一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢及其生产工艺的制作方法
【专利说明】-种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢及其生产工艺
[0001]
技术领域： 本发明涉及钢铁行业中的合金钢，具体涉及一种高强度、高韧性石油阀体用钢及其生 产工艺。
[0002]
【背景技术】： 随着世界经济的持续增长，尤其是发展中国家的迅速崛起，对石油的需求量将继续呈 现高增长的趋势，而另一方面，目前易采区的油源逐步枯竭，为满足石油需求量的逐年提 高，石油的开采呈现开采深度增加、由陆地转向海洋、由浅海向深海、由赤道向两级过渡的 趋势，开采设备工况越来越恶劣，对开采设备能力的要求越来越高。石油钻井平台阀体作为 开采设备的关键部件，需要满足高压、低温等越来越苛刻的工况，对其所用钢材提出了更高 的要求。目前用于开发新型石油阀体用钢所需要的特种钢，有的在国内市场很难找到，甚至 是空白，有的因质量存在一定问题而难以使用，仍然需要进口。因此石油机械制造商希望钢 铁企业尽快研制开发，跟上石油开采行业的高速发展的需求。
[0003] 目前，国内外使用的石油阀体用钢为普通中碳络钼钢（30CrMo钢)，其抗拉强度Rm 为600~650MPa、屈服强度Rm为430~470MPa、伸长率δ 5为26~30%(由A 2(|(|换算而得)、 断面收缩率Z为26~30%，-60°C下冲击功AKV为9~40J，因此普通中碳铬钼钢强度、耐冲 击性能均较低，使用寿命较短，不能满足越来越苛刻的钻井平台工矿条件，寿命短，消耗大， 不稳定性带来的损失大。
[0004] 石油阀体的制造工艺为：下料一加热一自由锻一模锻一热处理一机加工一探伤一 精加工一性能检验。材料的成分，决定了在一定热处理下的组织，组织决定了材料的性能。 由于该类工件特殊的服役工况，对其性能要求较苛刻，因此合理的成分设计，以满足其特殊 的工况对性能的要求是本钢种设计的关键。
[0005]
【发明内容】
： 本发明要解决的技术问题是提供一种高强度、强韧性石油阀体用钢，其强度、低温耐冲 击韧性优越，钢坯经锻轧后(压缩比多4)，经整体热处理，热处理工艺为正火+淬火(加热至 843°C~885°C保温后水或聚合物淬火）+回火(加热至649°C~704°C保温后空冷)，在距边 缘25mm部位取样检测具有如下力学性能：抗拉强度彡665 MPa，屈服强度彡517 MPa，延伸 率多18%，收缩率多35%，-60°C纵向冲击功多30J，能够满足越来越严峻的海洋石油开采工 况。
[0006] 本发明通过以下技术方案实现： 一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢，其化学成分wt%为：C 0. 28-0. 35%， Si 0. 20-0. 35%, Mn 0. 70-0. 80%, Cr 0. 95-1. 10%, Ni 0. 35-0. 50%, Mo 0. 18-0. 25%, Nb 0· 01-0. 04%, S 彡 0· 020%, P 彡 0· 020%，[0]彡 0· 0020%，[H]彡 0· 00016%，余为 Fe。
[0007] 所述化学成分进一步优选为（wt%) :C 0· 29-0. 33%, Si 0· 25-0. 32%, Mn 0. 70-0. 78%, Cr I. 00-1. 06%, Ni 0. 4〇-〇. 45%, Mo 0. 2〇-〇. 25%, Nb 0. 02-0. 03%, S 彡 0· 005%, P 彡 0· 015%，[0]彡 0· 0020%，[H]彡 0· 00016% 余为 Fe。
[0008] 下面具体说明本发明一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢化学成分的限定 理由。
[0009] C :C能与多种元素一起形成不同的碳化物，并显著提高钢的强度，同时又可以提 高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑韧性恶化。C是提高钢的强度最廉价元素。如果C含 量低于0. 28%，强度达不到客户使用要求。如果C含量高于0. 35%，材料的韧性将明显降低， 因此取C含量控制在0. 28%-0. 35%。
[0010] Si :在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。它提高 钢中固溶体的强度和冷加工变形硬化率的作用极强，仅次于P，但同时也在一定程度上降低 钢的韧性和塑性。Si易使钢呈带状组织，因而使钢材的横向性能低于纵向性能。Si虽然也 提尚钢的泮透性，但由于Si含量尚了，易于广生石墨化现象和增加表面的脱碳倾向，石墨 化的出现，降低了钢的塑性和耐冲击性能及淬硬性，因此仅用Si提高共析钢和亚共析钢淬 透性的办法没有实际的意义。所以本发明按照石油阀体使用的各项性的要求，适当采用低 的Si含量。所以Si取值范围为：0. 25-0. 35%。
[0011] Mn :Mn和铁形成固溶体，提高铁素体和奥氏体的强度和硬度；同时又是碳化物形 成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。Mn在钢中由于降低钢的临界转变温度，所以起到 细化珠光体的作用，也间接起到提高珠光体强度的作用；扩大奥氏体相区，提高奥氏体组织 稳定性，强烈的增加钢的淬透性；当Mn含量低于0. 70%时，材料的力学性能很难达到石油阀 体用钢的使用要求，当Mn含量高于0. 80%时，加大了工件淬火后的变形趋势，对石油阀体热 处理工艺十分不利，另外Mn含量高时，有使晶粒粗化的倾向、增加钢的回火脆敏感性，综合 考虑Mn含量确定为0. 70-0. 80%。
[0012] Cr : Cr和铁能形成连续固溶体，和多种碳化物，能显著提高材料的淬透性，同时 能提高钢的抗腐蚀和耐磨性，但Cr亦增加钢的回火脆性。Cr含量的增加对钢退火后的强 度和硬度提高的比较缓慢。这是因为Cr对于固溶强化铁素体本来就是很弱的元素，当退火 时，一部分Cr又形成碳化物，致使固溶于铁素体中的Cr减少，所以退火后对提高钢的强度 表现的较弱。加入铬，可以与锰起到相互激发的作用，充分发挥锰的作用，更能大大降低临 界冷却速度，而使钢的淬透性显著提高，考虑到钢的使用性能及成本，所以确定Cr含量为 0. 95-1. 10%〇
[0013] Ni:与Fe以互溶形式存在于钢中的α相或γ相中，使之强化，并通过细化α相 的晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性，可以明显的改善钢材的冲击性能，并提高钢的耐 腐蚀性。但是，Ni在全世界范围都是一种比较稀缺的元素，是一种重要的战略物资，作为合 金化元素，尽量少用，同时，如果Ni含量过高会造成氧化铁皮不易脱落，未脱落的氧化铁皮 易导致锻造过程中造成锻件表面凹坑，增加后期机加工的量，增加工作量，材料损失大。所 以本发明Ni范围取0. 35%-0. 50%。这也是本发明的一个创新点。
[0014] Mo:能提高钢的淬透性、热强性，并能提高钢的抗腐蚀性与防止点蚀倾向的作用。 当Mo含量超过0. 25%时，对材料性能改善的效果不明显，所以综合考虑，本发明Mo含量为 0.18%-0, 25%〇
[0015] Nb:细化晶粒和沉淀强化作用，提高钢的晶粒粗化温度，降低钢的过热敏感性和回 火脆性，提高钢的强度、韧性及对蠕变的抗力等。同时，Nb对降低钢中的气体含量及改善钢 的低温冲击韧性有显著作用。当Nb含量高于0.04%时，作用增加不明显。所以，本发明的 一创新点为Nb含量定为0. 01%-0. 04%。
[0016] P :增加钢的脆性，尤其是低温脆性，对钢材低温冲击功影响较大，且P为易偏析 元素，造成钢严重偏析，对本钢种的使用来说，应该控制越低越好，根据生产保障能力，控制 P^0.0 15%〇
[0017] 0:在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低 温度和〇含量极低时，材料的强度和塑性均随〇含量的增加而急剧降低。冲击性能方面，随 着〇含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快地升高，脆性转变温度的范 围也随着变宽。同时，随着0含量的增加，材料的氧化夹杂物几率大大增加，从而降低材料 的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将0含量控制在0.0020%以内。
[0018] H :氢使钢的塑性降低，主要是使低温冲击功、延伸率及断面收收缩降低。氢在钢中 会产生"发纹"或形成应力区，在钢进行锻轧加工时发纹扩展而形成裂纹，使钢的力学性能 特别是塑性恶化，甚至断裂，在钢断口上呈现"白点"。同时氢还会引起点状偏析、氢脆，以及 焊缝热影响区内的裂缝等。因此，本发明及工艺将H控制在0. 0002%以下。
[0019] 残余元素 S等，上述元素都是作为杂质元素存在，允许不超过标准要求，这里不再 叙述。
[0020] 一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢的生产工艺，包括下列步骤： (1) 转炉冶炼：在90吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，采用双渣或者多渣实现预脱P， 使用出钢滑板机构控制下渣，防止出钢回P，达到控制出钢P < 〇. 010%，出钢每吨钢加入合 成精炼渣500kg、铝类脱氧剂150kg及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调； (2) 精炼：在90吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造高碱度渣R为5. 0-8. 0， 强化脱S、去夹杂，精炼过程采用全程吹氩搅拌； (3) 真空脱气：在LF精炼后采用RH/VD脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在 高真空下保持25分钟以上，保证[H]彡0. 00016%、[0]彡0. 0020%，所有成分进入