一种壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢及其热处理方法和生产方法与流程

一种壁厚
≥
600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢及其热处理方法和生产方法
技术领域
1.本发明属于合金钢技术领域，涉及一种壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢及其热处理方法和生产方法，具体涉及壁厚≥600mm，屈服强度≥680mpa、-46℃kv2≥200j；同时具备在海水环境中腐蚀2
×
107周次后的疲劳强度≥320mpa的采油树阀体用钢及热处理方法和生产方法，能够满足更严苛海水环境中采油树的使用要求。


背景技术：

2.大力发展国内油气钻采，尤其加大了深海油气资源的开发。据报道我国目前的陆地油气钻采深度已超过7300米，海洋油气钻采深度已接近3000米。采油树是油气开采的必备装置，我国再用采油树均为进口，严重影响我国油气安全。采油树有多个模块(阀体)组成，对材料的强韧性等要求较高。尤其是水下采油树，对低温韧性、耐蚀性要求更高。
3.目前陆地用采油树阀体的厚度通常在300mm以内，采用4130钢制造，但是随着油气开采环境的恶化，尤其是深水环境对采油树阀块的厚度增加，通常要求厚度≥400mm，而4130钢1/4厚度处的性能不能满足要求，因此需要开发新材料满足超大壁厚采油树阀块用钢需要，提高我国油气装备的战略安全。
4.专利cn 102839331 a公开了一种高韧性耐腐蚀钢及其制造方法，用于制造采油树本体。该专利中cr含量高达12-14％，材料的屈服强度≥517mpa，-46℃冲击功≥27j。该专利cr含量较高，成本高，屈服强度虽然提高到517mpa但仍然较低，并且低温韧性较差，在更加严格的低温环境下，韧性会不足。
5.专利cn 112281069 a公开了一种深海采油树装备用8630超长锻件的生产方法，采用该专利的锻造工艺，所得到的材料屈服强度≥580mpa，-29℃冲击功≥30j，材料的低温韧性较低。
6.上述专利公开的采油树钢的性能均不能满足低温下的使用要求，并且并未对使用寿命进行考察。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢及其热处理方法和生产方法，其具有优秀的强韧性、耐腐蚀及疲劳性能，能够满足更严苛的水下环境使用要求，适用于制造水下采油树阀体。
8.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
9.一种壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢，包括如下重量百分比的化学成分：c 0.22％～0.28％、si 0.15％～0.35％、mn 1.7％～2.0％、cr 0.5％～0.7％、mo 0.3％～0.5％、ni 0.80％～1.00％、cu 0.30％～0.50％、al 0.015％～0.035％、nb 0.025～0.045％、ti 0.0035～0.0055％、b 0.0005～0.0030％、p≤0.015％、s≤0.015％、n 0.0070～0.0120％、o≤0.004％，其余为fe和其它不可避免的杂质；
10.其中，
11.a＝{2.5+30
×
[b-1.27
×
(n-0.002-0.29
×
ti-0.15
×
nb)]}
×
(1+4
×
mn)
×
(1+2
×
cr)
×
(1+3.5
×
mo)，a≥90；
[0012]
d＝30
×
ni+20
×
mo+16
×
cu+22
×
mn-12
×
si
×
mn+28
×
c-10
×c×
mn，d≥74.5；
[0013]
a、d值的计算公式中，各元素所指数值＝该元素在钢中含量
×
100。
[0014]
为了生产得到具有优秀的强韧性、耐腐蚀及疲劳性能，能够满足更严苛的水下环境使用要求的壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体，本发明进行了如下控制：
[0015]
c：c是钢中最低廉的强化元素，每提高0.1％的固溶c，可使强度提高约450mpa，c与钢中的合金元素形成析出相，起到析出强化作用。c能够显著提高淬透性，使大尺寸采油树阀体心部获得马氏体组织。但随着其含量增大，塑性和韧性降低，并且c含量高对腐蚀性能有危害，故c含量控制在0.22％～0.28％。
[0016]
si：si是钢中有效的固溶强化元素，提高钢的强硬度，si在炼钢时能够起到脱氧作用，是常用的脱氧剂。但si易偏聚有奥氏体晶界，降低晶界结合力，引发脆性。另外si易引起钢中元素偏析。因此，si含量控制在0.15％～0.35％。
[0017]
mn：mn能够起到固溶强化作用，固溶强化能力弱于si，mn是奥氏体稳定化元素能显著提高钢的淬透性，还能够减少钢的脱碳，mn与s结合能够防止s引起的热脆性。但过量的mn会降低钢的塑性。所以，mn含量控制在1.7％～2.0％。
[0018]
cr：cr是碳化物形成元素，cr能够使钢的淬透性和强度均提高，却易引起回火脆性。cr能够提高钢的抗氧化性能，增加耐蚀性，但cr含量过高时将增加裂纹敏感性。应将cr含量控制在0.50％～0.70％。
[0019]
mo：mo主要是提高钢的淬透性和耐热性，固溶于基体的mo能够使钢的组织在回火过程中保持较高的稳定性，且能有效降低p、s和as等杂质元素在晶界处偏聚，从而提高钢的韧性，降低回火脆性。mo降低m7c3的稳定性，当mo含量较高时将形成针状mo2c，将导致基体mo含量减少。mo能够通过固溶强化和沉淀强化的共同作用提高钢的强度，也能通过改变碳化物的析出来改变钢的韧性。故mo控制在0.30％～0.50％。
[0020]
ni：ni能与fe生成无限互溶的固溶体，是奥氏体稳定化元素，具有扩大相区的作用，增加过冷奥氏体的稳定性，使c曲线右移，提高钢的淬透性。ni能够细化马氏体板条宽度，提高强度。ni是显著降低钢的韧脆转变温度，提高低温韧性。将ni含量控制在0.80％～1.00％。
[0021]
cu：cu是扩大奥氏体相区，cu单质可以作为第二相显著提升强度，能提升组织回火稳定性和强度。但cu过高将导致cu脆。因此cu含量控制在0.30％～0.50％。
[0022]
al：al是炼钢的主要脱氧剂，al与n结合形成细小弥散分布的aln，且与基体保持共格关系，能够起到强化和细化组织的作用，能够使疲劳裂纹萌生和扩展抗力增加，从而提高钢的持久强度。al含量控制在0.015％～0.035％。
[0023]
nb：nb是强c、n化合物形成元素，nb(c、n)细小弥散，且与基体保持共格关系，能够起到强化和细化组织的作用，基体的强化能够使疲劳裂纹萌生和扩展抗力增加，从而提高疲劳强度。nb含量控制在0.025％～0.045％。
[0024]
ti：ti在钢中作用广泛，ti可以作为脱氧剂进行脱氧，ti与c以及n能够形成碳氮化合物，在钢中析出，起到析出强化作用，还可以钉扎晶界阻碍晶粒长大。ti含量控制在
0.0035％～0.0055％。
[0025]
b：b通常认为是钢中的微量元素，具有较强的淬透作用。提高淬透性的同时能够提高钢的韧性。但是b的强烈淬透性因此钢中b含量不易过高，因此控制在0.0005～0.0030％。
[0026]
o和n：t.o在钢中形成氧化物夹杂，控制t.o≤0.0040％；n在钢中能与氮化物形成元素形成细小析出相细化组织，因此将n控制在0.0070～0.0120％。
[0027]
本发明充分利用mn、cr、mo、b元素对淬透性的有利作用，以保证厚壁阀体的淬透性。同时利用nb和ti与n形成氮化物从而消耗氮，保证b元素以固溶态存在钢中，充分发挥淬透性作用，从而共同作用保证阀体壁厚≥600mm时1/4部位仍然具有细小的回火索氏体。因此上述7种元素应满足：
[0028]
a＝{2.5+30
×
[b-1.27
×
(n-0.002-0.29
×
ti-0.15
×
nb)]}
×
(1+4
×
mn)
×
(1+2
×
cr)
×
(1+3.5
×
mo)，a≥90，式中各元素所指数值＝该元素在钢中含量
×
100。
[0029]
为保证钢的低温韧性需对韧化元素进行限定，ni是现在能够提高韧性的元素，mo有利于提高回火稳定性，从而提高钢的韧性。cu在钢中能够析出细小的纳米铜析出相，从而提高钢的韧性，因此以上三种元素对韧性的贡献系数分别为30、20、16。mn能够促进钢在相变是变体选择，从而使微观组织细小提高韧性，但si和mn存在偏析作用导致韧性下降，故mn对韧性的贡献存在独自贡献，有存在与si和mn的交互作用，因此系数分别为22、-12。c含量对韧性的影响也存在两面性，一方面促进相变细化，提高韧性。一方面与mn交互促进钢的硬化，导致韧性较低，故c对韧性的贡献存在独自贡献，有存在与c和mn的交互作用，因此系数分别为28、-10。由于钢中p、s也对钢的韧性有害，但是由于本发明对p和s含量已经做出最高含量限制，因此不考虑p和s对韧性的危害。故钢的韧性判定因子
[0030]
d＝30
×
ni+20
×
mo+16
×
cu+22
×
mn-12
×
si
×
mn+28
×
c-10
×c×
mn≥74.5，式中各元素所指数值＝该元素在钢中含量
×
100。
[0031]
所述壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢的金相组织为回火索氏体，晶粒尺寸为18～25μm。
[0032]
所述壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢阀体1/4厚度处抗拉强度≥850mpa、屈服强度≥680mpa、-46℃kv2≥200j、a≥20％、z≥70％；在海水环境中腐蚀2
×
107周次后的疲劳强度≥320mpa；具体为所述壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢阀体1/4厚度处抗拉强度为850～920mpa、屈服强度为680～750mpa、-46℃kv2为210～230j、a为20～25％、z为70～75％；在海水环境中腐蚀2
×
107周次后的疲劳强度为320～350mpa。
[0033]
本发明提供的所述壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢的热处理方法，包括以下步骤：
[0034]
(1)阶梯淬火：将采油树阀体加热至920～970℃，保温，而后水冷；再加热至860～900℃，保温，而后水冷；本发明中水下采油树阀体的壁厚达到600mm以上，通过阶梯淬火能保证材料具有细小的马氏体组织，利于强韧性。通过第一次淬火后钢的晶粒度和马氏体均细化；二次淬火时由于加热前组织细化，有利于晶粒形核，晶粒细化；二次淬火时的温度低于第一次淬火温度能够保证奥氏体后晶粒不粗化，且在经历淬火后使晶粒、马氏体变体增多，微观组织细化，有利于提高强韧性及腐蚀疲劳寿命；
[0035]
(2)阶梯回火：将采油树阀体加热至t1＝450～550℃，保温，再加热至t2＝650～700℃保温，而后水冷。通过阶梯回火控制碳化物析出类型及比例从而提高韧性和腐蚀疲劳
寿命。在阶梯回火的第一阶段，一方面保证锻件内外温度一致，另一方面保证钢的析出相以细小的m2c碳化物为主，提高析出强度，抵消部分因回火降低的强度、细小的m2c碳化物也有助于降低组织内应力，提高腐蚀疲劳寿命；阶梯回火第二阶段温度较第一阶段升高，有利于析出相m23c6和m6c等析出，提高韧性。若不采用阶梯回火，钢种析出相的种类将减少。回火后进行水冷，一方面可提高工作效率、另一方面有助于锻件表面质量。
[0036]
所述步骤(1)中，两次加热的升温速度均为50～110℃/h，保温时间均为t＝0.8～1.2
×
s，s为钢管壁厚，单位为mm，t单位为min。
[0037]
所述步骤(2)中，第一次加热的升温速度为50～110℃/h，保温时间为t1＝0.8～1.2
×
s，s为钢管壁厚，单位为mm，t1单位为min。
[0038]
上述这样的升温速率下可保证阀体不同位置的温度接近；如果升温速度过快则阀体不同位置的温度梯度较大会增加内应力、增加裂纹风险；如果升温速度过慢，在升温阶段有产生回火反应的风险，导致析出相的种类和含量不受控制。保温时间是控制析出相的含量和尺寸的关键，保温时间过短则析出相少，有益作用降低，保温时间过长虽然析出相会增多但是析出相尺寸会增大，会降低析出相的弥散分布作用。析出相过大还会增加内部微裂纹风险。
[0039]
所述步骤(2)中，第二次加热的升温速度为80～120℃/h，保温时间为t2＝0.5～1.2
×
s，s为钢管壁厚，单位为mm，t2单位为min。阶梯回火的第二阶段较第一阶段的升温速度增高，因为经过第一阶段回火后，阀体不同位置的温度梯度已经降低了，这样在第二阶段时可通过提高升温的速率来降低时间成本，且升温速度升高也有助于控制析出相尺寸。
[0040]
所述步骤(1)和(2)中，水冷时均冷却至100℃以下。
[0041]
回火工艺参数应符合x＝t2
×
(s/10+lgt2)/1000，42≤x≤48。回火参数直接决定最终产品的力学性能和腐蚀疲劳性能。如果回火参数过大，材料的软化作用大，导致材料的强度下降大而不能保证强度，还会导致析出相的尺寸过大，削弱析出强化作用，并且增大钢内微裂纹风险降低韧性。如果回火参数小，材料的强度会软化不足，组织应力、内应力大，韧性和腐蚀疲劳性能都会降低。
[0042]
本发明提供的所述壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢的生产方法，包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼
→
lf炉精炼
→
rh或vd真空脱气
→
浇铸得到钢锭
→
钢锭加热
→
锻造成阀体
→
热处理
→
机加工
→
探伤
→
包装入库，其中所述热处理采用上述热处理方法进行。
[0043]
所述钢锭≥10吨，直径≥1.2米。
[0044]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0045]
1.本发明提供的壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢，通过控制钢中化学成分的组成及用量，使得其性能满足严苛环境下水下采油树的需求；
[0046]
2.本发明提供的壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢中的b、n、ti、nb、mn、cr和mo之间的关系满足{2.5+30
×
[b-1.27
×
(n-0.002-0.29
×
ti-0.15
×
nb)]}
×
(1+4
×
mn)
×
(1+2
×
cr)
×
(1+3.5
×
mo)≥90，以保证厚壁水下采油树阀体的淬透性；
[0047]
3.本发明提供的壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢中的ni、mo、cu、mn、si和c之间的关系满足30
×
ni+20
×
mo+16
×
cu+22
×
mn-12
×
si
×
mn+28
×
c-10
×c×
mn≥74.5，以为保证厚壁水下采油树阀体的低温韧性；
[0048]
4.本发明提供的壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢的热处理采用阶梯淬火+阶梯回火工艺进行热处理，并对回火处理时的加热温度t2及保温时间t2进行控制，以保证水下采油树阀体用钢的整体性能能够满足严苛环境下水下采油树的需求。
附图说明
[0049]
图1为实施例2中的水下采油树阀体用钢的显微形貌图，可见组织中的碳化物细小；
[0050]
图2为对比例3中的水下采油树阀体用钢的显微形貌图，可见组织中的碳化物粗大。
具体实施方式
[0051]
本发明提供的一种壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢，包括如下重量百分比的化学成分：c 0.22％～0.28％、si 0.15％～0.35％、mn 1.7％～2.0％、cr 0.5％～0.7％、mo 0.3％～0.5％、ni 0.80％～1.00％、cu 0.30％～0.50％、al 0.015％～0.035％、nb 0.025～0.045％、ti 0.0035～0.0055％、b 0.0005～0.0030％、p≤0.015％、s≤0.015％、n 0.0070～0.0120％、o≤0.004％，其余为fe和其它不可避免的杂质；
[0052]
其中，
[0053]
a＝{2.5+30
×
[b-1.27
×
(n-0.002-0.29
×
ti-0.15
×
nb)]}
×
(1+4
×
mn)
×
(1+2
×
cr)
×
(1+3.5
×
mo)，a≥90，优选a为90～130；
[0054]
d＝30
×
ni+20
×
mo+16
×
cu+22
×
mn-12
×
si
×
mn+28
×
c-10
×c×
mn，d≥74.5，优选d为74.5～80；
[0055]
a、d值的计算公式中，各元素所指数值＝该元素在钢中含量
×
100。
[0056]
所述壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢的生产方法，包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼
→
lf炉精炼
→
rh或vd真空脱气
→
浇铸得到重量≥10吨、直径≥1.2米的钢锭
→
钢锭加热
→
锻造成阀体
→
热处理
→
机加工
→
探伤
→
包装入库。
[0057]
其中，rh或vd真空脱气步骤中，纯脱气时间≥15分钟，保证真空处理后[h]含量≤1.5ppm，避免钢中出现白点，引起氢脆现象；
[0058]
浇铸步骤中，钢水目标温度控制在液相线温度以上10～40℃；
[0059]
热处理按照下述步骤进行：
[0060]
(1)阶梯淬火：将采油树阀体加热至920～970℃，保温，而后水冷至100℃以下；再加热至860～900℃，保温，而后水冷至100℃以下；两次加热的升温速度均为50～110℃/h，保温时间均为t＝0.8～1.2
×
s，s为钢管壁厚，单位为mm，t单位为min；
[0061]
(2)阶梯回火：将采油树阀体加热至t1＝450～550℃，保温，再加热至t2＝650～700℃保温，而后水冷至100℃以下；第一次加热的升温速度为50～110℃/h，保温时间为t1＝0.8～1.2
×
s；第二次加热的升温速度为80～120℃/h，保温时间为t2＝0.5～1.2
×
s，s为钢管壁厚，单位为mm，t2单位为min；回火工艺参数应符合x＝t2
×
(s/10+lgt2)/1000，42≤x≤48。
[0062]
由上述工艺制备的壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢的性能检测方法如下：
[0063]
组织：在阀体延长体上取样，在延长体1/4厚度(厚度为600mm和700mm)位置内取样进行金相、晶粒尺寸分析。
[0064]
性能：在阀体延长体上取样，在延长体1/4厚度(厚度为600mm和700mm)位置内取拉伸、冲击、疲劳试样，参照gb/t228、gb/t229、gb/t 7733进行力学性能试验。
[0065]
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
[0066]
各实施例和对比例中的壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢的化学成分及重量百分比如表1所示，余量为铁及不可避免的杂质。
[0067]
[0068][0069]
从上述数据可以看出，按照本发明进行控制的实施例1～3中的钢的强度、塑性、韧性及疲劳性能均较好。而对比例1中虽然各化学成分的含量及热处理工艺按照本发明设置
的范围进行了控制，但是由于a值及d值的控制不当导致材料强度过低，塑韧性、疲劳性能不足；对比例2中虽然成分设计合理，但是热处理工艺不当，导致材料的晶粒粗大使强度、韧性不足，且疲劳性能不足；对比例3中虽然a值、d值、热处理参数按照本发明设置的范围进行了控制，但是由于部分化学成分的含量控制不当及回火参数t2与t2的关系控制不当，导致材料强度过低，塑韧性、疲劳性能不足。
[0070]
上述参照实施例对一种壁厚≥600mm高强韧高寿命水下采油树阀体用钢及其热处理和生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。