一种CrMnNiMo系高强韧中碳中锰调质锻钢、采油树用锻钢件产品及其制备方法与流程

本发明属于海洋采油装备制造领域，具体涉及一种crmnnimo系高强韧中碳中锰调质锻钢、采油树用锻钢件产品及其制备方法。

背景技术：

1、随着海洋油气资源的勘探开发，对高性能水下采油采气装备的需求不断提升，作为海洋油气开发的关键装备，水下采油树的服役性能和服役安全至关重要。水下采油树为大型组合件，其基本件主要采用大截面锻钢件组装或组焊而成，为降低海洋油气开发作业风险，对其锻钢件材料制造质量和性能均匀稳定性要求非常高。目前我国在役水下采油树均为进口，所用大型锻钢件材料也均为进口，材料成本约占整个水下采油树成本的30％左右。材料选择合适与否直接决定了水下采油树的制造成本和服役安全可靠性。目前，国外水下采油树主要依据api 6a或iso 10426标准制造，使用的材料强度等级最高为75ksi(约517mpa)。

2、cn202210208802.6和cn202210209972.6公开了2种采油树阀体用钢，适用于铸锭圆坯直径为380mm-700mm的小尺寸锻钢件制造，主要用于制造采油树阀体；cn201610056441.2公开了一种深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，采用f22合金钢和fe-ga中间合金为材料，合金元素含量高、制造工艺复杂；cn201911392086.6公开了一种深海采油设备用采油树本体锻件制造工艺，采用低碳铬钼钢材料锻造成型，提出了一种新的锻造成型工艺；cn201010555698.5公开了一种深海采油树设备连接器用钢锻件制造工艺，选择低合金钢f65mod为原材料，锻件材料屈服强度达到450mpa级；cn202010566629.8公开了一种低成本、耐低温、高强度深海采油树设备连接器用钢及其热处理工艺，钢材屈服强度达到550mpa级。目前公开的采油树构件用锻钢材料在应用过程中存在适用范围窄，未考虑含硫化氢油气环境敷焊耐蚀合金等问题，在很大程度上限制了材料的应用范围。随着深水超深水油气资源的勘探开发，对水下采油装备性能提出了更高要求，制造用锻钢件尺寸及强度要求提升，目前已有锻钢难以满足深水采油树用600mpa以上敷焊性好的大截面锻钢件材料要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种crmnnimo系高强韧中碳中锰调质锻钢、采油树用锻钢件产品及其制备方法，解决深水采油树用大截面高强韧中碳合金锻钢材料缺失问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种crmnnimo系高强韧中碳中锰调质锻钢，以质量百分比计，包括以下组分：c：0.26％～0.30％、si：0.21％～0.29％、mn：1.2％～1.4％、cr：0.5％～0.7％、mo：0.55％～0.65％、ni：1.1％～1.3％、nb：0.13％～0.18％、0<s≤0.01％和0<p≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质；

4、mn的添加量和c的添加量控制在一定范围，具体为：6＜0.54*％c+5.1*％mn＜8。

5、进一步，所述crmnnimo系高强韧中碳中锰调质锻钢的屈服强度为620～770mpa，抗拉强度为760～890mpa，伸长率为19％～23％，-30℃条件下的冲击吸收能为65～102j。

6、进一步，所述crmnnimo系高强韧中碳中锰调质锻钢内部组织为均匀细小回火索氏体组织。

7、本发明还公开了所述的crmnnimo系高强韧中碳中锰调质锻钢制备的水下采油树用锻钢件产品，水下采油树用锻钢件产品截面厚度最高达800mm。

8、本发明还公开了所述水下采油树用锻钢件产品的制备方法，具体包括以下步骤：

9、(1)按照上述配比称取各组分，精炼成钢坯，获得直径不低于1000mm钢锭；

10、(2)将钢锭加热均匀后进行锻造，获得截面厚度400mm-800mm的锻钢件试样；

11、(3)将锻钢件试样加热至880℃～900℃，保温3h～4h，空冷至室温；

12、在860℃～880℃条件下进行淬火处理，保温时间为2h～4h；

13、再加热至620℃-690℃，保温2h-4h以上，空冷至室温，得到锻钢件；

14、(4)在锻钢件关键部位表面堆焊耐蚀合金；

15、(5)对钢锻件进行去应力退火，退火温度控制在590℃-650℃，且低于锻钢件回火温度，得到水下采油树用锻钢件产品。

16、进一步，步骤(2)中，采用自由锻或模锻的方式锻造。

17、进一步，步骤(5)中，淬火处理过程采用水作为冷却介质。

18、进一步，步骤(2)中，在锻造过程中，加热温度控制在1200±50℃，锻造的终止温度控制在900℃以上。

19、进一步，步骤(4)中，耐蚀合金采用625合金，耐蚀合金层厚度3mm-8mm。

20、进一步，步骤(1)中，钢锭用量不小于10t，锻造比不小于5。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

22、本发明公开了一种crmnnimo系高强韧中碳中锰调质锻钢，锻钢材料中采用0.26％～0.30％的c，c是决定锻钢强度、淬透性和焊接性的主要元素，与mn、cr、mo和nb协同配合，用于保障锻钢产品截面壁厚在400mm-800mm条件下的强度和淬透性，同时保障锻钢具有一定的焊接性；采用0.21％～0.29％的si作为脱氧剂，与mn元素协同配合，控制回火脆性温度区间，控制si含量，既保证充分脱氧，又改善钢的回火脆性；采用1.2％～1.4％的mn，与c、mo、cr和nb协同配合，提高锻钢淬透性和强度，mn的添加量和c的添加量需控制在一定范围，6＜0.54*％c+5.1*％mn＜8，过高则产品韧性及其与耐蚀合金的焊接性难以保障，而且容易稀释耐蚀合金焊层，形成裂纹，过低则容易导致锻钢心部性能不足；加入0.5％～0.7％的cr，作为碳化物形成元素，一方面与c和mn配合，提高钢的强度和淬透性，另一方面改善钢的耐腐蚀性，并降低锻钢与耐蚀合金焊接过程中焊层的稀释；加入0.55％～0.65％的mo，与c、mn和cr元素协同配合，提高锻钢淬透性，控制热处理过程中的变形，与ni和nb元素协同配合，提高钢低温韧性和锻造性能，降低锻钢与耐蚀合金焊接过程中焊层的稀释，保障耐蚀合金焊层附近的低温韧性；加入1.1％～1.3％的ni，改善钢的耐海水腐蚀性和低温韧性，与cr、mo和nb元素协同配合，降低锻钢与耐蚀合金焊接过程中焊层的稀释，保障耐蚀合金焊层附近的低温韧性，控制锻造加工过程中的过量变形和氧化；加入0.13％-0.18％nb，与c、mn、cr、mo和ni元素协同配合，提高锻钢的强韧性和耐腐蚀性，降低锻钢与耐蚀合金焊接过程中焊层的稀释，nb与mo、ni元素协同配合，改善锻钢焊接性，保障耐蚀合金焊层附近的低温韧性；通过控制有害元素s≤0.01％，p≤0.01％，改善钢的组织和性能均匀性，保证钢的韧性。

23、本发明针对高压腐蚀性海水和含硫化氢石油天然气双重服役环境要求，通过控制中碳中锰调质锻钢的化学成分，采用一定量的ni、cr和mo，适量的c、mn和微合金元素nb，各元素成分协同配合，所得锻钢件材料的屈服强度620～770mpa，抗拉强度为760～890mpa，伸长率为19％～23％，-30℃条件下的冲击吸收能为65～102j，确保水下采油树用大截面调质锻钢件的强韧性、与耐蚀合金的焊接性，同时也有效控制锻钢的制造成本。

24、本发明公开的上述锻钢材料，适用于制备水下采油树用截面厚度400mm-800mm的锻钢件产品。

25、本发明公开的水下采油树用锻钢件产品锻钢制备方法工艺简单，制造条件要求低，通过控制材料化学成分的协同配合，大幅度提升了锻钢的淬透性、强韧性、工艺性，同时保障其与耐蚀合金的焊接性，降低耐蚀合金堆焊层的稀释，减少裂纹，对锻钢试样进行高温正火、淬火和高温回火处理，使得锻钢产品截面形成较多的均匀细回火索氏体组织；锻钢材料高温回火温度范围为620℃-690℃，回火温度范围明显较常规材料回火温度范围宽，对热处理设备条件要求低，有利于生产制造实现，可以充分提高锻钢产品的成品率和性能符合率。