CN111471926B - 一种管接头及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管接头，其化学成分及重量百分比为：碳0.27‑0.34％，锰0.66‑1.09％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，硅0.13‑0.37％，镍0.72‑0.93％，铬0.81‑1.09％，钼0.33‑0.47％，铝0.01‑0.031％，铌0.015‑0.035％，钒0.03‑0.06％，铜≤0.15％，余量为铁及不可避免杂质。本发明通过合理控制各成分的用量，各成分之间相互协同促进，提高了材料的强度和塑性，并提高了锻件低温耐冲击性能；采用本发明的锻后热处理工艺以及淬火、回火的热处理工艺，细化析出强化相，提高钢的耐腐蚀性，进一步提高了锻件的低温耐冲击性能。
Description
技术领域
本发明涉及油气类锻件生产技术领域，具体涉及一种管接头及其制备方法。
背景技术
目前的采油树管接头主要采用AISI8630(30CrNiMo)锻造而成。30CrNiMo是一种典型的调质钢，该钢具有较高的屈服强度、抗拉强度和疲劳强度，还有较好的塑形和韧性，综合性能较好。30CrNiMo应用广泛，主要用于压力较高且波动频繁的高压化工容器，还用于压力管道、塑料模具、重要构件等。由于管接头对30CrNiMo的纯净度、组织致密性和成分均匀性要求较严，特别是深海环境恶劣，深海采油对大口径的管接头的强度、低温冲击性能和耐腐蚀性能提出了严苛的要求，现有30CrNiMo锻造而成管接头不能满足用户需求，导致所使用的深海采油管接头必须依靠进口，因此急需一种管接头及其制备方法以满足用户需要。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种管接头及其制备方法。本发明通过合理控制各成分的用量，各成分之间相互协同促进，提高了材料的强度和塑性，并提高了锻件低温耐冲击性能；采用本发明的锻后热处理工艺以及淬火、回火的热处理工艺，细化析出强化相，提高钢的耐腐蚀性，进一步提高了锻件的低温耐冲击性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种管接头，其化学成分及重量百分比为：碳0.27-0.34％，锰0.66-1.09％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，硅0.13-0.37％，镍0.72-0.93％，铬0.81-1.09％，钼0.33-0.47％，铝0.01-0.031％，铌0.015-0.035％，钒0.03-0.06％，铜≤0.15％，余量为铁及不可避免杂质。
优选的，其化学成分及重量百分比为：碳0.28-0.33％，锰0.70-1.05％，磷≤0.015％，硫≤0.010％，硅0.15-0.35％，镍0.75-0.90％，铬0.85-1.05％，钼0.35-0.45％，铝0.015-0.030％，铌0.015-0.035％，钒0.03-0.05％，铜≤0.15％，余量为铁及不可避免杂质。
Cr是该钢中的重要元素，Cr和C形成的铬碳化物是所有碳化物中最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，所以具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性，将Cr的含量为0.85-1.05％，属于低合金高强钢，该钢种合金含量低，制造成本低，而又具有高强度、高耐磨性、良好的耐疲劳性和淬透性，且热处理也简便。
Mn的有益作用是提高钢的强度和耐磨性，本钢种控制含量为0.70-1.05％，主要是作为炼钢的脱氧剂使用的。
Ni可提高钢的强度、韧性和优化其淬透性和耐腐蚀性。
优选的，铜、铌、铝、钒及不可避免的杂质的总量小于等于1.00％。
优选的，所述不可避免的杂质包括氮、氧、氢，其中氮≤100ppm，氧≤30ppm，氢≤1.6ppm。合理控制H、O等有害元素的含量，进一步提高锻件低温耐冲击性能。
本发明的第二方面，提供上述管接头的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶铸；
(2)锻造；始锻温度≤1250℃，终锻温度≥750℃；
采用自由锻造成形工艺，第一步先打钳把锉底，第二步采用FM锻造法倒棱，锻造工装为上平砧下平台，第三步采用胎模成形法增加管嘴的锻造比，同时将管身拔长；
通过本发明合理的锻造工艺，使用工装辅具加大最后一火管嘴的锻比，提高锻件质量。
(3)锻后热处理；首先将锻件冷却到600-650℃进行第一次保温处理，以小于或等于30℃/h的降温速度降温至300-350℃进行第二次保温处理，以小于或等于50℃/h的升温速度升温至870-890℃进行第三次保温处理，放置在空气中冷却至300-350℃进行第四次保温处理，以小于或等于50℃/h的升温速度升温至670-690℃进行第五次保温处理，以小于或等于30℃/h的降温速度降温至400℃，然后以小于或等于15℃/h的降温速度降温至250℃；
(4)性能热处理；包括淬火处理和回火处理，淬火初始温度≤300℃，以小于或等于150℃/h的升温速度升温至830-899℃淬火处理，然后水冷至温度小于或等于204℃，然后以小于或等于150℃/h的升温速度升温至660-720℃回火处理。
优选的，步骤(1)中，冶铸包括电炉冶炼、钢包炉精炼、真空浇注、真空脱气和电渣重熔。
优选的，步骤(2)中，锻造采用水压机自由锻，所述水压机为10000吨水压机。
优选的，步骤(2)中，锻造比≥5。锻造比配合合适的始锻温度和终锻温度，解决了锻件在锻造过程中易出现的晶粒粗大，力学性能不达标，锻造裂纹等缺陷，提高了锻件质量。
优选的，步骤(3)中，第一次保温处理的时间为10-14h，第二次保温处理的时间为16-20h，第三次保温处理的时间为14-18h，第四次保温处理的时间为16-20h，第五次保温处理的时间为38-42h。
优选的，步骤(4)中，淬火处理和回火处理时间根据锻件的直径决定，淬火处理的时间不低于1h/50mm，50mm为锻件的直径，回火处理不低于1h/25mm，25mm为锻件的直径。当锻件直径为100mm时，淬火处理时间不低于2h，回火处理时间不低于4h。
优选的，步骤(4)中，性能热处理是在罩式电阻炉中进行。
发明的有益效果：
1、本发明通过合理控制各成分的用量，各成分之间相互协同促进，提高了材料的强度和塑性，并提高了锻件低温耐冲击性能；采用本发明的锻后热处理工艺以及淬火、回火的热处理工艺，细化析出强化相，提高钢的耐腐蚀性，进一步提高了锻件的低温耐冲击性能。
2、通过本发明各成分之间的配合，并配合本发明的制备方法，制备得到的管接头抗拉强度≥700MPa，屈服强度≥560MPa，断后伸长率≥20％，三向低温冲击平均值≥50J，布氏硬度≥210，这些性能指标已经完全高于深海油气接管嘴的技术要求。
附图说明
图1为本发明管接头的结构示意图；
图2为本发明锻后热处理的流程示意图；
图3为本发明性能热处理的流程示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
一种管接头，其化学成分及重量百分比为：碳0.27％，锰0.66％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，硅0.13％，镍0.72％，铬0.81％，钼0.33％，铝0.01％，铌0.015％，钒0.03％，铜≤0.15％，余量为铁及不可避免杂质。铜、铌、铝、钒及不可避免的杂质的总量小于等于1.00％，所述不可避免的杂质包括氮、氧、氢，其中氮≤100ppm，氧≤30ppm，氢≤1.6ppm。
上述管接头的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶铸，采用电炉冶炼、钢包炉精炼、真空浇注、真空脱气和电渣重熔；
(2)锻造；采用10000吨水压机自由锻，始锻温度1250℃，终锻温度750℃，锻造比为5；第一步先打钳把锉底，第二步采用FM锻造法倒棱，锻造工装为上平砧下平台，第三步采用胎模成形法增加管嘴的锻造比，同时将管身拔长；
(3)锻后热处理；首先600℃进行第一次保温处理，处理时间为14h，以30℃/h的降温速度降温至300℃进行第二次保温处理，处理时间为20h，以50℃/h的升温速度升温至870℃进行第三次保温处理，处理时间为18h，放置在空气中冷却至300℃进行第四次保温处理，处理时间为20h，以50℃/h的升温速度升温至670℃进行第五次保温处理，处理时间为42h，以30℃/h的降温速度降温至400℃，然后以15℃/h的降温速度降温至250℃；
(4)性能热处理；包括淬火处理和回火处理，淬火处理和回火处理在罩式电阻炉中进行，淬火初始温度≤300℃，以150℃/h的升温速度升温至830-899℃淬火处理，然后水冷至温度小于或等于204℃，然后以150℃/h的升温速度升温至660-720℃回火处理，淬火处理不低于1h，回火处理时间不低于2h。
实施例2：
一种管接头，其化学成分及重量百分比为：碳0.34％，锰1.09％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，硅0.37％，镍0.93％，铬1.09％，钼0.47％，铝0.031％，铌0.035％，钒0.06％，铜≤0.15％，余量为铁及不可避免杂质。铜、铌、铝、钒及不可避免的杂质的总量小于等于1.00％，所述不可避免的杂质包括氮、氧、氢，其中氮≤100ppm，氧≤30ppm，氢≤1.6ppm。
上述管接头的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶铸，采用电炉冶炼、钢包炉精炼、真空浇注、真空脱气和电渣重熔；
(2)锻造；采用10000吨水压机自由锻，始锻温度1200℃，终锻温度800℃，锻造比为5；第一步先打钳把锉底，第二步采用FM锻造法倒棱，锻造工装为上平砧下平台，第三步采用胎模成形法增加管嘴的锻造比，同时将管身拔长；
(3)锻后热处理；首先650℃进行第一次保温处理，处理时间为10h，以25℃/h的降温速度降温至350℃进行第二次保温处理，处理时间为16h，以45℃/h的升温速度升温至890℃进行第三次保温处理，处理时间为14h，放置在空气中冷却至350℃进行第四次保温处理，处理时间为16h，以45℃/h的升温速度升温至690℃进行第五次保温处理，处理时间为38h，以25℃/h的降温速度降温至400℃，然后以10℃/h的降温速度降温至250℃；
(4)性能热处理；包括淬火处理和回火处理，淬火处理和回火处理在罩式电阻炉中进行，淬火初始温度≤300℃，以140℃/h的升温速度升温至830-899℃淬火处理，然后水冷至温度小于或等于204℃，然后以140℃/h的升温速度升温至660-720℃回火处理，淬火处理不低于1h，回火处理时间不低于2h。
实施例3：
一种管接头，其化学成分及重量百分比为：碳0.30％，锰0.88％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，硅0.23％，镍0.80％，铬0.90％，钼0.40％，铝0.020％，铌0.022％，钒0.04％，铜≤0.15％，余量为铁及不可避免杂质。铜、铌、铝、钒及不可避免的杂质的总量小于等于1.00％，所述不可避免的杂质包括氮、氧、氢，其中氮≤100ppm，氧≤30ppm，氢≤1.6ppm。
上述管接头的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶铸，采用电炉冶炼、钢包炉精炼、真空浇注、真空脱气和电渣重熔；
(2)锻造；采用10000吨水压机自由锻，始锻温度1250℃，终锻温度750℃，锻造比为5；第一步先打钳把锉底，第二步采用FM锻造法倒棱，锻造工装为上平砧下平台，第三步采用胎模成形法增加管嘴的锻造比，同时将管身拔长；
(3)锻后热处理；首先630℃进行第一次保温处理，处理时间为12h，以30℃/h的降温速度降温至330℃进行第二次保温处理，处理时间为18h，以50℃/h的升温速度升温至880℃进行第三次保温处理，处理时间为16h，放置在空气中冷却至330℃进行第四次保温处理，处理时间为18h，以50℃/h的升温速度升温至680℃进行第五次保温处理，处理时间为40h，以30℃/h的降温速度降温至400℃，然后以15℃/h的降温速度降温至250℃；
(4)性能热处理；包括淬火处理和回火处理，淬火处理和回火处理在罩式电阻炉中进行，淬火初始温度≤300℃，以150℃/h的升温速度升温至830-899℃淬火处理，然后水冷至温度小于或等于204℃，然后150℃/h的升温速度升温至660-720℃回火处理，淬火处理不低于1h，回火处理时间不低于2h。
将上述实施例1-3制备得到的管接头进行性能检测：
拉伸试验和冲击试验，试验方法采用ASTM A370，冲击试验在温度为-30℃下测定；
硬度试验，试验方法采用ASTM E10；
塔形试验，试验方法采用GB/T 15711；
实施例1-3测定结果无明显差异，其中实施例3性能最优，实施例3制备的管接头性能测定结果如下表1，表2所示。
表1：
表2：
通过表1和表2可知，按本专利制造出的管接头可完全满足技术条件的要求，按照本发明制造的管接头可替代进口产品。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种管接头，其特征在于，其化学成分及重量百分比为：碳0.27-0.34％，锰0.66-1.09％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，硅0.13-0.37％，镍0.72-0.93％，铬0.81-1.09％，钼0.33-0.47％，铝0.01-0.031％，铌0.015-0.035％，钒0.03-0.06％，铜≤0.15％，余量为铁及不可避免杂质；
所述管接头的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶铸；
(2)锻造；始锻温度≤1250℃，终锻温度≥850℃，锻造比≥5；
(3)锻后热处理；首先600-650℃进行第一次保温处理10-14h，以小于或等于30℃/h的降温速度降温至300-350℃进行第二次保温处理16-20h，以小于或等于50℃/h的升温速度升温至870-890℃进行第三次保温处理14-18h，放置在空气中冷却至300-350℃进行第四次保温处理16-20h，以小于或等于50℃/h的升温速度升温至670-690℃进行第五次保温处理38-42h，以小于或等于30℃/h的降温速度降温至400℃，然后以小于或等于15℃/h的降温速度降温至250℃；
(4)性能热处理；包括淬火处理和回火处理，淬火初始温度≤300℃，升温至830-899℃淬火处理，然后水冷至温度小于或等于204℃，升温至660-720℃回火处理。
2.根据权利要求1所述的管接头，其特征在于，其化学成分及重量百分比为：碳0.28-0.33％，锰0.70-1.05％，磷≤0.015％，硫≤0.010％，硅0.15-0.35％，镍0.75-0.90％，铬0.85-1.05％，钼0.35-0.45％，铝0.015-0.030％，铌0.015-0.035％，钒0.03-0.05％，铜≤0.15％，余量为铁及不可避免杂质。
3.根据权利要求1或2所述的管接头，其特征在于，铜、铌、铝、钒及不可避免的杂质的总量小于或等于1.00％。
4.根据权利要求3所述的管接头，其特征在于，所述不可避免的杂质包括氮、氧、氢，其中氮≤100ppm，氧≤30ppm，氢≤1.6ppm。
5.根据权利要求1所述的管接头，其特征在于，制备方法步骤(1)中，冶铸包括电炉冶炼、钢包炉精炼、真空浇注、真空脱气和电渣重熔。
6.根据权利要求1所述的管接头，其特征在于，制备方法步骤(4)中，淬火处理和回火处理时间根据锻件的直径决定，淬火处理的时间不低于1h/50mm，50mm为锻件的直径，回火处理不低于1h/25mm，25mm为锻件的直径。
7.权利要求1-6任一项所述管接头在制备深海采油管中的应用。
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