水下连接器锻件低温冲击韧性不合格原因分析及工艺改进措施研究

2021-08-21何恩*戚蒿杨阳金磊罗懿

化工装备技术 2021年4期

何恩* 戚蒿杨阳金磊罗懿

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

0 前言

在深水油气开发技术中，水下生产系统是必不可少的一部分，其中包含水下井口、采油树、管汇、PLET、PLEM等，而这些设备都需要通过跨界管或海底管线连接在一起[1]。水下连接器用于连接跨接管与时下设备（采油树、管汇、PLET及PLEM等），其质量安全对整个油气开发过程至关重要。

国内某深水油气开发项目，需要定制特定结构的水下连接器，其材料等级采用DNVGL RP-0034标准SFC2等级，图1为水下连接器锻件粗加工的结构及冲击韧性试样取样位置图（包括近表面，1/4T处，1/2T处，3/4T处，T为厚度）。对比分析后可知，图1中1＃位置厚度远大于2＃，3＃位置，粗加工完成后具体锻件热处理工艺如下。

图1 水下连接器锻件结构及

（1）锻件完成后，热处理前按照最终尺寸留单边4 mm余量进行粗加工。

（2）粗加工后进行正火及调质热处理，热处理工艺为：

a）正火温度为 960 ℃，保温时间为 30～45 min，正火后空冷。

b）淬火温度为 920 ℃，保温时间为30～45 min，淬火水冷，淬火前水温控制在25 ℃以下，整个淬火过程水温保持在35 ℃以下。

c）回火温度为540～550 ℃，保温时间为30～45 min，回火后空冷。

在1＃位置内芯部位1/4T，1/2T，3/4T三处分别取纵向冲击试件，试件规格为10 mm×10 mm×55 mm，在-46 ℃条件下，按照GB/T 229—2007标准实验方法进行检测。结果显示，三处试件均存在某一冲击韧性过低的情况，最小值仅为8 J，而1#位置近表面及2#，3#位置取样的纵向冲击试件均满足项目规格书技术要求，即在-46 ℃条件下单个冲击功不小于38 J，平均冲击功不小于50 J。为了得出1#位置内芯部位的冲击韧性值过低的原因，对材料、结构及热处理工艺进行综合分析，并提出了工艺改进措施。

1 材质分析

1.1 化学成分分析

从锻件1＃位置内芯部位取样，采用SPECTROLABLAVM11直读光谱仪进行化学成分分析，检测结果可见表1。结果表明，其化学成分符合DNVGL RP-0034标准SFC3等级技术要求。

表1 化学成分分析结果（质量分数）

1.2 金相分析

用Observer A1m 金相倒置显微镜对1＃位置内芯部位取样的冲击功韧性值过低试件、合格对比试件分别进行金相分析，试样编号分别为J-1，J-2，分析结果可见表2和图3。从图3不难看出，J-1，J-2金相组织无明显差异，均为粒状贝氏体，晶粒度均为8.0级，但整体来看，晶界较粗糙，推测可能存在晶界过热熔化或杂质元素在晶界处析出等情况[2]。

图3 试样显微组织

表2 金相分析结果

2 微观分析

采用Zeiss EVO 18扫描电镜，分别选取1#位置内芯部位取样的冲击功韧性值过低试件、合格对比试件的冲击断口进行微观分析，试样编号分为S-1，S-2，典型形貌如图4所示。从图4中可以看出，S-1断口为脆性断口[3]，呈现准解理的微观形貌，河流花样清晰，S-2断口也存在准解理特征[4]，但具有较大的塑性变形，说明其冲击韧性较好。

图4 试样冲击断口形貌

S-1断口多处晶界位置发现典型的晶界熔化特征，如图5 a）中箭头标注位置，进一步观测后可知，熔化特征部位呈现多孔结构，如图5 b）所示，推测为晶界过热所致。

图5 S-1断口晶界微观形貌及多孔结构

分别选取多孔结构特征的晶界与相邻晶粒进行化学成分对比分析，经断口多次取样测试后可知，两者所含的化学元素种类基本一致，主要包括C，Si，Cr，Mn，Fe，Ni等元素，且两者中各相同元素的含量不存在明显差异，其余微量元素（如Mo，Cu，Al，Nb，V等）均未检出，经分析后可知，晶界位置未发现明显有害微量元素聚集，故排除有害微量元素偏析造成晶界缺陷的可能性。