摘 要:针对某深水管道连接器 A694F65钢冲洗压力帽锻件,在满足标准要求的前提下,设计了 两种不同化学成分即合金元素存在微量差异的锻材方案,采用相同的锻造和热处理工艺进行加工制 造,对两种锻件产品进行力学性能测试和金相检验。结果表明:为保证可焊性,在考虑碳当量的同时, 降低碳、锰含量,提高铬、镍和钼等合金元素含量,锻件的显微组织为所需的贝氏体+铁素体,非金属 夹杂物含量较低,材料强度满足产品设计要求;锻件低温冲击韧度满足产品设计要求,在-46 ℃和 -18℃温度下的冲击韧度测试结果差异较大,随着测试温度的升高,冲击韧度测试结果的稳定性提升。

关键词:深水管道连接器;化学成分;锻件;力学性能;冲击韧度

中图分类号:TG115 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)03-0018-05

水下生产系统已成为一种主流的深水油气开发 系统[1]。我国关于水下生产系统的研究起步较晚,目 前海上油气田所用的水下设备多依赖于进口,设备采 购和维护成本高,供货周期长,极大限制了我国海洋 石油工业的发展。深水管道连接器是深水油气资源 开发的关键器械之一[2-3],该器械具有安装便捷、可靠 性高等特点[4-5]。管道连接器按工作原理可分为螺栓 法兰式、卡箍式和卡爪式三类[6-10],其中,卡箍式连接 器因结构简单、体积小、连接可靠性高、安装和拆卸简便,应用最广泛[11]。深水管道连接器的核心部件一 般采用锻件,因为锻件的力学性能一般优于相同材料 铸件的力学性能。与陆地用锻件相比,水下用锻件对 材料的力学性能和稳定性要求更高[12],同时需兼顾 其易加工性、易焊接性和经济性等多方面因素[13]。

ASTM A694/A694M - 2016 Standard SpecificationforCarbonandAlloySteelForgings forPipeFlanges,Fittings,Valves,andPartsfor High-pressureTransmissionService 标 准 只 对 水 下用锻件的碳、硅、锰、磷和硫元素进行了非常宽泛 的范围限制,DNVGL-RP-0034SteelForgingsfor SubseaApplications仅对有害 元 素 和 残 余 元 素 进 行了限制,其 余 元 素 的 限 制 参 照ISO10423:2009 (Modified ) Petroleum and Natural Gas Industries-Drilling and Production EquipmentWellheadandChristmasTreeEquipment 和ISO 13628-4(Identical) Design and Operation of Subsea Production Systems-Part 4: Subsea WellheadandTreeEquipment的设计准则。深水 管道连接器核心部件的化学成分设计需综合考虑强 度、韧性、焊接性、耐蚀性、抗疲劳性和经济成本等方 面,其材料普遍为非标材料或改良材料。

某盲孔结构深水管道连接器 A694F65钢冲洗 压力帽锻件的壁厚约为73.3cm(22in),其结构示 意见图1,在其化学成分满足 ASTM A694/A694M -2016及 DNVGL-RP-0034标准对水下用锻件的 技术要求的前提下,笔者设计了两种不同化学成分 即合金元素存在微量差异的冲洗压力帽锻件,采用 相同的锻造和热处理工艺进行加工制造,对两种设 计成分的锻件成品进行力学性能测试和金相检验, 以验证设计的合理性。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

深水管道连接器冲洗压力帽锻件采用的材料牌号为 A694F65,锻件的使用温度为3 ℃,其尺寸如 图2所示,A 为加长取样段,其壁厚为205 mm,加 长长度为325mm。锻件的制造工艺流程为钢锭冶 炼→钢锭锯切下料→锻造→粗加工→热处理正火→ 热处理淬火+回火→取样→力学性能测试。

在考虑焊接性能的前提下,即按照现场焊接工 艺规程,碳当量必须小于0.45,化学成分有两种不 同的设计方向:一种为高碳、高锰的普通碳锰钢,记 为1号试样;另一种为低碳、降锰,少量添加铬、镍和 钼合金元素,来提高材料强度,记为2号试样。两种 试样的化学成分见表1。

相比1号试样,2号试样的成分设计考虑到碳、 锰含量降低会引起强度下降,碳含量降低会造成强 度下降,可以通过添加铬、镍和钼合金化元素来补 偿。镍含量的增加不仅能使材料的屈服强度提高, 同时也能改善其韧性,特别是低温韧性。铬元素可 改善材料的淬透性,钼元素能促进细晶粒的形成,并 且提高材料的强度和延展性。通过同时添加镍和钼 元素,不仅可以提高材料的淬透性,促进贝氏体的形 成,也可以提高材料的韧性,抑制回火脆性。

A694-F65钢锻件的显微组织由铁素体+珠光 体、上贝氏体和粒状贝氏体组成。锻件由表面至心 部随着深度的增加,晶粒尺寸略微变大,这是因为锻 件表面发生了较大的锻造变形,在热处理过程中的 淬火冷却时,锻件表面至心部的冷却速率不同,锻件 表面至心部的组织变化为铁素体+珠光体数量增 加、贝氏体数量减少。理论上,晶粒尺寸的细化和上 贝氏体数量的大幅下降可以提高材料的韧性。但锻 件近表面晶粒细化所带来的韧性改进效果被高含量 的贝氏体带来的劣势抵消了,锻件心部贝氏体含量 低所带来的优势被心部晶粒度较高带来的劣势抵消 了,这也可以用于解释锻件不同深度的冲击性能偏 差很小。

1.2 锻件试样的加工工艺

1.2.1 钢锭冶炼

两种设计成分的试样原材料均为5.5t钢锭,经 过 EBT(电炉)+LF(精炼炉)+VD(真空炉)冶炼, 浇注方式为偏心底出钢浇注,材料通过二次精炼以 及真空脱气,充分镇静、凝固后进行退火处理。

1.2.2 锻造工艺

对钢锭帽口与浇口进行充分锯切后,坯料锻造 按照横向、纵 向 反 复 3 次 变 形,始 锻 温 度 控 制 在 1150~1200 ℃,终锻温度控制在850℃以上,总锻 造比大于6∶1,锻后缓冷至室温,以消除应力。

1.2.3 热处理工艺

因产品有效截面较厚,在锻造热加工空冷至室 温后进行粗加工,随后采用正火处理(960 ℃+保温 5.5h,空冷)以消除锻件中的带状组织,以达到组织 均匀化和细化晶粒的目的。

试样经正火空冷至室温,其温度低于204 ℃后 可进行调质处理(920 ℃+保温5.5h,水淬),水淬 严 格 按 照 APIRP-6HT-2013 HeatTreatment andTestingofCarbonandLowAlloySteelLarge CrossSectionandCriticalSectionComponents 要 求的控制转移速度和冷却效果,采用高压循环水泵 连接特殊管路进行强制水循环冷却,随后进行回火 处理(550 ℃+保温6.0h,空冷)。在回火过程中需 增加中间保温段(350 ℃+保温4.0h),使得富碳的 残余奥氏体提前分解,以减小显微组织的内应力。 1号和2号试样经如上工艺加工后,分别记为1号 锻件试样和2号锻件试样。

2 试验结果与分析

2.1 锻件试样的力学性能

按照 DNVGL-RP-0034标准,对两种锻件试样 进行全截面(1/4t,1/2t,3/4t,t为最大壁厚)的力学 性能测试,结果如图 3~8 所示,图中 L 表示纵截面,T 表示横截面。

由图3~8可见,2号锻件试样的力学性能比1 号锻件试样的有显著提高,锻件试样全截面的力学 性能相对均匀,且其淬透性均满足需求。在相同的 回火温度条件下,铬、镍和钼元素发挥其基体强化及 耐高温回火的特性,保证了锻件试样的屈服强度满足450MPa。

按 照 ASTM A370 - 2017 Standard Test Methodsand Definitionsfor MechanicalTesting ofSteelProducts 标 准 进 行 V 型 缺 口 冲 击 试 验 (-46 ℃),结果如图9和图10所示,可见2号锻件 试样的低温冲击韧性表现出较大的波动性,其中部分数值低于标准所要求的最小值。

为研究锻件试样的低温冲击韧性,再次对锻件 试样相同深度的毗邻位置取样进行冲击试验,提高 低 温 冲 击 温 度 至 该 冲 洗 压 力 帽 的 设 计 温 度 (-18 ℃),结果见图11和图12。在提高冲击试验 温度至冲洗压力帽的最低设计温度后,两种锻件试 样的冲击功值稳定性提升。满足该水下连接器冲洗 压力帽的设计要求。

2.2 锻件试样的显微组织

在锻件剖面截取试样,按照 ASTM E381-2017 StandardMethod of MacroetchTesting SteelBars, Billets,Blooms,andForgings标准,对锻件试样的 整体截面进行宏观检验,未见典型缺陷。

按照 ASTM E407-2007(R2015)Standard PracticeforMicroetchingMetalsandAlloys标准, 观察锻件试样的显微组织。1号锻件试样与2号锻件试样的组织均为铁素体+粒状贝氏体,如图13所 示。参 考 ASTM E112 - 2013 Standard Test MethodsforDetermining AverageGrainSize 标 准,对两种锻件试样的铁素体晶粒尺寸进行评级,1 号锻件试样与2号锻件试样的铁素体晶粒级别分别 为 8.5 级 和 9.0 级。 按 照 ASTM E45-2013 Standard Test Methods for Determining the InclusionContentofSteel标准,对两种锻件试样的 非金属夹杂物进行评级,两种锻件试样表面及1/4t 处的非金属夹杂物 A,B,C类均为0级,D类粗系为 0.5级、细系为1级,为球状氧化物,纯净度较好,满 足深水用纯净钢的技术要求,如图14所示。

3 结论

(1)为保证可焊性,在考虑碳当量的条件下,降 低碳和锰含量,提高铬、镍和钼等合金元素含量,得到 的两种成分锻件的强度和淬透性均满足技术要求,其 在-46℃和-18℃条件下的冲击功测试结果差异较 大,在提高冲击试验温度至冲洗压力帽的最低设计温 度(-18℃)后,锻件的冲击功测试结果稳定性提升。

(2)锻件的热处理工艺合理,两种成分锻件的 组织均为所需的贝氏体+铁素体,其非金属夹杂物 未见明显差异,非金属夹杂物含量较低,宏观检验未 见缺陷。

(3)原材料的锻造工艺设计合理,锻件质量控 制方案有效。

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