摘要:针对某深水管道连接器AF65钢冲洗压力帽锻件,在满足标准要求的前提下,设计了两种不同化学成分即合金元素存在微量差异的锻材方案,采用相同的锻造和热处理工艺进行加工制造,对两种锻件产品进行力学性能测试和金相检验。结果表明:为保证可焊性,在考虑碳当量的同时,降低碳、锰含量,提高铬、镍和钼等合金元素含量,锻件的显微组织为所需的贝氏体+铁素体,非金属夹杂物含量较低,材料强度满足产品设计要求;锻件低温冲击韧度满足产品设计要求,在-46℃和-18℃温度下的冲击韧度测试结果差异较大,随着测试温度的升高,冲击韧度测试结果的稳定性提升。
关键词:深水管道连接器;化学成分;锻件;力学性能;冲击韧度
中图分类号:TG文献标志码:A文章编号:-()03--05
水下生产系统已成为一种主流的深水油气开发系统[1]。我国关于水下生产系统的研究起步较晚,目前海上油气田所用的水下设备多依赖于进口,设备采购和维护成本高,供货周期长,极大限制了我国海洋石油工业的发展。深水管道连接器是深水油气资源开发的关键器械之一[2-3],该器械具有安装便捷、可靠性高等特点[4-5]。管道连接器按工作原理可分为螺栓法兰式、卡箍式和卡爪式三类[6-10],其中,卡箍式连接器因结构简单、体积小、连接可靠性高、安装和拆卸简便,应用最广泛[11]。深水管道连接器的核心部件一般采用锻件,因为锻件的力学性能一般优于相同材料铸件的力学性能。与陆地用锻件相比,水下用锻件对材料的力学性能和稳定性要求更高[12],同时需兼顾其易加工性、易焊接性和经济性等多方面因素[13]。
ASTMA/AM-StandardSpecificationforCarbonandAlloySteelForgingsforPipeFlanges,Fittings,Valves,andPartsforHigh-pressureTransmissionService标准只对水下用锻件的碳、硅、锰、磷和硫元素进行了非常宽泛的范围限制,DNVGL-RP-SteelForgingsforSubseaApplications仅对有害元素和残余元素进行了限制,其余元素的限制参照ISO:(Modified)PetroleumandNaturalGasIndustries-DrillingandProductionEquipmentWellheadandChristmasTreeEquipment和ISO-4(Identical)DesignandOperationofSubseaProductionSystems-Part4:SubseaWellheadandTreeEquipment的设计准则。深水管道连接器核心部件的化学成分设计需综合考虑强度、韧性、焊接性、耐蚀性、抗疲劳性和经济成本等方面,其材料普遍为非标材料或改良材料。
某盲孔结构深水管道连接器AF65钢冲洗压力帽锻件的壁厚约为73.3cm(22in),其结构示意见图1,在其化学成分满足ASTMA/AM-及DNVGL-RP-标准对水下用锻件的技术要求的前提下,笔者设计了两种不同化学成分即合金元素存在微量差异的冲洗压力帽锻件,采用相同的锻造和热处理工艺进行加工制造,对两种设计成分的锻件成品进行力学性能测试和金相检验,以验证设计的合理性。
1试验材料与方法
1.1试验材料
深水管道连接器冲洗压力帽锻件采用的材料牌号为AF65,锻件的使用温度为3℃,其尺寸如图2所示,A为加长取样段,其壁厚为mm,加长长度为mm。锻件的制造工艺流程为钢锭冶炼→钢锭锯切下料→锻造→粗加工→热处理正火→热处理淬火+回火→取样→力学性能测试。
在考虑焊接性能的前提下,即按照现场焊接工艺规程,碳当量必须小于0.45,化学成分有两种不同的设计方向:一种为高碳、高锰的普通碳锰钢,记为1号试样;另一种为低碳、降锰,少量添加铬、镍和钼合金元素,来提高材料强度,记为2号试样。两种试样的化学成分见表1。
相比1号试样,2号试样的成分设计考虑到碳、锰含量降低会引起强度下降,碳含量降低会造成强度下降,可以通过添加铬、镍和钼合金化元素来补偿。镍含量的增加不仅能使材料的屈服强度提高,同时也能改善其韧性,特别是低温韧性。铬元素可改善材料的淬透性,钼元素能促进细晶粒的形成,并且提高材料的强度和延展性。通过同时添加镍和钼元素,不仅可以提高材料的淬透性,促进贝氏体的形成,也可以提高材料的韧性,抑制回火脆性。
A-F65钢锻件的显微组织由铁素体+珠光体、上贝氏体和粒状贝氏体组成。锻件由表面至心部随着深度的增加,晶粒尺寸略微变大,这是因为锻件表面发生了较大的锻造变形,在热处理过程中的淬火冷却时,锻件表面至心部的冷却速率不同,锻件表面至心部的组织变化为铁素体+珠光体数量增加、贝氏体数量减少。理论上,晶粒尺寸的细化和上贝氏体数量的大幅下降可以提高材料的韧性。但锻件近表面晶粒细化所带来的韧性改进效果被高含量的贝氏体带来的劣势抵消了,锻件心部贝氏体含量低所带来的优势被心部晶粒度较高带来的劣势抵消了,这也可以用于解释锻件不同深度的冲击性能偏差很小。
1.2锻件试样的加工工艺
1.2.1钢锭冶炼
两种设计成分的试样原材料均为5.5t钢锭,经过EBT(电炉)+LF(精炼炉)+VD(真空炉)冶炼,浇注方式为偏心底出钢浇注,材料通过二次精炼以及真空脱气,充分镇静、凝固后进行退火处理。
1.2.2锻造工艺
对钢锭帽口与浇口进行充分锯切后,坯料锻造按照横向、纵向反复3次变形,始锻温度控制在0~℃,终锻温度控制在℃以上,总锻造比大于6∶1,锻后缓冷至室温,以消除应力。
1.2.3热处理工艺
因产品有效截面较厚,在锻造热加工空冷至室温后进行粗加工,随后采用正火处理(℃+保温5.5h,空冷)以消除锻件中的带状组织,以达到组织均匀化和细化晶粒的目的。
试样经正火空冷至室温,其温度低于℃后可进行调质处理(℃+保温5.5h,水淬),水淬严格按照APIRP-6HT-HeatTreatmentandTestingofCarbonandLowAlloySteelLargeCrossSectionandCriticalSectionComponents要求的控制转移速度和冷却效果,采用高压循环水泵连接特殊管路进行强制水循环冷却,随后进行回火处理(℃+保温6.0h,空冷)。在回火过程中需增加中间保温段(℃+保温4.0h),使得富碳的残余奥氏体提前分解,以减小显微组织的内应力。1号和2号试样经如上工艺加工后,分别记为1号锻件试样和2号锻件试样。
2试验结果与分析
2.1锻件试样的力学性能
按照DNVGL-RP-标准,对两种锻件试样进行全截面(1/4t,1/2t,3/4t,t为最大壁厚)的力学性能测试,结果如图3~8所示,图中L表示纵截面,T表示横截面。
由图3~8可见,2号锻件试样的力学性能比1号锻件试样的有显著提高,锻件试样全截面的力学性能相对均匀,且其淬透性均满足需求。在相同的回火温度条件下,铬、镍和钼元素发挥其基体强化及耐高温回火的特性,保证了锻件试样的屈服强度满足MPa。
按照ASTMA-StandardTestMethodsandDefinitionsforMechanicalTestingofSteelProducts标准进行V型缺口冲击试验(-46℃),结果如图9和图10所示,可见2号锻件试样的低温冲击韧性表现出较大的波动性,其中部分数值低于标准所要求的最小值。
为研究锻件试样的低温冲击韧性,再次对锻件试样相同深度的毗邻位置取样进行冲击试验,提高低温冲击温度至该冲洗压力帽的设计温度(-18℃),结果见图11和图12。在提高冲击试验温度至冲洗压力帽的最低设计温度后,两种锻件试样的冲击功值稳定性提升。满足该水下连接器冲洗压力帽的设计要求。
2.2锻件试样的显微组织
在锻件剖面截取试样,按照ASTME-StandardMethodofMacroetchTestingSteelBars,Billets,Blooms,andForgings标准,对锻件试样的整体截面进行宏观检验,未见典型缺陷。
按照ASTME-(R)StandardPracticeforMicroetchingMetalsandAlloys标准,观察锻件试样的显微组织。1号锻件试样与2号锻件试样的组织均为铁素体+粒状贝氏体,如图13所示。参考ASTME-StandardTestMethodsforDeterminingAverageGrainSize标准,对两种锻件试样的铁素体晶粒尺寸进行评级,1号锻件试样与2号锻件试样的铁素体晶粒级别分别为8.5级和9.0级。按照ASTME45-StandardTestMethodsforDeterminingtheInclusionContentofSteel标准,对两种锻件试样的非金属夹杂物进行评级,两种锻件试样表面及1/4t处的非金属夹杂物A,B,C类均为0级,D类粗系为0.5级、细系为1级,为球状氧化物,纯净度较好,满足深水用纯净钢的技术要求,如图14所示。
3结论
(1)为保证可焊性,在考虑碳当量的条件下,降低碳和锰含量,提高铬、镍和钼等合金元素含量,得到的两种成分锻件的强度和淬透性均满足技术要求,其在-46℃和-18℃条件下的冲击功测试结果差异较大,在提高冲击试验温度至冲洗压力帽的最低设计温度(-18℃)后,锻件的冲击功测试结果稳定性提升。
(2)锻件的热处理工艺合理,两种成分锻件的组织均为所需的贝氏体+铁素体,其非金属夹杂物未见明显差异,非金属夹杂物含量较低,宏观检验未见缺陷。
(3)原材料的锻造工艺设计合理,锻件质量控制方案有效。
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文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册58卷3期(pp:18-22)