热处理工艺对采油树用钢F22组织及性能的影响*

2022-04-09曹天明汪开忠杨志强胡芳忠3

现代矿业 2022年3期

曹天明汪开忠杨志强胡芳忠3

（1.马鞍山钢铁股份有限公司特钢公司；2.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心）

随着我国经济的飞速发展，我国石油消费也呈现快速增长态势，目前已成为全球第二大石油消费国，2020 年我国原油对外依存度高达73%。为了提高我国石油的自给程度，除大力开发陆上油田外，还需充分挖掘深海丰富油气资源的潜力，中石油、中石化、中海油三大公司均提出了“向深海要油”的问题。世界范围内的传统水下采油树产品基本上出自Aker Solutions、FMC、Cameron、GE 等水下设备供应商［1-2］。目前，国内采用水下采油树生产的油气田有崖城13-4 气田、荔湾3-1 气田、流花11-1 油田等，其中崖城13-4气田采用Aker Solution公司生产的采油树，荔湾3-1 气田采用Cameron 公司生产的采油树，流花11-1油田、流花4-1 油田等采用FMC 公司生产的采油树［3-4］。国内水下采油树基本依靠进口，严重影响我国油气使用安全。

F22 钢是美国ASTM 标准中一种低碳低合金Cr-Mo 钢，是代替4130 钢生产深海采油树阀体的首选钢种。该钢常用于电站锅炉管，用于采油树等厚壁锻件较少［5］，针对该钢在采油树阀体的研究鲜见报告。由于该钢碳含量较低，且含有较高的Cr、Mo，在冶炼连铸时易发生包晶反应，使钢的心部易产生缺陷。由于采油树锻件的厚度一般超过200 mm，易产生壁厚效应使锻件的组织均匀性较差，1/4 壁厚处的性能不易达到。由于深海采油树要求低温韧性，根据APⅠ井口装置和采油树设备规范要求，采油树需在-60 ℃温度下服役，-60 ℃冲击功最低为27 J［6］。油气装备制造商为保证装备安全，均将低温冲击作为重要性能指标，希望低温冲击功尽可能高。因此，如何提高采油树锻件用钢的低温韧性成为亟待解决的难题。目前，为提高材料的低温韧性常采用提高Ni 含量，但Ni 极其昂贵，添加过多将增加成本。另外，可通过热处理工艺优化来提高韧性，优化热处理工艺具有操作简单、费用低的特点［7］。热处理工艺众多，如正火、淬火、回火、退火等，如何通过简单的工艺实现产品的高性能成为热处理研究者的课题。为此，通过传统调质工艺与淬火+调质工艺的对比研究，明确采油树锻件用钢获得低温韧性的关键工艺，为深海采油树锻件用钢国产化提供数据支撑。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用钢为某钢厂生产的改进型F22钢，其成分见表1。按APⅠ6A 21th技术要求，铸坯经加热锻造成200 mm×200 mm×250 mm 试块，采用不同热处理工艺处理后在试块1/4厚度处取样进行性能分析。

1.2 试验方法

采用2 种热处理工艺进行热处理。工艺1 为调质热处理，为850～950 ℃淬火，600～750 ℃回火。工艺2 采用2 次淬火，为900～950 ℃淬火，850～900 ℃淬火，600～750 ℃回火。同炉放置金相小试样，以便于检验不同热处理阶段的晶粒大小。

试验钢在热处理后进行了力学性能检验和微观组织观察。参照ASTM A370 标准取样进行力学性能检验，拉伸采用标准拉伸试样，冲击试验采用夏比V型缺口试样，试样尺寸10 mm×10 mm×55 mm。晶粒度采用专用腐蚀剂腐蚀以显现原奥氏体晶界，然后使用Axio Ⅰmager M2m 金相显微镜观察，针对回火后组织采用QUANTA450 扫描电镜、APOLLOX 能谱仪、EBSD等分析。

2 试验结果与讨论

2.1 不同热处理后的力学性能

不同热处理工艺后的性能见表2。

由表2 可知，采油树锻件采用2 种热处理工艺的塑性基本相同，断后伸长率约21%，断面收缩率约63%，均满足技术要求；采用工艺1 处理后试样的力学性能满足技术要求，但强度和韧性富裕量均不足，工艺1 的冲击性能虽平均值满足要求，但波动较大，存在风险；工艺2处理后试样的抗拉强度达834 MPa，比工艺1提升约110 MPa，冲击功均大于100 J且数据离散型较好，冲击功比标准要求高87 J，性能优良，能够保证深海采油树在水下服役的安全。

2.2 不同热处理后的微观组织

不同热处理工艺后的晶粒形貌见图1。

由图1 可见，工艺1 处理后的晶粒尺寸不太均匀，晶粒最大可达103 μm，晶粒小的仅10 μm，整体晶粒不均匀且粗大，晶粒不均会导致钢性能不均匀，尤其是钢的低温韧性［8］；工艺2 处理后的晶粒较为细小，晶粒尺寸较均匀。经统计，工艺1 的晶粒尺寸为30.6 μm，为6.5 级；工艺2 处理后的晶粒尺寸为21.8 μm，为8.0级；通过工艺2，晶粒尺寸下降了8.8 μm。

不同热处理试样在-60 ℃的冲击断口形貌见图2。一般冲击断口会有纤维区、放射区与剪切唇3 个区域［9］。钢在受到外力冲击时，断后会产生启裂、扩展及瞬断，启裂和扩展区越大表明钢具有较好的冲击韧性，断口的塑性变形越大则表明对裂纹扩展有较强的阻碍能力。

由图2 可见，工艺1 冲击断口的纤维区较小，约2.1 mm，工艺2 处理后的样品纤维区较大，约3.8 mm；纤维区越大，表明钢在受到冲击后能够具有加强的阻碍作用，产生较高的冲击功；另外，从工艺2的冲击断口中可发现在边缘处产生了较为显著的冲击变形，工艺2 处理后的样品对裂纹扩展的阻碍能力较强，且具有较高的冲击韧性。

2.3 微观组织与强韧性变化原因研究

钢的强化机理有细晶强化、固溶强化、第二相强化及加工硬化［10］。由于钢的成分相同，仅热处理工艺不同，故考虑强度提高与晶粒和第二相有关。钢中的第二相主要与钢的回火工艺有关，回火温度高，钢中析出相的析出动力增加，更有利于析出相达到稳态值。回火保温时间延长，钢中析出相的析出时间增加，析出相将会进一步长大。由于试验钢采用的回火工艺相同，故2种工艺的第二相种类及大小应基本一致。图3 为不同热处理后微观组织的扫描照片，由图可知，2 种组织的碳化物均较细小，通过统计尺寸基本一致，这也表明钢的强度提升和韧性增加与第二相无关。

由上述分析可知，2 种工艺对材料的晶粒度影响较显著，工艺2 能使晶粒细化8.8 μm，初步认为晶粒细化是强度提高的原因。晶粒细化不但能提高材料的强度，且由于晶界增多导致裂纹在扩展时受到更多的阻碍，能有效提高材料的韧性［11］。由于工艺2采用了淬火+调质工艺，第1 次淬火时晶粒像工艺1 调质中的淬火一样，晶粒不均匀。经淬火后钢的组织为马氏体，马氏体由许多亚结构组成，通过再一次加热成奥氏体后，马氏体中的一些亚结构将会成为形核点，促进钢的奥氏体化，从而使晶粒进一步细化。淬火+调质细化晶粒示意见图4。

另外有研究表明，钢的板条马氏体具有多尺度结构，原奥氏体晶粒由若干个板条束组成，板条束由具有同一惯习面的板条组成，而板条束可进一步分成板条块，板条块由相同或相近取向的板条组成，每个板条块也可再细分为亚板条块，亚板条块由相同取向的板条组成［12］。而晶粒细化的同时会使微观组织细化，从而导致马氏体的板条束、板条块、板条等均细化。又有研究表明，马氏体韧性有效单元是板条块，因为在钢受到冲击后板条块能有效阻碍裂纹扩展使钢的韧性提高［13］。因此，对2种不同热处理工艺后试验钢的微观组织进行了EBSD 分析，结果见图5。通过软件统计，2 种热处理状态的板条块尺寸分别为1.85，1.62 μm，工艺2 在细化晶粒的同时也细化了晶粒的亚结构，从而有效提高了钢的强度和韧性。