泵 連接特殊管路進行強制水循環(huán)冷卻,隨后進行回火 處理(550 ℃+保溫6.0h,空冷)。在回火過程中需 增加中間保溫段(350 ℃+保溫4.0h),使得富碳的 殘余奧氏體提前分解,以減小顯微組織的內應力。 1號和2號試樣經如上工藝加工后,分別記為1號 鍛件試樣和2號鍛件試樣。 

2 試驗結果與分析 

2.1 鍛件試樣的力學性能 

按照 DNVGL-RP-0034標準,對兩種鍛件試樣 進行全截面(1/4t,1/2t,3/4t,t為最大壁厚)的力學 性能測試,結果如圖 3~8 所示,圖中 L 表示縱截面,T 表示橫截面。

由圖3~8可見,2號鍛件試樣的力學性能比1 號鍛件試樣的有顯著提高,鍛件試樣全截面的力學 性能相對均勻,且其淬透性均滿足需求。在相同的 回火溫度條件下,鉻、鎳和鉬元素發(fā)揮其基體強化及 耐高溫回火的特性,保證了鍛件試樣的屈服強度滿足450MPa。

按 照 ASTM A370 - 2017 Standard Test Methodsand Definitionsfor MechanicalTesting ofSteelProducts 標 準 進 行 V 型 缺 口 沖 擊 試 驗 (-46 ℃),結果如圖9和圖10所示,可見2號鍛件 試樣的低溫沖擊韌性表現出較大的波動性,其中部分數值低于標準所要求的最小值。

為研究鍛件試樣的低溫沖擊韌性,再次對鍛件 試樣相同深度的毗鄰位置取樣進行沖擊試驗,提高 低 溫 沖 擊 溫 度 至 該 沖 洗 壓 力 帽 的 設 計 溫 度 (-18 ℃),結果見圖11和圖12。在提高沖擊試驗 溫度至沖洗壓力帽的最低設計溫度后,兩種鍛件試 樣的沖擊功值穩(wěn)定性提升。滿足該水下連接器沖洗 壓力帽的設計要求。

2.2 鍛件試樣的顯微組織

在鍛件剖面截取試樣,按照 ASTM E381-2017 StandardMethod of MacroetchTesting SteelBars, Billets,Blooms,andForgings標準,對鍛件試樣的 整體截面進行宏觀檢驗,未見典型缺陷。

按照 ASTM E407-2007(R2015)Standard PracticeforMicroetchingMetalsandAlloys標準, 觀察鍛件試樣的顯微組織。1號鍛件試樣與2號鍛件試樣的組織均為鐵素體+粒狀貝氏體,如圖13所 示。參 考 ASTM E112 - 2013 Standard Test MethodsforDetermining AverageGrainSize 標 準,對兩種鍛件試樣的鐵素體晶粒尺寸進行評級,1 號鍛件試樣與2號鍛件試樣的鐵素體晶粒級別分別 為 8.5 級 和 9.0 級。 按 照 ASTM E45-2013 Standard Test Methods for Determining the InclusionContentofSteel標準,對兩種鍛件試樣的 非金屬夾雜物進行評級,兩種鍛件試樣表面及1/4t 處的非金屬夾雜物 A,B,C類均為0級,D類粗系為 0.5級、細系為1級,為球狀氧化物,純凈度較好,滿 足深水用純凈鋼的技術要求,如圖14所示。

3 結論 

(1)為保證可焊性,在考慮碳當量的條件下,降 低碳和錳含量,提高鉻、鎳和鉬等合金元素含量,得到 的兩種成分鍛件的強度和淬透性均滿足技術要求,其 在-46℃和-18℃條件下的沖擊功測試結果差異較 大,在提高沖擊試驗溫度至沖洗壓力帽的最低設計溫 度(-18℃)后,鍛件的沖擊功測試結果穩(wěn)定性提升。

(2)鍛件的熱處理工藝合理,兩種成分鍛件的 組織均為所需的貝氏體+鐵素體,其非金屬夾雜物 未見明顯差異,非金屬夾雜物含量較低,宏觀檢驗未 見缺陷。

(3)原材料的鍛造工藝設計合理,鍛件質量控 制方案有效。

參考文獻: 

[1] 尤學剛,杜夏英,孔令海.深水水下連接器制造國產化 展望[J].機電設備,2013,30(5):30-32. 

[2] 張康,洪毅,段夢蘭,等.深水水下連接器國產化設計 關鍵技術[J].石油科學通報,2017,2(1):123-132. 

[3] 付劍波,李志剛,姜瑛,等.水下連接器性能鑒定試驗 技術研究[J].石油礦場機械,2014,43(6):31-37. 

[4] 徐慶江.水下可回收垂直卡爪 連 接 器 關 鍵 技 術 研 究 [D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2011. 

[5] 陳大江,齊效文,施佳,等.水下管道連接器設計研究 及應用[J].船舶工程,2017,39(6):89-94. 

[6] 宋春娜.水 下 卡 爪 連 接 器 及 其 無 潛 安 裝 技 術 研 究 [D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2017. 

[7] 周燦豐,焦向東,曹靜,等.水下跨接管連接器選型設計研 究[J].石油化工高等學校學報,2011,24(3):75-78. 

[8] 張媛.水下卡箍式連接器樣機設計及密封 性 能 研 究 [D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2014. 

[9] 夏仁杰.水下連接器溫度壓力測試方法研究及測試系 統(tǒng)設計[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2014. 

[10] 唐洋,張中根,易典學,等.水下生產系統(tǒng)連接器及其 關鍵技術 [J].西 南 石 油 大 學 學 報 (自 然 科 學 版), 2019,41(3):160-168. 

[11] 李忠慶.水下卡箍式連接器熱 力 學 分 析 與 試 驗 研 究 [D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2016. 

[12] 侯莉,黃曉華,孟憲武,等.水下鍛件材料一般技術要 求及特點[J].石油和化工設備,2014,17(5):26-29. 

[13] 蔣中華.厚壁低合金鋼鍛件沖擊功波動機制及控制方 法研究[D].合肥:中國科學技術大學,2019. 

<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 3期 (pp:18-22)>