超高強度超高低溫沖擊壓裂泵閥箱體鋼鍛件及其制造方法與流程

本發明涉及石油、頁巖氣開采領域的設備用材料及其制造方法，特別是涉及一種超高強度超高低溫沖擊壓裂泵閥箱體鋼鍛件及其制造方法。

背景技術：
目前，在石油、頁巖氣開采領域，壓裂技術能夠有效的提高石油、頁巖氣的開采量，壓裂泵是壓裂開采過程中的關鍵設備。根據國家經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要對改造提升制造業、優化結構、改善品種質量、提高基礎工藝、提高基礎材料研發水平、實現關鍵零部件技術自動化等方面的有關要求，特別是國家對石油油氣井提升產能、增加產量的要求越來越高，對壓裂泵的技術要求也越來越高。壓裂泵的性能、質量和可靠性直接影響壓裂實施過程的質量和進度，因為壓裂泵的使用工況很惡劣，要求壓裂泵有更高的泵壓和更大的排量，要求其能夠承受高壓、循環載荷作用，還要求其能輸送高壓帶磨礪、腐蝕的介質，更要求其能再惡劣的工況下可靠運行并保持更高的使用壽命。尤其對于壓裂泵閥箱體有著相對較高的要求，要求泵閥箱體不但要承受超高的壓力，而且要承受較高的交變載荷沖擊力和耐酸堿腐蝕力。此外，由于在高寒地區冬天的氣溫在零下40℃左右甚至更低，故要求泵閥箱體能夠承受低溫沖擊。所以，要符合上述要求，就要對泵閥箱體的材料的選擇、加工制造工藝進行改進，攻克技術難題。目前普遍使用的壓裂泵閥箱體材料是沿用國產40CrNimoA、俄羅斯38CrNi2moV和美國4330牌號材料，經鍛造加工而成，其使用壽命僅在250～300h，且不能滿足在高寒地區的正常使用。而且現有鍛造加工工藝方法生產出來的材料機械性能不強、耐腐蝕性差。此外，在常溫工況下使用時，耐腐蝕力較差、使用壽命短、成本高，不能滿足石油增產和頁巖氣壓裂開采的需求。所以研制出超高壓、超高強度、耐腐蝕、超低溫沖擊韌性、超細晶、無冶金缺陷的壓裂泵閥箱體材料已經是亟待解決的技術問題。

技術實現要素：
本發明就是為了解決上述技術問題或者至少之一，提供一種超高強度、耐腐蝕性更強、超高沖擊韌性、超細晶、無冶金缺陷、成本低的超高強度超高低溫沖擊壓裂泵閥箱體鋼鍛件及其制造方法。本發明提供一種超高強度超高低溫沖擊壓裂泵閥箱體鋼鍛件，該鍛件鋼的化學成分按重量百分比計為：C：0.25～0.3％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.6～0.9％，Cr：1.8～2.2％，Ni：4.05～4.25％，Mo：0.46～0.6％，V：0.12～0.18％，P≤0.01％，S≤0.01％，Nb≤0.12％，Re≤0.12％，Cu≤0.2％，H≤0.00016％，0≤0.0035％，N≤0.0065％，余量為Fe和不可避免的雜質。本發明還提供一種超高強度超高低溫沖擊壓裂泵閥箱體鋼鍛件的制造方法，包括如下步驟：1)煉鋼；2)加熱保溫；3)鍛造；4)鍛造后熱處理。優選地，其煉鋼步驟為：電弧爐冶煉-爐外精煉-真空脫氣-澆注電極坯-電渣重熔-擴散退火。優選地，加熱保溫步驟采用三段加熱法進行，三段加熱法具體為：在500℃±10℃的溫度下保溫7h；升溫至650℃±10℃保溫5h；升溫至850℃±10℃保溫5h；升溫至1180℃±10℃均溫3h；在1180℃±10℃的溫度下保溫8h。優選地，在保溫之前先將常溫下的鋼錠放入200℃以下的加熱爐，對爐內的溫度按照50℃/h的升溫速度升至500℃±10℃；升溫至650℃±10℃這個過程的升溫速度是60℃/h；升溫至850℃±10℃這個過程的升溫速度是60℃/h；升溫至1180℃±10℃這個過程的升溫速度是80℃/h。優選地，鍛造步驟包括第一火次鍛造和第二火次鍛造，每次的鐓粗比控制在2～2.5，拔長鍛比控制在比2～2.5，總鍛比控制在8～12。優選地，鍛造后熱處理過程為：將鍛造過程輸出的鍛件以水霧空冷方式冷卻至450℃，再放入加熱爐進行正火+回火處理。優選地，正火+回火處理包括如下步驟：1)將冷卻至450℃的鍛件放入加熱爐在450℃±10℃的溫度下保溫6h：2)升溫至860℃±10℃均溫3h，保溫7h；3)把鍛件從爐中取出后以水霧空冷方式均勻冷卻至320℃；4)將冷卻至320℃的鍛件放入加熱爐在320℃±10℃下保溫7h；5)升溫至660℃±10℃，均溫、保溫72h；6)停爐，鍛件隨爐冷卻至150℃時，把鍛件從爐中取出后入坑堆冷卻至常溫狀態。優選地，鍛造過程輸出的鍛件的終鍛溫度＞850℃；升溫至860℃±10℃這個過程的升溫速度是80℃/h；升溫至660℃±10℃這個過程的升溫速度是60℃/h；隨爐冷卻至150℃的降溫速度是≤30℃/h。優選地，煉鋼步驟完成后，對制成的鋼錠進行檢驗，檢驗合格后的產品再進入加熱保溫過程中，具體檢驗步驟是：首先對鋼錠的化學成分進行全分析；其次做金相分析保證鋼中非金屬單項夾雜物小于等于1級，氧化物和硫化物夾雜物總和小于等于2級，錠型偏析、中心疏松小于等于1級，不允許有一般點狀偏析和邊緣點狀偏析存在；再次做超聲波無損探傷檢驗，檢驗是否存在冶金縮孔、裂紋或粗晶缺陷。優選地，對完成鍛造后熱處理的鍛件進行粗加工及超聲波無損探傷，并進行外觀檢驗、尺寸檢驗、劃線、鋸切兩端余料和粗銑；再次劃線、鋸切，然后在鍛件本體上取樣進行調質處理，對調制后的樣品做力學性能試驗和金相檢驗，檢驗合格后對鍛件進行標記、包裝、入庫。本發明的有益效果是：1、耗費大量的人力、物力和財力經過長時間的實驗，研制出了超高強度、耐腐蝕性更強、超高沖擊韌性、超細晶、無冶金缺陷的新材料和制造方法。采取調整鋼中化學成分元素比例、冶煉方法、去除有害元素等工藝，在鍛造中使用WRF法即中心強壓鍛造法的特殊鍛造工藝和鍛后熱處理工藝，完全解決了壓裂泵材料的抗拉強度和屈服強度，保證了其在100～150MPa下的超高壓工況條件，保證了其在-40℃工作環境抗交變載荷的沖擊力，保證了其耐酸堿腐蝕和耐高溫，徹底解決了壓裂泵閥箱體壽命短，能夠長時間在高壓工況下工作，特別是在-40℃工況下工作，超過了歐美國家對壓裂泵閥箱體的設計要求。2、在煉鋼過程中，減少鋼中的碳含量≤0.3％，提高鋼的塑性和韌性；提高鋼中的鎳含量≥4％，從而提高了材料的抗晶間腐蝕能力；提高了鋼中的鉻含量＞1.8％，從而提高了鋼的強度、耐磨性和防腐性能；提高了鋼的鉬含量＞0.45％，從而提高了鋼的耐磨和抗沖擊性能，提高了材料的淬透性和強度；在鋼中加入適量鈮和稀土等微量元素，有效地消除鋼中其它有害物質及夾雜物的形態和分布，改善鋼中的鑄態組織，提高材料的抗氧化作用和耐酸、耐腐蝕作用，由于細化了鋼的晶粒，提高了鋼的低溫沖擊韌性，降低了鋼的脆性轉折點，增強了鋼的蠕變強度，能夠防止氧化介質對鋼的晶間腐蝕，同時提高了鋼的綜合強度；在鋼中加入＞0.12％釩，提高了材料的低溫沖擊韌性和耐磨性，提高了鋼的蠕變和持久強度，大大提高了鋼的抗高溫、高壓及氫腐蝕能力，較大的提高了材料的使用壽命；控制了P、S≤0.010％的含量，避免了鋼的嚴重偏析，回火脆性及低溫條件下冷脆敏感性，同時也避免了鋼的熱脆及氣孔和疏松的產生，材料能夠在不同高溫、低溫工況條件工作時有效的防止材料自身冷、熱裂造成的不良力學性能影響；控制了H≤1.6ppm、0≤35ppm、N≤65ppm，降低了鋼中的氫含量，預防了鋼中的白點的產生，避免了冷裂的發生，降低和控制氧含量，能消除氧化夾雜物存在，提高鋼的塑性和韌性，降低氮含量，可以避免殘余氮導致的時效脆性有效的控制了鋼中有害氣體的殘余量；采取了電渣重熔工藝冶煉，進一步對鋼中的夾雜物進行了控制，從而達到了材料的純潔度，為下一步鍛造打好基礎。3、在鍛造過程中，第一火次采用上下大截面寬板鍛粗法和WRF法進行徑向壓實，兩次鐓拔，總鍛比＞8，即焊合了材料的內部殘余缺陷，又增加了鍛件的密度，同時更進一步細化了晶粒；第二火次繼續增加了一次鐓粗，徑向壓實過程，使總鍛比＞12，使纖維組織成方格狀態，完全滿足了設計要求，鍛后采用直接過冷至450℃，充分利用鍛件鍛造后余熱快冷細化晶粒，降低了燃料消耗，提高了生產效率。采用本發明生產、制造的壓裂泵閥箱體鍛件，抗拉強度Rm＞1200MPa，屈服強度Rp0.2＞1100MPa，延伸率A＞1.5％，斷面收縮率Z＞50％，夏比沖擊AKV(-40℃)＞78J，晶粒度＞8級。完全滿足了石油、頁巖氣開采中在不同工況條件下，對壓裂泵的使用壽命的設計要求。4、鍛造后熱處理中，直接冷卻至450℃，能夠充分利用鍛件鍛造后預熱快冷細化晶粒，降低了燃料消耗，提高了生產效率。5、增加了成分全分析、金相檢驗和超聲波無損探傷檢驗，篩選出材料成分、夾雜物和無損探傷等各項質量指標合格的材料。本發明進一步的特征，將在以下具體實施方式的描述中，得以清楚地記載。附圖說明圖1是加熱保溫過程的溫度-時間關系圖；圖2是鍛造后熱處理過程的溫度-時間關系圖；圖3是本發明內部纖維組織結構示意圖；圖4是鋼錠鐓粗前的狀態圖；圖5是鐓粗后的狀態圖；圖6是用WRF法強壓的四方坯料的狀態圖；圖7是上、下平砧拔八方坯料的狀態圖；圖8是鍛造完后的毛坯狀態圖。具體實施方式第一、二、三和四實施例選用常規原材料，經過電弧爐冶煉-爐外精煉-真空脫氣-澆注電極坯-電渣重熔-擴散退火這幾個步驟把原材料制成如表1所示的化學成分的鋼錠。該化學成分的鋼錠符合Q/HWG-QW07010-2011標準中規定的“C≤0.30、Si：0.15-0.35、Mn：0.6-0.9、S≤0.010、P≤0.010、Cr：1.80-2.20、Ni＞4.00、M0＞0.45、V：0.12-0.18、Cu≤0.20、Nb、Re：適量、H≤1.6ppm、0≤35ppm、N≤65ppm”的要求。表1實施例中鋼錠化學成分(wt％)，余量為Fe和不可避免的雜質。第五實施例1.煉鋼：選用常規原材料，經過電弧爐冶煉-爐外精煉-真空脫氣-澆注電極坯-電渣重熔-擴散退火這幾個步驟把原材料制成如表1所示的化學成分的鋼錠。該化學成分的鋼錠符合Q/HWG-QW07010-2011標準中規定的“C≤0.30、Si：0.15--0.35、Mn：0.6--0.9、S≤0.010、P≤0.010、Cr：1.80-2.20、Ni＞4.00、Mo＞0.45、V：0.12-0.18、Cu≤0.20、Nb、Re：適量、H≤1.6ppm、0≤35ppm、N≤65ppm”的要求。2.檢驗：對電渣重熔鋼錠進行成分全分析、金相檢驗和超聲波無損探傷檢驗，篩選出材料成分、夾雜物和無損探傷等各項質量指標合格的鋼錠。具體過程是首先對鋼錠的化學成分進行全分析，保證各成分的含量在標準要求范圍內；其次做金相分析保證鋼錠中非金屬單項夾雜物不大于1級，氧化物和硫化物夾雜物總和不大于2級，錠型偏析、中心疏松不大于1級，不允許有一般點狀偏析和邊緣點狀偏析存在；再次做超聲波無損探傷檢驗，檢驗是否存在冶金縮孔、裂紋或粗晶缺陷。保證進入下一道工序的產品是符合標準要求的產品。3.加熱保溫：如圖1所示，將檢驗合格的鋼錠進行加熱保溫，將常溫下的鋼錠放入200℃以下的加熱爐中。按照三段加熱法進行加熱保溫，先對爐內的溫度按照50℃/h的升溫速度升至500℃±10℃，在500℃±10℃的溫度下對鋼錠保溫7h，再以60℃/h的升溫速度升至650℃±10℃并保溫5h，然后以60℃/h的升溫速度升至850℃±10℃保溫5h，再然后以80℃/h的升溫速度升至1180℃±10℃均溫3h，最后在1180℃±10℃下保溫8h。4.鍛造：該步驟分為第一火次鍛造和第二火次鍛造，下述過程中的附圖中D表示直徑，H表示高度。(1)第一火次鍛造：①如圖4和圖5所示，將完成加熱保溫的鋼錠從加熱爐中取出后放在壓機鐓粗臺上，采用上下大截面鐓粗法，進行大壓力鐓粗，鐓粗比為2～2.5時停鍛，把鐓粗比控制在2～2.5的范圍內；②如圖6和圖7所示，再將完成鐓粗的鋼錠用操作機夾持沿徑向放在鐓粗臺上，采用寬砧徑向壓實法(WRF)，把大鐓粗板放在鋼錠上順著鋼錠徑向進行強壓，壓下量為23％，停鍛180秒后將鋼錠旋轉90°，采用同樣方法重復強壓至四方坯料后停鍛180秒，用上下平砧拔八方坯料，把拔長鍛比控制在2～2.5的范圍內；③將八方坯料繼續立放在鐓粗臺上，采用上下大截面鐓粗法進行大壓力鐓粗，鐓粗比2～2.5時停鍛，把鐓粗比控制在2～2.5的范圍內；④將完成第③步的坯料沿徑向放在鐓粗臺上，采用寬砧徑向壓實法(WRF)，把大鐓粗板放在坯料上順著坯料徑向進行強壓，壓下量為23％，停鍛后旋轉90°，采用同樣方法重復強壓，壓下量為23％，壓至四方后拔八方坯料，把拔長鍛比控制在2～2.5的范圍內。強壓終鍛溫度900℃±10℃，鍛造過程中鋼錠坯料芯部溫控制在1050℃～1100℃；⑤最后將完成強壓的坯料放入加熱爐加熱至1100℃±10℃保溫3h。該第一火次鍛造的鐓粗比控制在2～2.5，拔長鍛比控制在比2～2.5，總鍛比控制在8～12。(1)第二火次鍛造：①將完成第一火次鍛造的坯料從加熱爐中取出放在鐓粗臺上，采用上下大截面鐓粗法，進行大壓力鐓粗，鐓粗比為2～2.5時停鍛，把鐓粗比控制在2～2.5的范圍內；②將完成鐓粗的鋼錠沿徑向放在鐓粗臺上，采用寬砧徑向壓實法(WRF)對坯料進行強壓，壓下量為20％，停鍛180秒后將坯料旋轉90°，采用同樣方法重復強壓，壓下量為20％，壓至成四方坯料后停鍛180秒；上述鐓粗和強壓過程中鋼錠坯料表面溫度控制在880℃～920℃，該溫度控制的目的是給下一步精鍛、整形留有足夠剩余鍛造比，以防止鍛造粗晶，精整棱角時防止角裂；③如圖8所示，用上下平砧精鍛、整形、校直至毛坯，終鍛溫度850℃±10℃。第二火次鍛造的鐓粗比控制在2～2.5，拔長鍛比控制在比2～2.5，總鍛比控制在8～12。至此，整個鍛造過程完成，輸出鍛件。在整個鍛造過程中，每次的鐓粗比控制在2～2.5、拔長鍛比控制在比2～2.5，總鍛比控制在8～12控制鐓粗比≥2，其目的是為了保證鋼錠芯部處理三項壓應力狀態，并根據工藝要求能滿足拔長時的鍛造比，進一步分散定型偏析等微小缺陷。整個鍛造過程中的坯料尺寸可能會發生不可避免的適當偏差，但是不影響鍛造效果。5.鍛造后熱處理：鍛件以水霧空冷方式冷卻至450℃，再放入加熱爐進行正火+回火處理。如圖2所示，具體過程是：第一步，將終鍛溫度＞850℃的鍛件在爐外進行鼓風、水霧強冷至450℃；第二步，將鍛件放入加熱爐在450℃±10℃的溫度下保溫6h；第三步，把爐溫以80℃/h的升溫速度升溫至860℃±10℃均溫3h，保溫7h；第四步，把鍛件從爐中取出后將鍛件以水霧空冷方式均勻快冷至320℃；第五步，將鍛件放入加熱爐在320℃±10℃的溫度下保溫7h；第六步，將爐溫以60℃/h的升溫速度升至660℃±10℃，均溫、保溫72h；第七步，停爐，隨爐按≤30℃/h的降溫速度冷卻至150℃時，把鍛件從爐中取出后入坑堆冷卻至常溫狀態。直接冷卻至450℃，目的是充分利用鍛件鍛造后預熱快冷細化晶粒，降低了燃料消耗，提高了生產效率。6.粗加工及超聲波無損探傷：對完成鍛造后熱處理的鍛件進行粗加工；對鍛件進行外觀檢驗、尺寸檢驗、超聲波無損探傷、劃線、鋸切兩端余料、粗銑。7.調制熱處理：再次劃線、鋸切，然后在鍛件本體上取樣進行調質處理，對調制后的樣品做力學性能試驗和金相檢驗，檢驗合格后對鍛件進行標記、包裝、入庫。如圖3所示為本發明鍛件鋼的內部纖維組織結構示意圖。如表2所示為本發明鍛件鋼的力學性能表。表2力學性能表。第六實施例本實施例的實施方式同第五實施例，其中第3步驟加熱保溫過程中，按照三段加熱法進行加熱保溫，先對爐內的溫度按照50℃/h的升溫速度升至510℃，在510℃的溫度下對鋼錠保溫7h，再以60℃/h的升溫速度升至660℃并保溫5小時，然后以60℃/h的升溫速度升至860℃并保溫5h，再然后以80℃/h的升溫速度升至1190℃均溫3h，最后在1190℃下保溫8h。其中第5步鍛造后熱處理過程中，第一步，將終鍛溫度＞850℃的鍛件在爐外進行鼓風、水霧強冷至450℃；第二步，將鍛件放入加熱爐在460℃下保溫6h；第三步，把爐溫以80℃/h的升溫速度升溫至870℃均溫3h，保溫7h；第四步，把鍛件從爐中取出后將鍛件以水霧空冷方式均勻快冷至320℃；第五步，將鍛件放入加熱爐在330℃下保溫7h；第六步，將爐溫以60℃/h的升溫速度升溫至670℃，均溫、保溫72h；第七步，停爐，隨爐按≤30℃/h的降溫速度冷卻至150℃時，把鍛件從爐中取出后入坑堆冷卻至常溫狀態。第七實施例本實施例的實施方式同第五實施例，其中第3步驟加熱保溫過程中，按照三段加熱法進行加熱保溫，先對爐內的溫度按照50℃/h的升溫速度升至500℃，在500℃的溫度下對鋼錠保溫7h，再以60℃/h的升溫速度升至650℃并保溫5h，然后以60℃/h的升溫速度升至850℃并保溫5h，再然后以80℃/h的升溫速度升至1180℃均溫3h，最后在1180℃下保溫8h。其中第5步鍛造后熱處理過程中，第一步，將終鍛溫度＞850℃的鍛件在爐外進行鼓風、水霧強冷至450℃；第二步，將鍛件放入加熱爐在450℃下保溫6h；第三步，把爐溫以80℃/h的升溫速度升溫至860℃均溫3h，保溫7h；第四步，把鍛件從爐中取出后將鍛件以水霧空冷方式均勻快冷至320℃；第五步，將鍛件放入加熱爐在320℃下保溫7h；第六步，將爐溫以60℃/h的升溫速度升溫至660℃，均溫、保溫72h；第七步，停爐，隨爐按≤30℃/h的降溫速度冷卻至150℃時，把鍛件從爐中取出后入坑堆冷卻至常溫狀態。第八實施例本實施例的實施方式同第五實施例，其中第3步驟加熱保溫過程中，按照三段加熱法進行加熱保溫，先對爐內的溫度按照50℃/h的升溫速度升至490℃，在490℃的溫度下對鋼錠保溫7h，再以60℃/h的升溫速度升至640℃并保溫5h，然后以60℃/h的升溫速度升至840℃并保溫5h，再然后以80℃/h的升溫速度升至1170℃均溫3h，最后在1170℃下保溫8h。其中第5步鍛造后熱處理過程中，第一步，將終鍛溫度＞850℃的鍛件在爐外進行鼓風、水霧強冷至450℃；第二步，將鍛件放入加熱爐在440℃下保溫6h；第三步，把爐溫以80℃/h的升溫速度升溫至850℃均溫3h，保溫7h；第四步，把鍛件從爐中取出后將鍛件以水霧空冷方式均勻快冷至320℃；第五步，將鍛件放入加熱爐在310℃下保溫7h；第六步，將爐溫以60℃/h的升溫速度升溫至650℃，均溫、保溫72h；第七步，停爐，隨爐按≤30℃/h的降溫速度冷卻至150℃時，把鍛件從爐中取出后入坑堆冷卻至常溫狀態。以上所述僅對本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，本發明不限于用在石油、頁巖氣開采領域，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡是在發明的權利要求限定范圍內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應在本發明的保護范圍之內。