摘 要:針對(duì)某深水管道連接器 A694F65鋼沖洗壓力帽鍛件,在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下,設(shè)計(jì)了 兩種不同化學(xué)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(jìn)行加工制 造,對(duì)兩種鍛件產(chǎn)品進(jìn)行力學(xué)性能測試和金相檢驗(yàn)。結(jié)果表明:為保證可焊性,在考慮碳當(dāng)量的同時(shí), 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(qiáng)度滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求;鍛件低溫沖擊韌度滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求,在-46 ℃和 -18℃溫度下的沖擊韌度測試結(jié)果差異較大,隨著測試溫度的升高,沖擊韌度測試結(jié)果的穩(wěn)定性提升。

關(guān)鍵詞:深水管道連接器;化學(xué)成分;鍛件;力學(xué)性能;沖擊韌度

中圖分類號(hào):TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)03-0018-05

水下生產(chǎn)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(guān)于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的研究起步較晚,目 前海上油氣田所用的水下設(shè)備多依賴于進(jìn)口,設(shè)備采 購和維護(hù)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(guān)鍵器械之一[2-3],該器械具有安裝便捷、可靠 性高等特點(diǎn)[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(jié)構(gòu)簡單、體積小、連接可靠性高、安裝和拆卸簡便,應(yīng)用最廣泛[11]。深水管道連接器的核心部件一 般采用鍛件,因?yàn)殄懠牧W(xué)性能一般優(yōu)于相同材料 鑄件的力學(xué)性能。與陸地用鍛件相比,水下用鍛件對(duì) 材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性要求更高[12],同時(shí)需兼顧 其易加工性、易焊接性和經(jīng)濟(jì)性等多方面因素[13]。

ASTM A694/A694M - 2016 Standard SpecificationforCarbonandAlloySteelForgings forPipeFlanges,Fittings,Valves,andPartsfor High-pressureTransmissionService 標(biāo) 準(zhǔn) 只 對(duì) 水 下用鍛件的碳、硅、錳、磷和硫元素進(jìn)行了非常寬泛 的范圍限制,DNVGL-RP-0034SteelForgingsfor SubseaApplications僅對(duì)有害 元 素 和 殘 余 元 素 進(jìn) 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(shè)計(jì)準(zhǔn)則。深水 管道連接器核心部件的化學(xué)成分設(shè)計(jì)需綜合考慮強(qiáng) 度、韌性、焊接性、耐蝕性、抗疲勞性和經(jīng)濟(jì)成本等方 面,其材料普遍為非標(biāo)材料或改良材料。

某盲孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示 意見圖1,在其化學(xué)成分滿足 ASTM A694/A694M -2016及 DNVGL-RP-0034標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水下用鍛件的 技術(shù)要求的前提下,筆者設(shè)計(jì)了兩種不同化學(xué)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(jìn)行加工制造,對(duì)兩種設(shè) 計(jì)成分的鍛件成品進(jìn)行力學(xué)性能測試和金相檢驗(yàn), 以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

深水管道連接器沖洗壓力帽鍛件采用的材料牌號(hào)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(xué)性能測試。

在考慮焊接性能的前提下,即按照現(xiàn)場焊接工 藝規(guī)程,碳當(dāng)量必須小于0.45,化學(xué)成分有兩種不 同的設(shè)計(jì)方向:一種為高碳、高錳的普通碳錳鋼,記 為1號(hào)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(qiáng)度,記為2號(hào)試樣。兩種 試樣的化學(xué)成分見表1。

相比1號(hào)試樣,2號(hào)試樣的成分設(shè)計(jì)考慮到碳、 錳含量降低會(huì)引起強(qiáng)度下降,碳含量降低會(huì)造成強(qiáng) 度下降,可以通過添加鉻、鎳和鉬合金化元素來補(bǔ) 償。鎳含量的增加不僅能使材料的屈服強(qiáng)度提高, 同時(shí)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(jìn)細(xì)晶粒的形成,并 且提高材料的強(qiáng)度和延展性。通過同時(shí)添加鎳和鉬 元素,不僅可以提高材料的淬透性,促進(jìn)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?yàn)殄? 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(shí),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(shù)量增 加、貝氏體數(shù)量減少。理論上,晶粒尺寸的細(xì)化和上 貝氏體數(shù)量的大幅下降可以提高材料的韌性。但鍛 件近表面晶粒細(xì)化所帶來的韌性改進(jìn)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(shè)計(jì)成分的試樣原材料均為5.5t鋼錠,經(jīng) 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(jìn)行退火處理。

1.2.2 鍛造工藝

對(duì)鋼錠帽口與澆口進(jìn)行充分鋸切后,坯料鍛造 按照橫向、縱 向 反 復(fù) 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(yīng)力。

1.2.3 熱處理工藝

因產(chǎn)品有效截面較厚,在鍛造熱加工空冷至室 溫后進(jìn)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(dá)到組織 均勻化和細(xì)化晶粒的目的。

試樣經(jīng)正火空冷至室溫,其溫度低于204 ℃后 可進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理(920 ℃+保溫5.5h,水淬),水淬 嚴(yán) 格 按 照 APIRP-6HT-2013 HeatTreatment andTestingofCarbonandLowAlloySteelLarge CrossSectionandCriticalSectionComponents 要 求的控制轉(zhuǎn)移速度和冷卻效果,采用高壓循環(huán)水泵 連接特殊管路進(jìn)行強(qiáng)制水循環(huán)冷卻,隨后進(jìn)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(nèi)應(yīng)力。 1號(hào)和2號(hào)試樣經(jīng)如上工藝加工后,分別記為1號(hào) 鍛件試樣和2號(hào)鍛件試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鍛件試樣的力學(xué)性能

按照 DNVGL-RP-0034標(biāo)準(zhǔn),對(duì)兩種鍛件試樣 進(jìn)行全截面(1/4t,1/2t,3/4t,t為最大壁厚)的力學(xué) 性能測試,結(jié)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(hào)鍛件試樣的力學(xué)性能比1 號(hào)鍛件試樣的有顯著提高,鍛件試樣全截面的力學(xué) 性能相對(duì)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(qiáng)化及 耐高溫回火的特性,保證了鍛件試樣的屈服強(qiáng)度滿足450MPa。

按 照 ASTM A370 - 2017 Standard Test Methodsand Definitionsfor MechanicalTesting ofSteelProducts 標(biāo) 準(zhǔn) 進(jìn) 行 V 型 缺 口 沖 擊 試 驗(yàn) (-46 ℃),結(jié)果如圖9和圖10所示,可見2號(hào)鍛件 試樣的低溫沖擊韌性表現(xiàn)出較大的波動(dòng)性,其中部分?jǐn)?shù)值低于標(biāo)準(zhǔn)所要求的最小值。

為研究鍛件試樣的低溫沖擊韌性,再次對(duì)鍛件 試樣相同深度的毗鄰位置取樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn),提高 低 溫 沖 擊 溫 度 至 該 沖 洗 壓 力 帽 的 設(shè) 計(jì) 溫 度 (-18 ℃),結(jié)果見圖11和圖12。在提高沖擊試驗(yàn) 溫度至沖洗壓力帽的最低設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn),對(duì)鍛件試樣的 整體截面進(jìn)行宏觀檢驗(yàn),未見典型缺陷。

按照 ASTM E407-2007(R2015)Standard PracticeforMicroetchingMetalsandAlloys標(biāo)準(zhǔn), 觀察鍛件試樣的顯微組織。1號(hào)鍛件試樣與2號(hào)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(biāo) 準(zhǔn),對(duì)兩種鍛件試樣的鐵素體晶粒尺寸進(jìn)行評(píng)級(jí),1 號(hào)鍛件試樣與2號(hào)鍛件試樣的鐵素體晶粒級(jí)別分別 為 8.5 級(jí) 和 9.0 級(jí)。 按 照 ASTM E45-2013 Standard Test Methods for Determining the InclusionContentofSteel標(biāo)準(zhǔn),對(duì)兩種鍛件試樣的 非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí),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(jí),D類粗系為 0.5級(jí)、細(xì)系為1級(jí),為球狀氧化物,純凈度較好,滿 足深水用純凈鋼的技術(shù)要求,如圖14所示。

3 結(jié)論

(1)為保證可焊性,在考慮碳當(dāng)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(qiáng)度和淬透性均滿足技術(shù)要求,其 在-46℃和-18℃條件下的沖擊功測試結(jié)果差異較 大,在提高沖擊試驗(yàn)溫度至沖洗壓力帽的最低設(shè)計(jì)溫 度(-18℃)后,鍛件的沖擊功測試結(jié)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(yàn)未 見缺陷。

(3)原材料的鍛造工藝設(shè)計(jì)合理,鍛件質(zhì)量控 制方案有效。

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