一种深海采油设备阀座用钢及其锻件的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种深海采油设备阀座用钢及其锻件的制造方法，属于金属锻造与热 处理领域。
【背景技术】
[0002] 我国南海具有丰富的油气资源，其地质储量达230亿~300亿吨，其中75%位于深 海区域。针对深海中的油气资源，就需要用到深海采油设备将油气资源顺利开采上来。在深 海采油设备中存在着大量各种类型的阀口，其中包括：闽阀、节流阀、旋塞阀、止回阀、节流 阀、紧急切断阀等。由此可见，阀口是深海采油设备组成的一个重要部分。阀座恰恰又是阀 口所有部件和管线的承载体，要求具有良好的力学性能来承载起阀口和管线。
[0003] 另一方面，深海采油的环境较为苛刻，采油设备往往要面临着环境脏(泥浆多）、腐 蚀强（各类腐蚀性气体和液体）、压力高(通常需要面对35MPa~69MPa的压力及溫度低 (工作溫度为-50°C左右)等工作环境。作为采油设备的重要组成的阀口和阀座就需要具有 良好的抗腐蚀、抗压力和低溫力学性能，尤其是阀座作为承重单位还必须具有良好的低溫 初性。目前，国际上制造深海采油设备阀座材料通常选用AISI4130(M0D)，该材料属于中等 泽透性低合金结构钢，加上阀座尺寸较大，结构较复杂，存在多个圆方过渡界面，往往在水 冷泽火时会因为冷却速度过大而出现内应力过大，导致阀座泽裂。此外，由于阀座尺寸较 大，往往不容易锻透，造成偏析、疏松和锁孔在锻造过程中无法消除，在后继热处理过程中， 会在运些缺陷部位造成应力集中，导致阀座发生开裂或者降低其有效承载能力。因此，使用 常规的锻造工艺来处理AIS14130 (MOD)材料制造深海阀座无法保证产品的成功率和合格 率，尤其是阀座的低溫初性达不到要求，无法保证其在深海采油设备中的使用寿命。因此， 期望能够采用一种新的制造方法来处理AISI4130(M0D)材料，使其性能能够满足深海采油 环境的需求，解决上述问题。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种深海采油设备阀座用钢及 其锻件的制造方法，制造的深海采油设备阀座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。
[0005] 本发明的技术方案为:一种深海采油设备阀座用钢，其特征在于，所述钢各成分及 其质量百分比含量为： 礫 0,28 ~0.33; 辖 0.15--0.35: 输 0.40-0.60： 硫 绅..040; 吞薬 <0,035：
[0006] 儀 U0~1.80; 鑛 斗).030; 铜 幼脱0; 領 0.25 ~0.35; 乱 0.20--0.40 铁 余量。
[0007] 本发明还提供了一种深海采油设备阀座用钢锻件的制造方法，其特征在于，包括 W下步骤：
[000引（1)W上述的一种深海采油设备阀座用钢为巧料，在巧料表面涂覆一层玻璃状涂 层，然后再利用自由锻方法对所述巧料进行热锻，得到阀座一次锻造巧；
[0009] (2)对步骤（1)得到的阀座一次锻造巧回炉加热，然后采用模具锻造方法进行热 锻，得到阀座二次锻造巧；
[0010] (3)对步骤(2)得到的阀座二次锻造巧进行正火处理；
[0011] (4)对步骤(3)得到的阀座二次锻造巧利用冰水冷却一空气冷却一沸水冷却一普 通水冷四段间歇泽火工艺进行泽火热处理；
[0012] (5)将经过步骤(4)处理后的阀座锻件加热至675~690°C并保溫至少10小时，出炉 空冷至室溫，即得到所述深海采油设备阀座用钢锻件。
[0013] 进一步地，上述步骤(1)中所述玻璃状涂层主要成分及其质量百分比含量为： SiO： 細 ％; Al2〇3 2% ;
[0014] CaO 躬备； 熟 ± 15%；
[0015] 水玻壞 30%:。
[0016] 进一步地，上述步骤（1)中，所述自由锻造方法包括W下步骤:将巧料沿轴向鐵粗 ^将鐵粗的巧料沿直径方向鐵拔^二次鐵粗^二次鐵拔次鐵粗次鐵拔^四次鐵 粗^四次鐵拔。
[0017] 进一步地，上述步骤(2)中，所述模具锻造方法包括W下步骤:将巧料加热到1100 ±10°C，并保溫至少3小时一装模，锻造成型。
[0018] 进一步地，上述步骤(3)中，所述正火处理具体包括W下步骤:将步骤(2)得到的阀 座锻巧加热至1000±20°C并保溫至少5小时后，出炉空冷至室溫。
[0019] 进一步地，上述步骤(4)中，所述冰水冷却一空气冷却一沸水冷却一普通水冷四段 间歇泽火工艺具体包括W下步骤:将步骤(3)正火处理后的阀座二次锻造巧加热至泽火溫 度并保溫，出炉，然后依次进行入冰水冷却一出水空冷一再入沸水冷却一最后再普通水冷 却至室溫，其中第一次入冰水冷却时间t按照经验公式t = KXD来估算，式中，钢铁材料系数 K为0.6~1. Os/mm，D为阀座锻件的直径，单位mm;空气冷却时间为第一次入冰水冷却时间的 2.0~3.0倍;入沸水冷却时间为第一次入冰水冷却时间的1.5~2.5倍;最后普通水冷时间 为第一次入冰水时间的20~50倍。
[0020] 进一步地，上述步骤(4)中，所述冰水冷却一空气冷却一沸水冷却一普通水冷四段 间歇泽火工艺之前，将步骤(3)得到的阀座锻巧加热至900±20°C并保溫至少4小时后，降溫 至850 ± 20°C保溫至少3小时。
[0021] 进一步地，上述步骤(4)中，利用所述冰水冷却一空气冷却一沸水冷却一普通水冷 四段间歇泽火工艺进行泽火热处理的过程中，开始时泽火的水溫低于5°C，结束时泽火的水 溫低于40°C。
[0022] 进一步地，上述步骤(4)中，利用所述冰水冷却一空气冷却一沸水冷却一普通水冷 四段间歇泽火工艺进行泽火热处理的过程中，两次水冷的过程中，对水进行揽拌处理，其 中，水的揽拌流速不小于0.5m/s。
[0023] 本发明所达到的有益效果：
[0024] 1.本发明深海采油设备阀座用钢的各成分中，铭、儀和钢成分范围较AISI4130 (MOD)范围要高，运在后期锻造过程中能够有效防止了形状复杂的大锻件的开裂，W及强化 其低溫综合力学性能尤其是低溫初性;钢铁成分中还特意添加了少量的礼元素，一方面礼 元素在晶界位置阻碍了晶粒的长大，起到了细化晶粒作用，提高了合金的综合力学性能，另 一方面，在锻造过程中礼与铁在晶界处形成的Gd-Fe金属间化合物被有效的揉碎均匀分布 于合金内部，使合金的耐腐蚀性能和综合力学性能得到了质的提升。
[0025] 2.在钢铁材料表面涂覆一层玻璃状涂层，能在后继热锻过程中有效的防止钢铁材 料表面生成氧化皮，W及锻造过程中材料表面碳元素的损失，使得钢铁材料的成分稳定，性 能得到保障。
[0026] 3.锻造工艺采用自由锻结合模具锻的复合锻造工艺，在首次自由锻的过程中将钢 铁材料鐵实鐵透，降低钢铁材料在铸造过程中形成的偏析、疏松和锁孔，破碎材料内部粗大 枝状晶，提高合金的力学性能和抗腐蚀能力；随后再用模具锻锻造过程中，利用模具对巧料 的压力将铸态金属中疏松、空隙和裂纹等原始缺陷最大程度地压实，提高了金属的致密度 和连续性，同时促进铸态组织揉合，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。
[0027] 4.冰水冷却一空气冷却一沸水冷却一普通水冷四段间歇泽火的调质热处理工艺， 所采用的高溫阶段冰水冷却达到快速降溫W提高材料的力学性能，随后空冷一沸水冷却一 普通水冷进一步的减缓冷却速度，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，在阀座截面尺寸不同的圆与圆和圆与方的过渡截面 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。
[0028] 综上所述，本发明的深海采油设备阀座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，即自由锻结合模具锻的复合锻造工艺结合冰水冷 却一空气冷却一沸水冷却一普通水冷四段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设备阀座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】
[0029] 图1为本发明制造方法获得深海采油设备阀座用钢锻件的SEM图。
【具体实施方式】
[0030] 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。
[0031] 实施例1:
[0032] (1)根据深海采油设备阀座的尺寸，选择合适的钢铁巧料。所述钢铁材料包括W下 质量百分比(wt. % )的各组分： 碳 C : 0.28-'-0.33 11 Ι? Si： 0.15- 0.35 輪 Μη; 0.40''-0.60 (品 S : <0.040 瞬 Ρ ; <0.035 洛打；1.10~1.80 饭 Ni; <0.030 削 Cu; <0.030 剧 Mo; 0.25~0.35 C Gd： 0.20-0.40 余量为Fe
[0034] 根据所需要结构件尺寸，选择5.4吨的八角梅花锭，在巧料表面涂覆一层玻璃状涂 层，玻璃状涂层主要成分为(wt. % : 50 % Si〇2+2 % Al2〇3+3 % CaO+15 %黏±+30 %水玻璃。然 后进炉加热至1300°C保溫3小时出炉，在35MN的自由锻快锻油压机上压错把，倒棱。沿轴向 鐵粗至高径比为0.84(鐵粗后的高度为800mm)。刹切错把，用600mm宽上下平化沿钢锭径向 拔长，变形量为20~25%，反复四次。
[0035] (2)对步骤（1)得到的阀座一次锻造巧回炉加热到112(TC，并保溫3小时，然后采用 模具锻进行热锻，模具尺寸为50mm X 50mm X 50mm。
[0036] (3)对步骤(2)得到的阀座二次锻造巧进行正火