一種深海采油樹關鍵部件用鋼鍛件的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種深海采油樹關鍵部件用鋼鍛件的制造方法，屬于金屬鍛造與熱處 理領域。
【背景技術】
[0002] 海洋油氣資源的開發能力由海洋油氣開發裝備的先進性所決定，研制擁有我國自 主知識產權的海洋油氣勘探開發裝備，是推動技術發展，保障我國能源安全的有效途徑。我 國石油鉆采裝備制造企業在幾十年的陸地裝備研制過程中積累了豐富的經驗，為海洋石油 水上裝備設計制造奠定了基礎，己實現部分設備的國產化。但是，目前我國的部分海洋石油 鉆采裝備的國產化使用程度僅適用于300米W上的淺海海域，對于2000米W上的深海海域， 我國在深海油田鉆采裝備的技術方面與西方發達國家相比還存在較大的差距，尤其是油氣 資源儲存量巨大的南海海域的鉆采裝備的關鍵設備仍然需要進口。
[0003] 深海采油樹設備是一種在具有強腐蝕性的海底環境下運行的采油(氣)設備，其接 觸的工作介質也具有高溫、高壓及高腐蝕的特性。惡劣的工況及環境條件對材料的冶金、機 械加工、熱處理、焊接、防腐及密封等性能提出很高的要求，因此其材料的設計必須參照相 關標準規范嚴格執行。
[0004] 目前，深海采油樹用鋼主要為低合金高強鋼材料F22USTM A182)dF22材質中均含 有相當量的銘、鋼、饑，運些元素不僅能顯著改善鋼材的澤透性，同時還能在高溫熱處理時 防止奧氏體晶粒長大，使得水下采油樹厚壁零部件(如樹本體）的調質性能大為改善，進而 確保材料不僅具有優良的切削加工性能，還保證材料從外表面到中屯、部兼具優良的低溫初 性及高低溫疲勞強度，W抵抗低溫海水與高溫生產介質產生的溫度落差熱疲勞。但是采用 常規鍛造手段處理F22會出現難W鍛透的現象，一些鑄態冶金缺陷，如偏析、疏松、縮孔等將 不同程度地殘留在鍛件中，使鍛件在熱處理過程中將產生更大的應力集中，往往導致鍛件 在熱處理過程中或在熱處理結束后的放置過程中發生開裂，或者因內應力的存在而降低零 件在服役時的有效壽命。此外，性能上也難W滿足深海采油樹用鋼所需要的低溫初性及高 低溫疲勞強度。因此，期望一種深海采油樹關鍵部件用鋼及其鍛造方法來解決上述問題。
【發明內容】
[0005] 為解決現有技術的不足，本發明的目的在于，提供一種能耗低、鋼材利用率高、生 產成本低、勞動條件好的深海采油樹關鍵部件用鋼鍛件的制造方法，鍛造出來的材料能達 到深海采油所需要的耐腐、耐壓、抗沖擊要求指標。
[0006] 本發明的技術方案為:一種深海采油樹關鍵部件用鋼鍛件的制造方法，其特征在 于，采用特種鋼材為原料，在中頻電爐中冶煉成優質鋼水，然后在液壓機上進行液態模鍛， 并在120(TC進行脫模，脫模后立即采用自由鍛+束縛鍛終鍛成型，具體步驟如下：
[0007] (1)配料:采用F22合金鋼和化-(?中間合金為原料，按重量10:1進行配料；
[000引（2)冶煉:采用中頻電爐將原料冶煉成優質鋼水；
[0009] (3)液態模鍛:將冶煉好的鋼水倒入充滿氮氣的氣壓誘鑄保溫爐內進行保溫;再將 保溫爐內鋼水誘鑄到液態模鍛機模具中進行液態模鍛，誘鑄前要將模具進行預熱至300~ 400°C，當巧件溫度在1200°C時立即脫模；
[0010] (4)終鍛成型:將脫模后的高溫巧件立即采用自由鍛鐵粗-拔長-二次鐵粗-二次拔 長;然后再采用自由鍛在徑向束縛條件下鐵粗-拔長-二次鐵粗-二次拔長；
[0011] (5)性能熱處理:利用束縛鍛造后的鍛巧溫度進行水冷-空冷交替循環兩次澤火， 然后再回火-水冷，得到深海采油樹關鍵部件用鋼鍛件。
[0012] 進一步地，上述步驟(2)中，鋼水冶煉完畢后，進行吹氣凈化。
[0013] 進一步地，上述步驟(3)中，所述液態模鍛機模具采用內層為高溫合金的復合模 具，誘鑄過程中用循環水冷卻模具，通過調節冷卻水流量、壓力使模具溫度控制在50(TCW 內。
[0014] 進一步地，上述步驟(4)中，采用自由鍛進行初次鍛造得到一次鍛造巧，鍛造始鍛 溫度為1200°(：，終鍛溫度為800°(：，鍛造比大于3.5:1。
[0015] 進一步地，上述步驟(4)中，采用自由束縛鍛再次進行鍛造，得到二次鍛造巧，鍛造 始鍛溫度為115(TC，終鍛溫度為950°C，鍛造比大于3:1。
[0016] 進一步地，上述步驟(5)中，水冷-空冷交替循環兩次澤火，入水冷卻時間t按照經 驗公式t = KXD來估算，式中，鋼鐵材料系數K為1~4s/mm，D為鍛件的直徑，單位mm;空氣冷 卻時間為入水冷卻時間的5.0~20.0倍，開始時澤火的水溫低于20°C，結束時澤火的水溫低 于50°C。
[0017] 進一步地，上述步驟(5)中，水冷-空冷交替循環兩次澤火，水冷時對水進行攬拌處 理，其中，水的攬拌流速不小于0.5m/s。
[0018] 進一步地，上述步驟(5)中，對澤火后的二次鍛造巧采用在650°C、保溫化回火-水 冷至室溫-再650°C、保溫化回火-再水冷至室溫的二次回火處理。
[0019]本發明所達到的有益效果：
[0020] 1.烙煉鋼鐵選F22合金鋼和化-(?中間合金為原料，其在凝固過程中Ga較早凝固出 來，成為鋼材凝固過程形核點，增加形核率，降低晶粒尺寸；同時在完全凝固后，Ga聚集在晶 界處，阻礙了晶粒的進一步生長，降低了晶粒尺寸，進一步提高材料的綜合力學性能。此外， 在后期的束縛自由鍛過程中，將晶界處的Ga-Fe金屬間化合物揉碎并均勻分布于材料內部， 即提高了合金的耐蝕性，又大幅提高材料的綜合力學性能，尤其是低溫初性。
[0021] 2.鍛造工藝采用液態模鍛結合束縛鍛的復合鍛造工藝，在液態模鍛時，施加壓力， 是的液態金屬凝固時不僅可W成型而且組織狀態明顯優于普通鑄造組織，將鑄態金屬中疏 松、空隙和裂紋等原始缺陷最大程度地降低，提高了金屬的致密度和連續性。此外，在后繼 的自由鍛+束縛鍛中將液態模鍛中較粗大組織W及在晶界處的Ga-Fe金屬間化合物揉碎、樣 合，使鍛件內外組織趨向均勻，有效地減輕了鍛件的偏析程度，同時利用大塑性變形作用使 材料晶粒細化，進一步提高合金的綜合力學性能和抗腐蝕能力。采用復合鍛的目的是利用 巧料變形方向變化多，鋼錠屯、部金屬向外流動，有效地破碎了鋼錠中屯、的鑄態樹枝晶組織、 鍛合鋼錠內部的疏松、孔穴、裂紋等缺陷，提高了金屬的致密度和連續性；同時促進了鑄態 組織的揉合，使鍛件內外組織趨向均勻，減輕了鍛件組織的偏析程，從組織上確保鍛件在隨 后的調質熱處理的澤火過程中，避免鍛組織缺陷引發的澤火應力集中裂紋或由此而引起的 澤火開裂，增強形狀復雜鍛件抵抗熱處理熱應力和組織應力的沖擊能力。
[0022] 3.水冷-空冷兩次循環交替間歇澤火的調質熱處理工藝，可W保證在高溫階段水 冷卻達到快速降溫W提高材料的力學性能，隨后空冷減緩冷卻速度，運樣來回交替冷卻，既 保持了材料的力學性能，同時也能夠最大限度地降低鍛件熱處理產生的熱應力和組織應 力，減少在過渡截面處引起的應力集中，防止了鍛件的澤火開裂和內裂，同時也獲得均勻細 小澤火組織。
[0023] 4.本發明材料利用率高，耗能低(除回火外中間不需要再加熱），生產周期短，生產 成本低，能實現自動化生產，改善勞動條件。W上工藝過程是由若干單機組合在一條流水生 產線上完成整個生產過程，單機(工序)之間可用機械手、傳送帶自動傳遞巧件。巧料無須反 復加熱，節能減排，實現綠色制造。
[0024] 綜上所述，本發明的深海采油樹關鍵部件用鋼鍛件的制造方法，選用特殊鋼鐵材 料，并將鍛造工藝和熱處理工藝組合起來，即液態模鍛結合自由鍛+束縛鍛的復合鍛造工藝 結合水冷-空冷兩次次循環交替間歇澤火的調質熱處理工藝，不僅有效地防止了形狀復雜 的大鍛件澤火開裂，而且制造的深海采油樹關鍵部件用鋼鍛件的抗腐蝕性和綜合力學性能 尤其是低溫初性大幅度提高，能很好地適用于深海低溫工況環境。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明的制造方法獲得深海采油樹關鍵部件用鋼鍛件的沈Μ圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖對本發明作進一步描述。W下實施例僅用于更加清楚地說明本發明 的技術方案，而不能W此來限制本發明的保護范圍。
[0027] 實施例1:
[002引（1)配料:選F22合金鋼和化-(?中間合金為原料，按重量(wt.%)10:l進行配料；
[0029] (2)冶煉:采用中頻電爐將原料冶煉成優質鋼水，冶煉過程中，對鋼水的化學成分 進行實時檢驗，檢驗合格即為優質鋼水;檢驗不合格的通過對含量不足的化學成分進行添 加，含量過量的化學成分進行稀釋等方式進行調整，直到鋼水的化學成分達到要求，即成為 優質鋼水，鋼水冶煉完畢后，進行吹氣凈化，提高鋼水純凈度；
[0030] (3)液態模鍛:將冶煉好的鋼水倒入充滿氮氣的氣壓誘鑄保溫爐內進行保溫;再將 保