Page 31 - 理化检验-物理分册2022年第三期
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戚 蒿, 等: 化学成分对深水管道连接器 A694F65 钢冲洗压力帽锻件力学性能的影响


            便, 应用最广泛      [ 11 ] 。深水管道连接器的核心部件一                号为 A694F65 , 锻件的使用温度为 3 ℃ , 其尺寸如

            般采用锻件, 因为锻件的力学性能一般优于相同材料                           图 2 所示, A 为加长取样段, 其壁厚为 205 mm , 加
            铸件的力学性能。与陆地用锻件相比, 水下用锻件对                           长长度为 325mm 。锻件的制造工艺流程为钢锭冶

            材料的力学性能和稳定性要求更高                 [ 12 ] , 同时需兼顾     炼 → 钢锭锯切下料 → 锻造 → 粗加工 → 热处理正火 →
            其易加工性、 易焊接性和经济性等多方面因素                   [ 13 ] 。   热处理淬火 + 回火 → 取样 → 力学性能测试。

                ASTM     A694 / A694M - 2016 Standard

            S p eci f ication f orCarbonandAllo ySteelFor g in g s

            f orPi p eFlan g es , Fittin g s , Valves , andParts f or

            Hi g h- p ressureTransmissionService 标 准 只 对 水
            下用锻件的碳、 硅、 锰、 磷和硫元素进行了非常宽泛

            的范围限制, DNVGL-RP-0034SteelFor g in g s f or

            SubseaA pp lications 仅 对 有 害 元 素 和 残 余 元 素 进

            行了限制, 其 余 元 素 的 限 制 参 照 ISO10423 : 2009

            ( Modified ) Petroleum    and    Natural Gas

            Industries-Drillin g and Production E q ui p ment-
                                                                       图 2  深水管道连接器冲洗压力帽锻件尺寸

            WellheadandChristmasTreeE q ui p ment 和 ISO
                                                                   在考虑焊接性能的前提下, 即按照现场焊接工

            13628-4 ( Identical ) Desi g n and O p eration o f
                                                               艺规程, 碳当量必须小于 0.45 , 化学成分有两种不

            Subsea Production S y stems-Part 4 : Subsea
                                                               同的设计方向: 一种为高碳、 高锰的普通碳锰钢, 记


            WellheadandTreeE q ui p ment 的设计准则。深水

                                                               为 1 号试样; 另一种为低碳、 降锰, 少量添加铬、 镍和
            管道连接器核心部件的化学成分设计需综合考虑强
                                                               钼合金元素, 来提高材料强度, 记为 2 号试样。两种
            度、 韧性、 焊接性、 耐蚀性、 抗疲劳性和经济成本等方
                                                               试样的化学成分见表 1 。
            面, 其材料普遍为非标材料或改良材料。
                                                                   相比 1 号试样, 2 号试样的成分设计考虑到碳、
                 某盲孔结构深水管道连接器 A694F65 钢冲洗

                                                               锰含量降低会引起强度下降, 碳含量降低会造成强

            压力帽锻件的壁厚约为 73.3cm ( 22in ), 其结构示

                                                               度下降, 可以通过添加铬、 镍和钼合金化元素来补

            意见图 1 , 在其化学成分满足 ASTM A694 / A694M
                                                               偿。镍含量的增加不仅能使材料的屈服强度提高,
            -2016 及 DNVGL-RP-0034 标准对水下用 锻件的
                                                               同时也能改善其韧性, 特别是低温韧性。铬元素可
            技术要求的前提下, 笔者设计了两种不同化学成分
                                                               改善材料的淬透性, 钼元素能促进细晶粒的形成, 并
            即合金元素存在微量差异的冲洗压力帽锻件, 采用
                                                               且提高材料的强度和延展性。通过同时添加镍和钼
            相同的锻造和热处理工艺进行加工制造, 对两种设
                                                               元素, 不仅可以提高材料的淬透性, 促进贝氏体的形
            计成分的锻件成品进行力学性能测试和金相检验,
                                                               成, 也可以提高材料的韧性, 抑制回火脆性。
            以验证设计的合理性。
                                                                   A694-F65 钢锻件的显微组织由铁素体 + 珠光
                                                               体、 上贝氏体和粒状贝氏体组成。锻件由表面至心
                                                               部随着深度的增加, 晶粒尺寸略微变大, 这是因为锻
                                                               件表面发生了较大的锻造变形, 在热处理过程中的
                                                               淬火冷却时, 锻件表面至心部的冷却速率不同, 锻件
                                                               表面至心部的组织变化为铁素体 + 珠光体数量增
                                                               加、 贝氏体数量减少。理论上, 晶粒尺寸的细化和上
                                                               贝氏体数量的大幅下降可以提高材料的韧性。但锻
                     图 1  深水管道连接器冲洗压力帽结构示意                     件近表面晶粒细化所带来的韧性改进效果被高含量
                                                               的贝氏体带来的劣势抵消了, 锻件心部贝氏体含量
            1  试验材料与方法                                         低所带来的优势被心部晶粒度较高带来的劣势抵消
            1.1  试验材料                                          了, 这也可以用于解释锻件不同深度的冲击性能偏
                 深水管道连接器冲洗压力帽锻件采用的材料牌                          差很小。
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