水下連接器鍛件低溫沖擊韌性不合格原因分析及工藝改進(jìn)措施研究

何 恩* 戚 蒿 楊 陽 金 磊 羅 懿

（1. 海洋石油工程股份有限公司 2. 中海石油（中國）有限公司海南分公司 3. 中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司）

0 前言

在深水油氣開發(fā)技術(shù)中，水下生產(chǎn)系統(tǒng)是必不可少的一部分，其中包含水下井口、采油樹、管匯、PLET、PLEM等，而這些設(shè)備都需要通過跨界管或海底管線連接在一起[1]。水下連接器用于連接跨接管與時下設(shè)備（采油樹、管匯、PLET及PLEM等），其質(zhì)量安全對整個油氣開發(fā)過程至關(guān)重要。

國內(nèi)某深水油氣開發(fā)項(xiàng)目，需要定制特定結(jié)構(gòu)的水下連接器，其材料等級采用DNVGL RP-0034標(biāo)準(zhǔn)SFC2等級，圖1為水下連接器鍛件粗加工的結(jié)構(gòu)及沖擊韌性試樣取樣位置圖（包括近表面，1/4T處，1/2T處，3/4T處，T為厚度）。對比分析后可知，圖1中1＃位置厚度遠(yuǎn)大于2＃，3＃位置，粗加工完成后具體鍛件熱處理工藝如下。

圖1 水下連接器鍛件結(jié)構(gòu)及

（1）鍛件完成后，熱處理前按照最終尺寸留單邊4 mm余量進(jìn)行粗加工。

（2）粗加工后進(jìn)行正火及調(diào)質(zhì)熱處理，熱處理工藝為：

a）正火溫度為 960 ℃，保溫時間為 30～45 min，正火后空冷。

b）淬火溫度為 920 ℃，保溫時間為30～45 min，淬火水冷，淬火前水溫控制在25 ℃以下，整個淬火過程水溫保持在35 ℃以下。

c）回火溫度為540～550 ℃，保溫時間為30～45 min，回火后空冷。

在1＃位置內(nèi)芯部位1/4T，1/2T，3/4T三處分別取縱向沖擊試件，試件規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm，在-46 ℃條件下，按照GB/T 229—2007標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示，三處試件均存在某一沖擊韌性過低的情況，最小值僅為8 J，而1#位置近表面及2#，3#位置取樣的縱向沖擊試件均滿足項(xiàng)目規(guī)格書技術(shù)要求，即在-46 ℃條件下單個沖擊功不小于38 J，平均沖擊功不小于50 J。為了得出1#位置內(nèi)芯部位的沖擊韌性值過低的原因，對材料、結(jié)構(gòu)及熱處理工藝進(jìn)行綜合分析，并提出了工藝改進(jìn)措施。

1 材質(zhì)分析

1.1 化學(xué)成分分析

從鍛件1＃位置內(nèi)芯部位取樣，采用SPECTROLABLAVM11直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果可見表1。結(jié)果表明，其化學(xué)成分符合DNVGL RP-0034標(biāo)準(zhǔn)SFC3等級技術(shù)要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

1.2 金相分析

用Observer A1m 金相倒置顯微鏡對1＃位置內(nèi)芯部位取樣的沖擊功韌性值過低試件、合格對比試件分別進(jìn)行金相分析，試樣編號分別為J-1，J-2，分析結(jié)果可見表2和圖3。從圖3不難看出，J-1，J-2金相組織無明顯差異，均為粒狀貝氏體，晶粒度均為8.0級，但整體來看，晶界較粗糙，推測可能存在晶界過熱熔化或雜質(zhì)元素在晶界處析出等情況[2]。

圖3 試樣顯微組織

表2 金相分析結(jié)果

2 微觀分析

采用Zeiss EVO 18掃描電鏡，分別選取1#位置內(nèi)芯部位取樣的沖擊功韌性值過低試件、合格對比試件的沖擊斷口進(jìn)行微觀分析，試樣編號分為S-1，S-2，典型形貌如圖4所示。從圖4中可以看出，S-1斷口為脆性斷口[3]，呈現(xiàn)準(zhǔn)解理的微觀形貌，河流花樣清晰，S-2斷口也存在準(zhǔn)解理特征[4]，但具有較大的塑性變形，說明其沖擊韌性較好。

圖4 試樣沖擊斷口形貌

S-1斷口多處晶界位置發(fā)現(xiàn)典型的晶界熔化特征，如圖5 a）中箭頭標(biāo)注位置，進(jìn)一步觀測后可知，熔化特征部位呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，如圖5 b）所示，推測為晶界過熱所致。

圖5 S-1斷口晶界微觀形貌及多孔結(jié)構(gòu)

分別選取多孔結(jié)構(gòu)特征的晶界與相鄰晶粒進(jìn)行化學(xué)成分對比分析，經(jīng)斷口多次取樣測試后可知，兩者所含的化學(xué)元素種類基本一致，主要包括C，Si，Cr，Mn，F(xiàn)e，Ni等元素，且兩者中各相同元素的含量不存在明顯差異，其余微量元素（如Mo，Cu，Al，Nb，V等）均未檢出，經(jīng)分析后可知，晶界位置未發(fā)現(xiàn)明顯有害微量元素聚集，故排除有害微量元素偏析造成晶界缺陷的可能性。

3 原因分析

材料、結(jié)構(gòu)及熱處理工藝是鍛件韌性的主要影響因素。水下連接器鍛件經(jīng)過高溫鍛造，厚度較大位置近表面與厚度較小位置取得樣品的低溫沖擊韌性值均滿足技術(shù)規(guī)格書要求，說明該原材料選型合理，經(jīng)過材質(zhì)分析，化學(xué)成分合格，故排除材料因素造成的影響。

在熱處理工藝過程中的各個階段，溫度控制會對產(chǎn)品的性能起決定性作用。結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和斷口微觀分析結(jié)果可知，產(chǎn)品局部厚度較大，在熱處理過程中，特別是淬火階段，其內(nèi)芯部位的散熱效果較差[5]，局部過熱導(dǎo)致晶界位置燒傷熔化，大大降低了其低溫沖擊韌性。

4 解決措施

根據(jù)分析得到的原因，對水下連接器鍛件熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，有效控制熱處理工藝溫度變化，最終對厚度較大部位的內(nèi)芯取樣并檢驗(yàn)，其低溫沖擊韌性合格。熱處理工藝主要改進(jìn)措施包括以下幾點(diǎn)：

（1） 正火空冷，正火溫度從960 ℃下調(diào)至900 ℃，保溫時間僅為30 min。

（2） 淬火水冷，淬火溫度從920 ℃下調(diào)至870 ℃，保溫時間僅為30 min。

（3） 設(shè)計(jì)制定高壓水泵噴水方案，加大水泵排量，水泵噴水管口插入鍛件加工孔內(nèi)。

（4） 淬火前下調(diào)水溫，控制在25 ℃以下。

（5） 利用吊鉤吊起鍛件，轉(zhuǎn)移時間控制在90 s以內(nèi)，鍛件吊入后強(qiáng)烈擺動，對鍛件表面需要有足夠的擾動水流沖擊，直到鍛件完全冷卻。

（6） 回火空冷，回火溫度從540～550 ℃上調(diào)至620 ℃，保溫時間僅為30 min。

5 結(jié)論

（1） 水下連接器鍛件沖擊韌性值過低的部位均位于結(jié)構(gòu)厚度較大位置的內(nèi)芯部位。

（2） 由于內(nèi)芯部位厚度過大，在淬火階段散熱效果較差，局部過熱，導(dǎo)致晶界位置燒傷熔化，最終使其低溫沖擊韌性大大降低。

（3） 熱處理工藝改進(jìn)后，鍛件內(nèi)芯部位的散熱情況得到明顯改善，最終產(chǎn)品的低溫沖擊韌性合格。