戚 蒿, 周聲結, 楊 陽, 葛 輝

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

水下生產系統(tǒng)已成為一種主流的深水油氣開發(fā)系統(tǒng)[1]。我國關于水下生產系統(tǒng)的研究起步較晚，目前海上油氣田所用的水下設備多依賴于進口，設備采購和維護成本高，供貨周期長，極大限制了我國海洋石油工業(yè)的發(fā)展。深水管道連接器是深水油氣資源開發(fā)的關鍵器械之一[2-3]，該器械具有安裝便捷、可靠性高等特點[4-5]。管道連接器按工作原理可分為螺栓法蘭式、卡箍式和卡爪式三類[6-10]，其中，卡箍式連接器因結構簡單、體積小、連接可靠性高、安裝和拆卸簡便，應用最廣泛[11]。深水管道連接器的核心部件一般采用鍛件，因為鍛件的力學性能一般優(yōu)于相同材料鑄件的力學性能。與陸地用鍛件相比，水下用鍛件對材料的力學性能和穩(wěn)定性要求更高[12]，同時需兼顧其易加工性、易焊接性和經濟性等多方面因素[13]。

ASTM A694/A694M-2016StandardSpecificationforCarbonandAlloySteelForgingsforPipeFlanges,Fittings,Valves,andPartsforHigh-pressureTransmissionService標準只對水下用鍛件的碳、硅、錳、磷和硫元素進行了非常寬泛的范圍限制，DNVGL-RP-0034SteelForgingsforSubseaApplications僅對有害元素和殘余元素進行了限制，其余元素的限制參照ISO 10423:2009(Modified)PetroleumandNaturalGasIndustries-DrillingandProductionEquipment-WellheadandChristmasTreeEquipment和ISO 13628-4(Identical)DesignandOperationofSubseaProductionSystems-Part4:SubseaWellheadandTreeEquipment的設計準則。深水管道連接器核心部件的化學成分設計需綜合考慮強度、韌性、焊接性、耐蝕性、抗疲勞性和經濟成本等方面，其材料普遍為非標材料或改良材料。

某盲孔結構深水管道連接器A694 F65鋼沖洗壓力帽鍛件的壁厚約為73.3 cm(22 in)，其結構示意見圖1，在其化學成分滿足ASTM A694/A694M-2016及DNVGL-RP-0034標準對水下用鍛件的技術要求的前提下，筆者設計了兩種不同化學成分即合金元素存在微量差異的沖洗壓力帽鍛件，采用相同的鍛造和熱處理工藝進行加工制造，對兩種設計成分的鍛件成品進行力學性能測試和金相檢驗，以驗證設計的合理性。

圖1 深水管道連接器沖洗壓力帽結構示意

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

深水管道連接器沖洗壓力帽鍛件采用的材料牌號為A694 F65，鍛件的使用溫度為3 ℃，其尺寸如圖2所示，A為加長取樣段，其壁厚為205 mm，加長長度為325 mm。鍛件的制造工藝流程為鋼錠冶煉→鋼錠鋸切下料→鍛造→粗加工→熱處理正火→熱處理淬火+回火→取樣→力學性能測試。

圖2 深水管道連接器沖洗壓力帽鍛件尺寸

在考慮焊接性能的前提下，即按照現(xiàn)場焊接工藝規(guī)程，碳當量必須小于0.45，化學成分有兩種不同的設計方向：一種為高碳、高錳的普通碳錳鋼，記為1號試樣；另一種為低碳、降錳，少量添加鉻、鎳和鉬合金元素，來提高材料強度，記為2號試樣。兩種試樣的化學成分見表1。

表1 兩種試樣的化學成分

相比1號試樣，2號試樣的成分設計考慮到碳、錳含量降低會引起強度下降，碳含量降低會造成強度下降，可以通過添加鉻、鎳和鉬合金化元素來補償。鎳含量的增加不僅能使材料的屈服強度提高，同時也能改善其韌性，特別是低溫韌性。鉻元素可改善材料的淬透性，鉬元素能促進細晶粒的形成，并且提高材料的強度和延展性。通過同時添加鎳和鉬元素，不僅可以提高材料的淬透性，促進貝氏體的形成，也可以提高材料的韌性，抑制回火脆性。

A694-F65鋼鍛件的顯微組織由鐵素體+珠光體、上貝氏體和粒狀貝氏體組成。鍛件由表面至心部隨著深度的增加，晶粒尺寸略微變大，這是因為鍛件表面發(fā)生了較大的鍛造變形，在熱處理過程中的淬火冷卻時，鍛件表面至心部的冷卻速率不同，鍛件表面至心部的組織變化為鐵素體+珠光體數(shù)量增加、貝氏體數(shù)量減少。理論上，晶粒尺寸的細化和上貝氏體數(shù)量的大幅下降可以提高材料的韌性。但鍛件近表面晶粒細化所帶來的韌性改進效果被高含量的貝氏體帶來的劣勢抵消了，鍛件心部貝氏體含量低所帶來的優(yōu)勢被心部晶粒度較高帶來的劣勢抵消了，這也可以用于解釋鍛件不同深度的沖擊性能偏差很小。

1.2 鍛件試樣的加工工藝

1.2.1 鋼錠冶煉

兩種設計成分的試樣原材料均為5.5 t鋼錠，經過EBT(電爐)+LF(精煉爐)+VD(真空爐)冶煉，澆注方式為偏心底出鋼澆注，材料通過二次精煉以及真空脫氣，充分鎮(zhèn)靜、凝固后進行退火處理。

1.2.2 鍛造工藝

對鋼錠帽口與澆口進行充分鋸切后，坯料鍛造按照橫向、縱向反復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，以消除應力。

1.2.3 熱處理工藝

因產品有效截面較厚，在鍛造熱加工空冷至室溫后進行粗加工，隨后采用正火處理(960 ℃+保溫5.5 h，空冷)以消除鍛件中的帶狀組織，以達到組織均勻化和細化晶粒的目的。

試樣經正火空冷至室溫，其溫度低于204 ℃后可進行調質處理(920 ℃+保溫5.5 h，水淬)，水淬嚴格按照API RP-6HT-2013HeatTreatmentandTestingofCarbonandLowAlloySteelLargeCrossSectionandCriticalSectionComponents要求的控制轉移速度和冷卻效果，采用高壓循環(huán)水泵連接特殊管路進行強制水循環(huán)冷卻，隨后進行回火處理(550 ℃+保溫6.0 h，空冷)。在回火過程中需增加中間保溫段(350 ℃+保溫4.0 h)，使得富碳的殘余奧氏體提前分解，以減小顯微組織的內應力。1號和2號試樣經如上工藝加工后，分別記為1號鍛件試樣和2號鍛件試樣。

2 試驗結果與分析

2.1 鍛件試樣的力學性能

按照DNVGL-RP-0034標準，對兩種鍛件試樣進行全截面(1/4t,1/2t,3/4t,t為最大壁厚)的力學性能測試，結果如圖3～8所示，圖中L表示縱截面，T表示橫截面。

圖3 1號鍛件試樣的強度測試結果

圖4 2號鍛件試樣的強度測試結果

圖5 1號鍛件試樣的斷后伸長率測試結果

圖6 2號鍛件試樣的斷后伸長率測試結果

圖7 1號鍛件試樣的斷面收縮率測試結果

圖8 2號鍛件試樣的斷面收縮率測試結果

由圖3～8可見，2號鍛件試樣的力學性能比1號鍛件試樣的有顯著提高，鍛件試樣全截面的力學性能相對均勻，且其淬透性均滿足需求。在相同的回火溫度條件下，鉻、鎳和鉬元素發(fā)揮其基體強化及耐高溫回火的特性，保證了鍛件試樣的屈服強度滿足450 MPa。

按照ASTM A370-2017StandardTestMethodsandDefinitionsforMechanicalTestingofSteelProducts標準進行V型缺口沖擊試驗(-46 ℃)，結果如圖9和圖10所示，可見2號鍛件試樣的低溫沖擊韌性表現(xiàn)出較大的波動性，其中部分數(shù)值低于標準所要求的最小值。

圖9 1號鍛件試樣的沖擊功測試結果(-46 ℃)

圖10 2號鍛件試樣的沖擊功測試結果(-46 ℃)

為研究鍛件試樣的低溫沖擊韌性，再次對鍛件試樣相同深度的毗鄰位置取樣進行沖擊試驗，提高低溫沖擊溫度至該沖洗壓力帽的設計溫度(-18 ℃)，結果見圖11和圖12。在提高沖擊試驗溫度至沖洗壓力帽的最低設計溫度后，兩種鍛件試樣的沖擊功值穩(wěn)定性提升。滿足該水下連接器沖洗壓力帽的設計要求。

圖11 1號鍛件試樣的沖擊功測試結果(-18 ℃)

圖12 2號鍛件試樣的沖擊功測試結果(-18 ℃)

2.2 鍛件試樣的顯微組織

在鍛件剖面截取試樣，按照ASTM E381-2017StandardMethodofMacroetchTestingSteelBars,Billets,Blooms,andForgings標準，對鍛件試樣的整體截面進行宏觀檢驗，未見典型缺陷。

按照ASTM E407-2007(R2015)StandardPracticeforMicroetchingMetalsandAlloys標準，觀察鍛件試樣的顯微組織。1號鍛件試樣與2號鍛件試樣的組織均為鐵素體+粒狀貝氏體，如圖13所示。參考ASTM E112-2013StandardTestMethodsforDeterminingAverageGrainSize標準，對兩種鍛件試樣的鐵素體晶粒尺寸進行評級，1號鍛件試樣與2號鍛件試樣的鐵素體晶粒級別分別為8.5級和9.0級。按照ASTM E45-2013StandardTestMethodsforDeterminingtheInclusionContentofSteel標準，對兩種鍛件試樣的非金屬夾雜物進行評級，兩種鍛件試樣表面及1/4t處的非金屬夾雜物A,B,C類均為0級，D類粗系為0.5級、細系為1級，為球狀氧化物，純凈度較好，滿足深水用純凈鋼的技術要求，如圖14所示。

圖13 兩種鍛件試樣的顯微組織

圖14 兩種鍛件試樣非金屬夾雜物的微觀形貌

3 結論

(1) 為保證可焊性，在考慮碳當量的條件下，降低碳和錳含量，提高鉻、鎳和鉬等合金元素含量，得到的兩種成分鍛件的強度和淬透性均滿足技術要求，其在-46 ℃和-18 ℃條件下的沖擊功測試結果差異較大，在提高沖擊試驗溫度至沖洗壓力帽的最低設計溫度(-18 ℃)后，鍛件的沖擊功測試結果穩(wěn)定性提升。

(2) 鍛件的熱處理工藝合理，兩種成分鍛件的組織均為所需的貝氏體+鐵素體，其非金屬夾雜物未見明顯差異，非金屬夾雜物含量較低，宏觀檢驗未見缺陷。

(3) 原材料的鍛造工藝設計合理，鍛件質量控制方案有效。