CN111876665B

CN111876665B - 一种低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢及其热处理工艺

Info

Publication number: CN111876665B
Application number: CN202010566629.8A
Authority: CN
Inventors: 陈世杰; 汪开忠; 胡芳忠; 杨志强; 金国忠; 吴林; 郝震宇; 胡乃悦; 杨少朋; 伍万飞
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2040-06-19
Also published as: CN111876665A

Abstract

本发明提供一种低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢及其热处理工艺，成分C 0.13％‑0.15％、Si 0.20％‑0.28％、Mn 1.50％‑1.60％、P痕量‑0.010％、S痕量‑0.005％、Cr 0.12％‑0.18％、Mo 0.10％‑0.20％、Ni 0.40％‑0.60％、V 0.10％‑0.20％、Nb 0.040％‑0.060％、Ti 0.020％‑0.040％、Als 0.020％‑0.060％、其余为Fe和其它不可避免的杂质，得到的钢材屈服强度达到550MPa级别且具有良好的低温冲击韧性和焊接性能。

Description

一种低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢及其热处理工艺

技术领域

本发明属于合金领域，涉及深海采油树设备连接器用钢技术领域，尤其涉及一种低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢及其热处理工艺。

背景技术

我国海洋具有丰富的油气资源，目前已探明储量达几百亿吨，其中绝大多数位于深海区域。但水下油气田开采的核心装备(深海采油树)的制造技术目前主要集中在美国，我国被迫长期依赖进口，不仅费用高昂。

随着世界能源形势日趋紧张，向深海采油是今后的发展方向，深海采油树常年处于高盐、高压、低温、高冲击等极其恶劣海况工作环境。连接器是深海采油树的重要组件之一，位于套管头上面，不但要承载采油树总成全部重量，还要抵抗来自井内向上的压力，并使采油树牢固地固定在井口上。因此，深海采油树设备连接器用钢必须具有高强度、高韧性(特别是低温韧性)、耐高压、抗冲击性强、抗疲劳性能强等综合性能且具有较好的焊接性能。

对于采油树连接器这类特殊强度级别和低温韧性要求的结构件，常规设计选材为高镍或高铬钼合金钢，但采用高镍或高铬钼合金钢制造的连接器锻件焊接性能难以满足要求，因此各制造厂商试图用低合金高强度钢替代高镍或高铬钼合金钢来制造采油树连接器这类结构件。

2011年5月25日公开的南京迪威尔重型锻造股份有限公司的专利CN201010555698公开了一种深海采油树设备连接器用钢锻件制造工艺，选择了铬镍钼低合金钢F65MOD材料，所述材料的化学成分按重量百分比含有：C 0.10％-0.12％、Si 0.30％-0.35％、Mn1.00％-1.40％、P痕量-0.015％、S痕量-0.010％、Cr 0.10％-0.25％、Mo 0.15％-0.40％、V≤0.04％、Ni0.50％-1.00％、Nb≤0.040％、B痕量-0.0005％、[H]≤0.0002％，CEV 0.43％-0.46％。与常规设计选材高镍或高铬钼合金钢相比，显著提高了焊接性能，降低了原材料价格,所生产的深海采油树设备连接器屈服强度可达到450MPa级。不足之处在于制造工艺复杂，无法通过常规工艺生产，生产周期长且材料利用率较低，制造成本及难度大大提高。

随着采油深度的不断提高，深海采油树设备连接器屈服强度要求逐渐由450MPa级向550MPa级及更高级别发展，450MPa级深海采油树设备连接器已不能很好的满足目前深海采油行业的发展，更不能适应其未来发展的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢，实现钢材屈服强度达到550MPa级别且具有良好的低温冲击韧性和较好的焊接性能。

本发明另一目的在于提供一种低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢的热处理工艺，经910-950℃淬火，水冷，660-690℃回火，空冷的热处理工艺调质热处理后钢材的屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥660MPa，断后伸长率≥21％，断面收缩率≥72％，-46℃低温冲击功≥130J，-60℃低温冲击功≥90J且具有较好的焊接性能。

本发明具体技术方案如下：

一种低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢，含有以下重量百分比的化学成分：

C 0.13％-0.15％、Si 0.20％-0.28％、Mn 1.50％-1.60％、P痕量-0.010％、S痕量-0.005％、Cr 0.12％-0.18％、Mo 0.10％-0.20％、Ni 0.40％-0.60％、V 0.10％-0.20％、Nb 0.040％-0.060％、Ti 0.020％-0.040％、Als 0.020％-0.060％、其余为Fe和其它不可避免的杂质。

进一步的，控制22.5≤X≤26.5，其中X＝75C+6(Mn+Cr)+2(Ni+Si)+7Mo+9V。

CEV(％)＝C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15，CEV是碳当量公式；本发明CEV：0.48～0.55；

Pcm(％)＝C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Mo/15+Ni/60+V/10+5B，Pcm是焊接冷裂纹敏感指数；本发明Pcm：0.25～0.28。

上述低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢生产工艺流程为：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→铸坯锻造开坯→采油树设备连接器毛坯锻造→采油树设备连接器毛坯粗车加工→热处理→采油树设备连接器精车加工、磨削→探伤。

所述热处理采用包括淬火+高温回火，具体技术方案如下：

本发明提供的一种低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢热处理工艺，包括淬火和回火。

所述淬火：将深海采油树设备连接器用钢加热至温度910-950℃，在该温度段加热保温时间按1.0-1.5min/mm×钢材厚度(单位：mm)计算，随后水冷；水冷所用的水，淬火前水温需控制在25±5℃，淬火过程中采用搅拌的方式保证水温上升幅度≤10℃；

所述回火：将淬火后的深海采油树设备连接器用钢加热至温度660-690℃，在该温度段加热保温时间按2.0-2.5min/mm×钢材厚度(单位：mm)计算，随后空冷至室温；

淬火和回火工艺过程中的加热速度为50-100℃/h。

本发明设计原理如下：

C：C是钢中最基本有效的强化元素，在深海采油树设备连接器用钢中是获得高强度的必要元素。高的碳含量虽然对钢的强度有利，但不利于钢的塑性和韧性，且会大大降低钢的易焊接性。C含量控制在0.13％-0.15％。

Si：Si是钢中强化的重要元素，通过固溶作用提高钢的强硬度，研究表明其对耐蚀性存在一定有利影响。但含量过高，将恶化韧性和可焊性，对钢的表面质量也有不利影响，Si含量控制在0.20％-0.28％。

Mn：Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时Mn能提高奥氏体组织的稳定性。但过量的Mn易产生宏观偏析，导致钢的韧性显著降低。Mn含量控制在1.50％-1.60％。

Cr：Cr能显著增加钢的强度，但过量的Cr增加钢的回火脆性倾向，且会恶化钢的可焊性。Cr含量控制在0.12％-0.18％。

Mo：Mo主要通过碳化物的析出强化和固溶强化形式来提高钢的强度，同时能够大幅提高钢的淬透性，Mo的碳化物颗粒细小而不会造成微观组织结构的应力集中，有利于提高钢的冲击韧性。Mo含量控制在0.10％-0.20％。

V：钢中加V主要起析出强化作用，晶粒细化作用相对较小，对强度提高作用明显，但韧性改善较小，甚至会提高脆性转变温度，V含量不宜过高，控制在0.10％-0.20％。

Nb：Nb的碳氮化物可以“钉扎”晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，其在钢中主要作用是细化晶粒，提高晶粒粗化温度，能提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度，Nb含量控制在0.040％-0.060％。

Ti：Ti含量≤0.08％时主要起细化晶粒作用，其与C、N结合析出的TiN、TiC相有效的阻碍奥氏体晶粒度长大，起到细化晶粒的作用，而V-Ti复合加入时，对组织的细化效果更好。同时钢中加入一定量的Ti，可降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。但Ti含量过高容易液析TiN点状夹杂，降低材料的冲击韧性，Ti含量控制在0.020％-0.040％。深海采油树设备连接器用钢在要求高强度的同时对低温韧性要求也较高，因此采用Nb+V+Ti复合加入方式，在大幅提高强度同时保证良好的低温韧性。

Ni：晶格常数与面心立方铁相近，可以连续固溶，促进交滑移的进行，降低了位错运动阻力，使应力松弛，在钢中加入Ni能有效提高钢的心部韧性，降低韧脆转变温度，提高低温冲击性能。为获得良好的低温韧性，Ni含量控制在0.40％-0.60％。

Al：Al是钢中常用的脱氧剂，钢中加入适量的Al可细化晶粒，提高冲击韧性，Al还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，Al含量过高则会对热加工性能、焊接性能等产生不利影响。Al含量控制在0.020％-0.060％。

S和P：不可避免的不纯物，形成MnS夹杂物和在晶界偏析会恶化钢的韧性，从而降低钢的韧塑性。由于钢中Mn含量较高，因此，S含量应控制在0.005％以下。；P是具有强烈偏析倾向的元素，通常还引起硫和锰的共同偏聚，对产品组织和性能的均匀性有害，对焊接性能也有不利影响。控制P≤0.010％。

X：X主要表征材料的强度和焊接性能，具体计算公式为：X＝75C+6(Mn+Cr)+2(Ni+Si)+7Mo+9V。对于低合金钢，钢中含碳量是决定材料强度和焊接性能的主要因素，钢中其他合金元素对材料强度和焊接性能也具有不同程度的影响，C可以提高焊缝强度、硬度，但同时会增加焊缝的结晶裂纹和焊接接头的冷裂纹倾向，使焊接性能恶化，C对X参数贡献最大，系数定为75；Mn可以改善焊缝组织，细化珠光体晶粒，提高焊缝的强度和淬透性，降低韧脆转变温度，含1.5％左右Mn时焊态和消除应力状态下焊缝的冲击韧性最佳。同时Mn可以用来脱硫，从而减少低熔点化合物在晶间的分布，降低焊缝金属的结晶裂纹敏感性，系数定为6；Si会引起固溶强化和二次相析出增多，导致焊缝金属变脆，对韧性有害，但适量的Si可防止焊缝气孔的形成，Si的系数定为2；Mo会提高热影响区的淬硬倾向，使裂纹敏感性增大，Mo对焊缝强度的影响比Mn大，系数定为7；Cr可以提高焊缝的耐热性和焊缝金属的硬度，同时会提高韧脆转变温度，系数定为6；Ni的加入可以提高焊缝的强度，但Ni含量较高时会使裂纹敏感性增强，系数定为2；V可以细化焊缝金属的铸态组织，防止热影响区晶粒过分长大，系数定为9。根据不同合金元素对材料强度和焊接性能的综合影响所占比重得到参数X。X值过高会导致材料焊接性能恶化，过低会导致材料的力学性能无法满足使用要求，故X值控制在22.5-26.5。

本发明所述深海采油树设备连接器用钢，具有低成本、高强度、耐低温、较好焊接性能等优点，为保证效果，碳当量主要影响元素如C、Mn、Cr、Mo、V不得同时按照上限或下陷进行控制，如部分元素接近上限或下限，其余元素应按下限或上限进行控制，保证碳当量控制在设计要求之内。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明所述深海采油树设备连接器用钢通过对钢中各元素配比进行设计，并结合合适的热处理工艺，最终得到的锻件屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥660MPa，断后伸长率≥21％，断面收缩率≥72％，-46℃低温冲击功≥130J，-60℃低温冲击功≥90J且具有较好的焊接性能。与专利CN201010555698中采用的铬镍钼低合金钢F65MOD材料相比，使用本发明所述的深海采油树设备连接器用钢进行深海采油树设备连接器制造时，采用常规锻造工艺即可达到采油树设备连接器相关性能要求，无需进行三向坐标方向反复镦粗、拔长，锻造难度及锻造成本大幅降低，屈服强度也由450MPa级别提高到550MPa级别，热处理工艺调整空间较大。

(2)本发明提供的深海采油树设备连接器用钢屈服强度≥550MPa，-60℃低温冲击功≥90J，可适用于更低环境温度下及更高强度要求的深海采油树设备连接器。

附图说明

图1为实施例1显微组织(500×)；

图2为实施例1晶粒度(100×，8.5级)。

以下的实施例用于阐述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于以下实施例。

实施例1-实施例4

一种低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢，生产工艺流程为：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→铸坯锻造开坯→采油树设备连接器毛坯锻造→采油树设备连接器毛坯粗车加工→热处理→采油树设备连接器精车加工、磨削→探伤。

取石油锻件用F22钢作为对比例，实施例1-4中所述的深海采油树设备连接器用钢及对比例的化学成分重量百分比见表1，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。

实施例1-4中所述的低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢及对比例的生产过程中所述的热处理，包括淬火和回火。

所述淬火：将深海采油树设备连接器用钢加热至温度910-950℃，在该温度段加热保温时间按1.0-1.5min/mm×钢材厚度(单位：mm)计算，随后水冷，淬火前水温需控制在25±5℃，淬火过程中采用搅拌的方式保证水温上升幅度≤10℃；

淬火和回火工艺过程中的加热速度为50-100℃/h。

实施例1-4及对比例热处理具体工艺参数见表2。

实施例1-4中所述的深海采油树设备连接器用钢及对比例按照上述方法所生产的钢(厚度均为80mm)力学性能检验结果见表3。

表1实施例1-4化学成分(单位：wt％)

表2实施例1-4热处理工艺

表3实施例1-4力学性能

实施例	R<sub>m</sub>/MPa	R<sub>eL</sub>/MPa	A/％	Z/％	-46℃KV<sub>2</sub>/J	-60℃KV<sub>2</sub>/J
							实施例1	673	569	22	74	138	92
实施例2	681	570	22	72	133	94
							实施例3	669	559	23	75	145	98
实施例4	685	588	21	73	133	93
							对比例	730	589	19	53	102	78

由表1-表3可见，对比例中的F22钢虽具有较高强度及较好的低温冲击韧性，但X值高达35.2，远超本实施例中22.5≤X≤26.5的范围，焊接性能较差，难以满足深海采油树设备连接器对焊接性能的要求。各实施例中屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥660MPa、断后伸长率≥21％，断面收缩率≥72％，-46℃低温冲击功≥130J，-60℃低温冲击功≥90J且具有良好的焊接性能，可适用于更低环境温度下及更高强度要求的深海采油树设备连接器。

Claims

1.一种低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢，其特征在于，所述低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢含有以下重量百分比的化学成分：

C 0.13％-0.15％、Si 0.20％-0.28％、Mn 1.50％-1.60％、P痕量-0.010％、S痕量-0.005％、Cr 0.12％-0.18％、Mo 0.10％-0.20％、Ni 0.40％-0.60％、V 0.10％-0.20％、Nb0.040％-0.060％、Ti 0.020％-0.040％、Als 0.020％-0.060％、其余为Fe和其它不可避免的杂质；

控制各化学成分含量，使22.5≤X≤26.5，其中X＝75C+6(Mn+Cr)+2(Ni+Si)+7Mo+9V；

所述低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥660MPa，断后伸长率≥21％，断面收缩率≥72％，-46℃低温冲击功≥130J，-60℃低温冲击功≥90J；

所述低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢Pcm：0.25～0.28。

2.一种权利要求1所述的低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢的热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺包括淬火和回火。

3.根据权利要求2所述的处理工艺，其特征在于，所述淬火：将深海采油树设备连接器用钢加热至温度910-950℃，在该温度段加热保温时间按1.0-1.5min/mm×钢材厚度mm计算，随后水冷。

4.根据权利要求2所述的处理工艺，其特征在于，水冷所用的水，淬火前水温需控制在25±5℃，淬火过程中采用搅拌的方式保证水温上升幅度≤10℃。

5.根据权利要求2或3所述的处理工艺，其特征在于，所述回火：将淬火后的深海采油树设备连接器用钢加热至温度660-690℃，在该温度段加热保温时间按2.0-2.5min/mm×钢材厚度mm计算，随后空冷至室温。

6.根据权利要求3-5任一项所述的处理工艺，其特征在于，淬火和回火工艺过程中的加热速度为50-100℃/h。