一种深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，属于金属锻造与热处 理领域。
【背景技术】
[0002] 海洋油气资源的开发能力由海洋油气开发装备的先进性所决定，研制拥有我国自 主知识产权的海洋油气勘探开发装备，是推动技术发展，保障我国能源安全的有效途径。我 国石油钻采装备制造企业在几十年的陆地装备研制过程中积累了丰富的经验，为海洋石油 水上装备设计制造奠定了基础，己实现部分设备的国产化。但是，目前我国的部分海洋石油 钻采装备的国产化使用程度仅适用于300米W上的浅海海域，对于2000米W上的深海海域， 我国在深海油田钻采装备的技术方面与西方发达国家相比还存在较大的差距，尤其是油气 资源储存量巨大的南海海域的钻采装备的关键设备仍然需要进口。
[0003] 深海采油树设备是一种在具有强腐蚀性的海底环境下运行的采油(气)设备，其接 触的工作介质也具有高溫、高压及高腐蚀的特性。恶劣的工况及环境条件对材料的冶金、机 械加工、热处理、焊接、防腐及密封等性能提出很高的要求，因此其材料的设计必须参照相 关标准规范严格执行。
[0004] 目前，深海采油树用钢主要为低合金高强钢材料F22USTM A182)dF22材质中均含 有相当量的铭、钢、饥，运些元素不仅能显著改善钢材的泽透性，同时还能在高溫热处理时 防止奥氏体晶粒长大，使得水下采油树厚壁零部件(如树本体）的调质性能大为改善，进而 确保材料不仅具有优良的切削加工性能，还保证材料从外表面到中屯、部兼具优良的低溫初 性及高低溫疲劳强度，W抵抗低溫海水与高溫生产介质产生的溫度落差热疲劳。但是采用 常规锻造手段处理F22会出现难W锻透的现象，一些铸态冶金缺陷，如偏析、疏松、缩孔等将 不同程度地残留在锻件中，使锻件在热处理过程中将产生更大的应力集中，往往导致锻件 在热处理过程中或在热处理结束后的放置过程中发生开裂，或者因内应力的存在而降低零 件在服役时的有效寿命。此外，性能上也难W满足深海采油树用钢所需要的低溫初性及高 低溫疲劳强度。因此，期望一种深海采油树关键部件用钢及其锻造方法来解决上述问题。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种能耗低、钢材利用率高、生 产成本低、劳动条件好的深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，锻造出来的材料能达 到深海采油所需要的耐腐、耐压、抗冲击要求指标。
[0006] 本发明的技术方案为:一种深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，其特征在 于，采用特种钢材为原料，在中频电炉中冶炼成优质钢水，然后在液压机上进行液态模锻， 并在120(TC进行脱模，脱模后立即采用自由锻+束缚锻终锻成型，具体步骤如下：
[0007] (1)配料:采用F22合金钢和化-(?中间合金为原料，按重量10:1进行配料；
[000引（2)冶炼:采用中频电炉将原料冶炼成优质钢水；
[0009] (3)液态模锻:将冶炼好的钢水倒入充满氮气的气压诱铸保溫炉内进行保溫;再将 保溫炉内钢水诱铸到液态模锻机模具中进行液态模锻，诱铸前要将模具进行预热至300~ 400°C，当巧件溫度在1200°C时立即脱模；
[0010] (4)终锻成型:将脱模后的高溫巧件立即采用自由锻鐵粗-拔长-二次鐵粗-二次拔 长;然后再采用自由锻在径向束缚条件下鐵粗-拔长-二次鐵粗-二次拔长；
[0011] (5)性能热处理:利用束缚锻造后的锻巧溫度进行水冷-空冷交替循环两次泽火， 然后再回火-水冷，得到深海采油树关键部件用钢锻件。
[0012] 进一步地，上述步骤(2)中，钢水冶炼完毕后，进行吹氣净化。
[0013] 进一步地，上述步骤(3)中，所述液态模锻机模具采用内层为高溫合金的复合模 具，诱铸过程中用循环水冷却模具，通过调节冷却水流量、压力使模具溫度控制在50(TCW 内。
[0014] 进一步地，上述步骤(4)中，采用自由锻进行初次锻造得到一次锻造巧，锻造始锻 溫度为1200°(：，终锻溫度为800°(：，锻造比大于3.5:1。
[0015] 进一步地，上述步骤(4)中，采用自由束缚锻再次进行锻造，得到二次锻造巧，锻造 始锻溫度为115(TC，终锻溫度为950°C，锻造比大于3:1。
[0016] 进一步地，上述步骤(5)中，水冷-空冷交替循环两次泽火，入水冷却时间t按照经 验公式t = KXD来估算，式中，钢铁材料系数K为1~4s/mm，D为锻件的直径，单位mm;空气冷 却时间为入水冷却时间的5.0~20.0倍，开始时泽火的水溫低于20°C，结束时泽火的水溫低 于50°C。
[0017] 进一步地，上述步骤(5)中，水冷-空冷交替循环两次泽火，水冷时对水进行揽拌处 理，其中，水的揽拌流速不小于0.5m/s。
[0018] 进一步地，上述步骤(5)中，对泽火后的二次锻造巧采用在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处理。
[0019]本发明所达到的有益效果：
[0020] 1.烙炼钢铁选F22合金钢和化-(?中间合金为原料，其在凝固过程中Ga较早凝固出 来，成为钢材凝固过程形核点，增加形核率，降低晶粒尺寸；同时在完全凝固后，Ga聚集在晶 界处，阻碍了晶粒的进一步生长，降低了晶粒尺寸，进一步提高材料的综合力学性能。此外， 在后期的束缚自由锻过程中，将晶界处的Ga-Fe金属间化合物揉碎并均匀分布于材料内部， 即提高了合金的耐蚀性，又大幅提高材料的综合力学性能，尤其是低溫初性。
[0021] 2.锻造工艺采用液态模锻结合束缚锻的复合锻造工艺，在液态模锻时，施加压力， 是的液态金属凝固时不仅可W成型而且组织状态明显优于普通铸造组织，将铸态金属中疏 松、空隙和裂纹等原始缺陷最大程度地降低，提高了金属的致密度和连续性。此外，在后继 的自由锻+束缚锻中将液态模锻中较粗大组织W及在晶界处的Ga-Fe金属间化合物揉碎、樣 合，使锻件内外组织趋向均匀，有效地减轻了锻件的偏析程度，同时利用大塑性变形作用使 材料晶粒细化，进一步提高合金的综合力学性能和抗腐蚀能力。采用复合锻的目的是利用 巧料变形方向变化多，钢锭屯、部金属向外流动，有效地破碎了钢锭中屯、的铸态树枝晶组织、 锻合钢锭内部的疏松、孔穴、裂纹等缺陷，提高了金属的致密度和连续性；同时促进了铸态 组织的揉合，使锻件内外组织趋向均匀，减轻了锻件组织的偏析程，从组织上确保锻件在随 后的调质热处理的泽火过程中，避免锻组织缺陷引发的泽火应力集中裂纹或由此而引起的 泽火开裂，增强形状复杂锻件抵抗热处理热应力和组织应力的冲击能力。
[0022] 3.水冷-空冷两次循环交替间歇泽火的调质热处理工艺，可W保证在高溫阶段水 冷却达到快速降溫W提高材料的力学性能，随后空冷减缓冷却速度，运样来回交替冷却，既 保持了材料的力学性能，同时也能够最大限度地降低锻件热处理产生的热应力和组织应 力，减少在过渡截面处引起的应力集中，防止了锻件的泽火开裂和内裂，同时也获得均匀细 小泽火组织。
[0023] 4.本发明材料利用率高，耗能低(除回火外中间不需要再加热），生产周期短，生产 成本低，能实现自动化生产，改善劳动条件。W上工艺过程是由若干单机组合在一条流水生 产线上完成整个生产过程，单机(工序)之间可用机械手、传送带自动传递巧件。巧料无须反 复加热，节能减排，实现绿色制造。
[0024] 综上所述，本发明的深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，选用特殊钢铁材 料，并将锻造工艺和热处理工艺组合起来，即液态模锻结合自由锻+束缚锻的复合锻造工艺 结合水冷-空冷两次次循环交替间歇泽火的调质热处理工艺，不仅有效地防止了形状复杂 的大锻件泽火开裂，而且制造的深海采油树关键部件用钢锻件的抗腐蚀性和综合力学性能 尤其是低溫初性大幅度提高，能很好地适用于深海低溫工况环境。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明的制造方法获得深海采油树关键部件用钢锻件的沈Μ图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图对本发明作进一步描述。W下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能W此来限制本发明的保护范围。
[0027] 实施例1:
[002引（1)配料:选F22合金钢和化-(?中间合金为原料，按重量(wt.%)10:l进行配料；
[0029] (2)冶炼:采用中频电炉将原料冶炼成优质钢水，冶炼过程中，对钢水的化学成分 进行实时检验，检验合格即为优质钢水;检验不合格的通过对含量不足的化学成分进行添 加，含量过量的化学成分进行稀释等方式进行调整，直到钢水的化学成分达到要求，即成为 优质钢水，钢水冶炼完毕后，进行吹氣净化，提高钢水纯净度；
[0030] (3)液态模锻:将冶炼好的钢水倒入充满氮气的气压诱铸保溫炉内进行保溫;再将 保