厚壁盲孔深水管道連接器鍛件材料均質(zhì)化工藝開發(fā)

戚 蒿， 葛 輝， 周 勇， 魏行超， 楊 陽

（1.中海石油 （中國）有限公司 海南分公司，海南 ?？?570311；2.蘇州雷格姆海洋石油設(shè)備科技有限公司，江蘇 蘇州 215600；3.中海油 （天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452）

水下生產(chǎn)系統(tǒng)已成為深水油氣開發(fā)中的一種主流模式，深水水下連接是構(gòu)建完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)［1］。在水下生產(chǎn)設(shè)施水下安裝完成后，借助水下連接技術(shù)和裝備才能將采油樹、管匯、海底管道終端及海底管道等連為一體，實(shí)現(xiàn)油氣從井口到上部設(shè)施的輸送。因此，深水管道連接器是深水油氣開發(fā)中的核心設(shè)備。

轂是連接器的核心部件之一，考慮其與管道的易焊性、與流體接觸面和金屬密封面等耐蝕層的易堆焊性以及連接器的成本控制等，通常選用ASTM A694 F65低碳高強(qiáng)度合金鋼作為轂的鍛件材料。合金鋼中的合金元素可以使材料的強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性、耐磨性、防腐性及機(jī)械加工性能得到很大的改善［2］。因此，在材料開發(fā)設(shè)計(jì)階段，需從合金成分角度考慮低合金鋼在強(qiáng)度和韌性上的儲備，同時(shí)需綜合考慮合金成分對厚壁鍛件后續(xù)加工性能和服役性能的影響［3-6］。

國內(nèi)深水油氣田的開發(fā)起步不久，深水管道連接器所處的工作環(huán)境復(fù)雜，在位工況下承受復(fù)雜載荷和低溫沖擊等，連接器本體材料一旦失效將帶來嚴(yán)重后果［7］。目前，對深水管道連接器制造用ASTM A694 F65鍛件材料的開發(fā)和應(yīng)用僅停留在薄壁、通孔上，而厚壁、流道復(fù)雜或盲孔鍛件通常存在屈服強(qiáng)度偏低、耐低溫沖擊韌性值波動(dòng)等問題。為得到高可靠性、易加工、易焊接且成本低的ASTM A694 F65鍛件材料，開發(fā)一套針對厚壁、盲孔的ASTM A694 F65鍛件均質(zhì)化工藝具有重要意義。

1 水下鍛件材料最新技術(shù)要求

深水管道連接器鍛件材料執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是DNVGL-RP-0034—2015 《Steel Forgings for Subsea Applications》［8］， 該標(biāo)準(zhǔn)中將鍛件材料劃分為SFC1、SFC2和SFC3共3個(gè)等級。與SFC1級和SFC2級相比，SFC3級材料對合金元素（P、S、V、Sn、Sb、As、B 等）的含量限制更加苛刻。 對 SFC3級材料，除滿足環(huán)境載荷、工作載荷要求外，還要能承受疲勞載荷的影響。同時(shí)，為了避免焊后熱處理，通常將其碳當(dāng)量CE控制在0.45%以內(nèi)。

在力學(xué)性能測試方面，DNVGL-RP-0034—2015中要求，需對鍛件設(shè)計(jì)關(guān)鍵截面進(jìn)行評估，除了材料表面、T/4（T為壁厚）位置外，最厚壁厚中心位置（T/2處）也需要取樣測試。對于ASTM A694 F65 SFC3級材料，單個(gè)試樣的低溫沖擊功不低于38 J，屈服強(qiáng)度不低于450 MPa，屈強(qiáng)比不高于90%。

2 厚壁盲孔鍛件材料力學(xué)性能存在問題

國內(nèi)某深水氣田所在海域水深1 220～1 560 m，首次采用半潛式生產(chǎn)平臺和水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行氣田的開發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)后續(xù)新項(xiàng)目中新的水下井口的接入，在水下管匯和海底管道終端上預(yù)留了多個(gè)通徑300 mm（12"）的管道連接器接口，并在每個(gè)接口上安裝了長期壓力保護(hù)帽（圖1）。

圖1 通徑300 mm管道連接器上安裝的長期壓力保護(hù)帽

長期壓力保護(hù)帽的關(guān)鍵承壓部件為厚壁盲孔結(jié)構(gòu)（圖2），其最大壁厚為 168 mm，最小壁厚為130.5 mm。

圖2 長期壓力保護(hù)帽鍛件結(jié)構(gòu)尺寸

該盲孔鍛件設(shè)計(jì)選用ASTM A694 F65 SFC3級材料，其化學(xué)成分和碳當(dāng)量見表1。表1中Pcm為焊接裂紋敏感系數(shù)。

表1 ASTM A694F65SFC3級鍛件材料化學(xué)成分及碳當(dāng)量 %

該材料鍛造工藝為，按照橫向、縱向反復(fù)3次變形，始鍛溫度控制在1 150～1 200℃，終鍛溫度控制在850℃以上，總鍛造比大于6:1，鍛后緩冷至室溫。鍛造后的產(chǎn)品有效截面較厚，鍛造后根據(jù)鍛件尺寸進(jìn)行粗加工，并留有一定的精加工裕量。

該材料的熱處理工藝采用正火、淬火和回火。正火的目的是消除帶狀組織，使組織均勻化并細(xì)化晶粒。正火空冷至溫度低于204℃后可進(jìn)行淬火調(diào)質(zhì)處理，水淬時(shí)嚴(yán)格按照API RP-6HT—2013《Heat Treatment and Testing of Carbon and Low Alloy Steel Large Cross Section and Critical Section Components》［9］的推薦要求控制轉(zhuǎn)移速度和冷卻效果，回火保溫出爐空冷。ASTM A694 F65 SFC3級鍛件材料常規(guī)熱處理工藝參數(shù)見表2。

表2 優(yōu)化前后ASTM A694 F65 SFC3級鍛件材料熱處理工藝參數(shù)

按照DNVGL-RP-0034—2015要求，解剖鍛件并測試最大壁厚處全截面的力學(xué)性能，得到的測試數(shù)據(jù)見表3。分析表3數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，從鍛件表面到鍛件芯部，材料屈服強(qiáng)度呈明顯下降趨勢，芯部的屈服強(qiáng)度最低。材料的屈服強(qiáng)度均低于450 MPa的最低要求，材料性能不合格。分析認(rèn)為，該鍛件壁厚較大且不通孔，導(dǎo)致鍛件內(nèi)孔尤其是底部的淬透性較差，直接影響材料芯部的力學(xué)性能。

表3 工藝優(yōu)化前ASTM A694 F65 SFC3級鍛件材料力學(xué)性能測試結(jié)果

采用 ASTM E112—2013《Standard Test Methods for Determining Average Grain Size》［10］中的比較法，得到鍛件材料試樣的奧氏體晶粒度評級都為 8.0級。按照 ASTM E407-07e1《Standard Practice for Microetching Metals and Alloys》［11］，檢驗(yàn)得到鍛件材料試樣金相組織主要由粒狀貝氏體、鐵素體和索氏體組成。常規(guī)和優(yōu)化熱處理工藝下的鍛件材料試樣晶粒度和金相組織見圖3和圖4。根據(jù)晶粒度和金相組織的結(jié)果判斷，常規(guī)熱處理工藝和優(yōu)化后的熱處理工藝都可以獲得滿意的金相組織，但進(jìn)一步的微觀結(jié)構(gòu)差異及機(jī)理還有待深入研究。

圖3 常規(guī)熱處理和優(yōu)化熱處理工藝下鍛件材料試樣晶粒度（100×）

圖4 常規(guī)熱處理和優(yōu)化熱處理工藝下鍛件材料試樣金相組織（500×）

3 厚壁盲孔鍛件材料性能均質(zhì)化工藝優(yōu)化措施［12-16］

3.1 優(yōu)化化學(xué)成分配比

為了提高ASTM A694 F65 SFC3級鍛件材料的晶粒度和可淬透性，在表1材料化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，對部分合金元素含量進(jìn)行了微調(diào)。在保證CE≤0.45%的限制條件下，微量提升 Ni、Mo、Mn 等強(qiáng)韌性元素，嚴(yán)格控制V元素含量。為減少有害相晶間析出，提高強(qiáng)韌性效果，降低Cr、N等元素的含量。優(yōu)化后各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在，w（Ni）=0.75%～0.90%、w（Mo）=0.20%～0.40%、w（Mn）=1.40%～1.60%、w（V）≤0.012%、w（Cr）≤0.12%、w（N）≤50×10-6。

3.2 優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)

采用滿足奧氏體充分轉(zhuǎn)變溫度Ac3的奧氏體化溫度對材料進(jìn)行奧氏體化處理，防止奧氏體晶粒隨溫度的升高而加快長大速率，使大塊狀的M-A島不易形成，進(jìn)而起到細(xì)化組織中M-A島的目的。同時(shí)縮短保溫時(shí)間，可以起到抑制晶粒長大、細(xì)化晶粒的作用。將正火、淬火和回火保溫時(shí)間按1.18～1.78 min/mm計(jì)算，優(yōu)化了熱處理每道工序的保溫時(shí)間，見表2。

3.3 應(yīng)用淬火冷卻工裝

由于在淬火水池內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)厚壁盲孔鍛件材料工件內(nèi)部冷卻介質(zhì)的流動(dòng)，因此進(jìn)入工件內(nèi)部的介質(zhì)會瞬間氣化，使工件內(nèi)外表面冷卻速度不一致。為了加快工件內(nèi)部的冷卻速度，研制了一套如圖5所示的淬火冷卻工裝。該工裝主要由潛水高壓泵、高壓管線、閥門、分布式管匯及噴頭等組成。在工件下水時(shí)同步啟動(dòng)冷卻水泵，高壓水通過噴頭射入工件內(nèi)表面，實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)部的快速冷卻。

圖5 厚壁盲孔鍛件材料淬火冷卻工裝

4 工藝優(yōu)化后厚壁盲孔鍛件材料力學(xué)性能

采用縮短熱處理保溫時(shí)間、應(yīng)用淬火冷卻工裝加速工件均勻冷卻的方法，重新對優(yōu)化了化學(xué)成分配比的ASTM A694 F65 SFC3級鍛件材料進(jìn)行熱處理。熱處理后，選取同爐犧牲件對其最大壁厚處全截面進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果見表4。從表4可以看出，工藝優(yōu)化后ASTM A694 F65 SFC3級鍛件材料的屈服強(qiáng)度和低溫沖擊韌性均滿足DNVGL-RP-0034—2015中的性能要求。

表4 工藝優(yōu)化后ASTM A694 F65 SFC3級鍛件材料力學(xué)性能測試結(jié)果

5 結(jié)語

對深水管道連接器安裝的長期壓力帽所選ASTM A694 F65 SFC3級鍛件材料開發(fā)中遇到的屈服強(qiáng)度偏低問題進(jìn)行了原因分析，并對材料化學(xué)成分、熱處理工藝參數(shù)和淬火冷卻工裝等進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。經(jīng)測試，工藝優(yōu)化后的ASTM A694 F65 SFC3級鍛件材料力學(xué)性能達(dá)到DNVGL-RP-0034—2015的要求。分析認(rèn)為，①在滿足碳當(dāng)量低于0.45%的前提下，微量增加Ni、Mo、Mn等強(qiáng)韌性元素，嚴(yán)格控制V元素含量，可提高ASTM A694 F65 SFC3級鍛件材料的晶粒度及可淬透性等。②為了抑制晶粒長大、細(xì)化晶粒，可適當(dāng)縮短熱處理保溫時(shí)間。③應(yīng)用新研制的淬火冷卻工裝，可加快鍛件工件內(nèi)部冷卻速度，對提高材料性能，尤其是工件芯部力學(xué)性能具有重要作用。