[發明專利]一種深海采油樹關鍵部件用鋼鍛件的制造方法

有效

• 申請號: 201610056441.2
• 申請日: 2016-01-27
• 公開（公告）號: CN105671280B
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 巨佳;王章忠;張保森;巴志新;毛向陽;毛麒童
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: C21D8/00
• 分類號: C21D8/00;B22D18/02;C21D1/25;B21J5/00;B21J5/02;B21J5/08;B21J1/06
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司32224
• 代理人: 董建林,王玉

技術領域

本發明涉及一種深海采油樹關鍵部件用鋼鍛件的制造方法，屬于金屬鍛造與熱處理領域。

背景技術

海洋油氣資源的開發能力由海洋油氣開發裝備的先進性所決定，研制擁有我國自主知識產權的海洋油氣勘探開發裝備，是推動技術發展，保障我國能源安全的有效途徑。我國石油鉆采裝備制造企業在幾十年的陸地裝備研制過程中積累了豐富的經驗，為海洋石油水上裝備設計制造奠定了基礎，己實現部分設備的國產化。但是，目前我國的部分海洋石油鉆采裝備的國產化使用程度僅適用于300米以上的淺海海域，對于2000米以上的深海海域，我國在深海油田鉆采裝備的技術方面與西方發達國家相比還存在較大的差距，尤其是油氣資源儲存量巨大的南海海域的鉆采裝備的關鍵設備仍然需要進口。

深海采油樹設備是一種在具有強腐蝕性的海底環境下運行的采油(氣)設備，其接觸的工作介質也具有高溫、高壓及高腐蝕的特性。惡劣的工況及環境條件對材料的冶金、機械加工、熱處理、焊接、防腐及密封等性能提出很高的要求，因此其材料的設計必須參照相關標準規范嚴格執行。

目前，深海采油樹用鋼主要為低合金高強鋼材料F22(ASTM A182)。F22材質中均含有相當量的鉻、鉬、釩，這些元素不僅能顯著改善鋼材的淬透性，同時還能在高溫熱處理時防止奧氏體晶粒長大，使得水下采油樹厚壁零部件(如樹本體)的調質性能大為改善，進而確保材料不僅具有優良的切削加工性能，還保證材料從外表面到中心部兼具優良的低溫韌性及高低溫疲勞強度，以抵抗低溫海水與高溫生產介質產生的溫度落差熱疲勞。但是采用常規鍛造手段處理F22會出現難以鍛透的現象，一些鑄態冶金缺陷，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生更大的應力集中，往往導致鍛件在熱處理過程中或在熱處理結束后的放置過程中發生開裂，或者因內應力的存在而降低零件在服役時的有效壽命。此外，性能上也難以滿足深海采油樹用鋼所需要的低溫韌性及高低溫疲勞強度。因此，期望一種深海采油樹關鍵部件用鋼及其鍛造方法來解決上述問題。

發明內容

為解決現有技術的不足，本發明的目的在于，提供一種能耗低、鋼材利用率高、生產成本低、勞動條件好的深海采油樹關鍵部件用鋼鍛件的制造方法，鍛造出來的材料能達到深海采油所需要的耐腐、耐壓、抗沖擊要求指標。

本發明的技術方案為：一種深海采油樹關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質鋼水，然后在液壓機上進行液態模鍛，并在1200℃進行脫模，脫模后立即采用自由鍛+束縛鍛終鍛成型，具體步驟如下：

(1)配料：采用F22合金鋼和Fe‐Ga中間合金為原料，按重量10:1進行配料；

(2)冶煉：采用中頻電爐將原料冶煉成優質鋼水；

(3)液態模鍛：將冶煉好的鋼水倒入充滿氮氣的氣壓澆鑄保溫爐內進行保溫；再將保溫爐內鋼水澆鑄到液態模鍛機模具中進行液態模鍛，澆鑄前要將模具進行預熱至300～400℃，當坯件溫度在1200℃時立即脫模；

(4)終鍛成型：將脫模后的高溫坯件立即采用自由鍛鐓粗‐拔長‐二次鐓粗‐二次拔長；然后再采用自由鍛在徑向束縛條件下鐓粗‐拔長‐二次鐓粗‐二次拔長；

(5)性能熱處理：利用束縛鍛造后的鍛坯溫度進行水冷‐空冷交替循環兩次淬火，然后再回火‐水冷，得到深海采油樹關鍵部件用鋼鍛件。

進一步地，上述步驟(2)中，鋼水冶煉完畢后，進行吹氬凈化。

進一步地，上述步驟(3)中，所述液態模鍛機模具采用內層為高溫合金的復合模具，澆鑄過程中用循環水冷卻模具，通過調節冷卻水流量、壓力使模具溫度控制在500℃以內。

進一步地，上述步驟(4)中，采用自由鍛進行初次鍛造得到一次鍛造坯，鍛造始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度為800℃，鍛造比大于3.5:1。

進一步地，上述步驟(4)中，采用自由束縛鍛再次進行鍛造，得到二次鍛造坯，鍛造始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為950℃，鍛造比大于3:1。

進一步地，上述步驟(5)中，水冷‐空冷交替循環兩次淬火，入水冷卻時間t按照經驗公式t＝K×D來估算，式中，鋼鐵材料系數K為1～4s/mm，D為鍛件的直徑，單位mm；空氣冷卻時間為入水冷卻時間的5.0～20.0倍，開始時淬火的水溫低于20℃，結束時淬火的水溫低于50℃。

進一步地，上述步驟(5)中，水冷‐空冷交替循環兩次淬火，水冷時對水進行攪拌處理，其中，水的攪拌流速不小于0.5m/s。