（材料加工工程专业论文）incoloy+825镍基合金法兰锻造工艺的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 i incoloy 825 镍基合金法兰锻造工艺的研究镍基合金法兰锻造工艺的研究 摘摘 要要 本文针对四川普光油气田地面主体开发地面集输工程中所需求的 incoloy 825 镍基合金法兰毛坯的锻造成形工艺进行了研究。 incoloy 825 是目前最常用的耐蚀合金之一，其耐蚀性与晶粒的大小密 切相关，细小而均匀的晶粒能极大地提高合金的耐蚀性，然而该合金在锻 造成形中却存在如下的问题：变形抗力大，980 时，其流动应力高达 240mpa；加热和冷却时不发生相变，不能通过热处理方法细化晶粒，只能 通过再结晶来细化晶粒。变形量的均匀程度决定了晶粒大小的均匀性，因 而决定了零件的耐蚀性。为了避免出现粗晶影响整体耐蚀性，还要保证各 处变形量都大于临界变形程度。 虽然该耐蚀法兰是小批量生产，但是由于 incoloy 825 合金材料价格 昂贵，应该设法提高材料利用率，胎膜锻可以满足这一要求。晶粒的大小 及均匀程度取决于变形过程中的应变场分布，有限元分析是获得该场量的 有效手段。本文用三维造型软件 pro/e 对不同规格的法兰锻件进行了三维 实体建模，用刚塑性有限元模拟软件 deform 对提出的法兰成形工艺的方案 进行了模拟。模拟结果表明：仅有终锻工步会出现充不满和折迭；而预锻 工步+终锻工步的工艺可避免折迭现象，但仍有末端充不满现象；采用局部 拔长工步+预锻工步+终锻工步的工艺，同时让预锻坯形状与终锻件形状接 近，可确保终锻时坯料以镦粗方式成形，锻件的各处变形量比较均匀且超 过了 25%。试生产也证实了预锻工步+终锻工步和局部拔长工步+预锻工步+ 终锻工步的工艺模拟的有效性。最后选定局部拔长工步+预锻工步+终锻工 步的工艺方案实现了整个锻件的顺利成形，完成了耐蚀法兰的锻造生产任 务。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ii 关键词：incoloy 825， 耐蚀合金，法兰，锻造，有限元模拟软件 deform 太原理工大学硕士研究生学位论文 iii research of forging process for the flange of ni-base alloy incoloy 825 abstract the forging process for the incoloy 825 nickel alloy flange used in the transport engineering on the ground for the development of sichuan puguang oil and gas field was studied in this paper. incoloy 825 is one of the most popular corrosion resistant alloys, and its corrosion resistance is closely related to the grain size. small and even grain can increase the corrosion resistant. however, the primary difficulties in the forging process of incoloy 825 are as follows: 825 alloy has large resistance to deformation, even in the 980 c ,its flow stress is high up to 240mpa ; 825 alloy had no phase change during heating and cooling, so the grains can not be refined through heat treatment. the only way to refine grain is through plastic deformation and recrystallization. the degree of uniformity of deformation determined the homogeneity of the grains and the corrosion resistance of the alloy. to avoid appearing coarse grain which could reduce the corrosion resistance, the deformation in every part must exceed the critical deformation value. though this task belonged to low rate production，considering the high price of incoloy 825 alloy and material economy, die forging is selected. the grain size and its homogeneity depend on the strain 太原理工大学硕士研究生学位论文 iv distribution which can be obtained by fem analysis. the 3d models are established by using the 3d modeling software pro/e, some forming methods are analyzed by using the fem numerical simulation software deform. the simulation results showed that only one deformation stage will result in under filling and folding. if pre-forging process is given before the final forging process, the folding defect could be avoided, but the bottom of the billet is still hardly to fill. the defect also appeared in the factual production. adding local drawing stage before the pre-forging and making the shape of pre-forging similar to the final forging could ensure the deformation of final forging in upsetting way and the whole flange can be produced successfully. in addition, the strains in all the parts of the forge exceed 25%. the trial production has proved the numerical simulation effective. finally the qualified products had been produced using the optimized method. key words: incoloy 825，corrosion resistant alloy， flange，forging process，fem simulation software deform 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 选题背景 近年来，随着国际能源市场价格攀升和经济发展对能源的旺盛需求，国际原油价格 持续走高，2008 年曾一度达到 147 美元/桶。虽然由于受金融危机的影响和出于对世界 经济衰退的担心，近期油价出现了回落，但是“工业血液”的地位和作为一种不可再生 的资源，长期来看，随着经济的发展以及储存量的下降，石油及天然气等能源的价格必 然会逐渐走高。但是我国的石油生产量却不能满足经济发展的需求。根据国内外能源机 构的中长期预测, 中国石油的供需缺口呈现逐年扩大的趋势, 到2010 年缺口达到1.2亿 吨, 2020 年达到 2.3 亿吨。中国石油对外的依存度已从 1995 年的 7.6%陡增至 2004 年 的 40%以上, 估计 2020 年将达到 70%左右。按照国际经验, 在人均 gnp 处于 10002000 美元时, 对石油的使用强度最大。我国在今后 2030 年内, 正是人均 gnp 处于 10002000 美元的时期, 也就是石油使用强度高峰期。长远来看，我国将面临着原 油价格上涨和供需缺口增加的双重压力。如何满足我国经济发展中的能源需求，保证我 国的能源安全已经成为保持我国经济稳定发展的一个重大问题。 一方面，我们要走出国门，积极参与国外一些油气田的开发，在这方面，像中石油 和中石化等公司已经迈出了国际合作的步伐，获得了良好的经济效益和社会效益。另一 方面，我们还要自力更生，依靠科技投入，争取在有着产生、储集和封闭油气的良好条 件的地区的勘探中取得一些突破。 2006 年发现的位于我国四川东北地区的普光油气田便 是一个最典型的例子。普光油气田是迄今国内规模最大、丰度最高的特大型整装海相油 气田。作为中国石化集团的“一号工程” ，普光油气田的勘探开发现已被列为“十一五” 国家重点工程。在国务院制定的重大专项研究中，大型油气田和煤气层开发也已经列入 国家中长期科学发展规划。 著名的油气钻井泥浆专家、中国工程院院士罗平亚曾这样说过： “在四川找油气田 困难很多，但不一定是世界级难题，但将油气田成功开发出来，却是世界级的难题” 。 1 因为四川的油气田大多处于碳酸盐层中，油气中硫化氢的含量较高，同时伴生二氧化碳 气体。在学术界，将含硫化氢量超过 5%的油气均定义为高含硫油气，而普光油气田的 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 硫化氢含量最高达到了 17.05%。硫化氢的大量存在，不禁威胁人体的生命健康，影响 环境，其高腐蚀性还使得开采变得异常困难，普通的开采工具在硫化氢、二氧化碳和水 的联合作用下，很快就被腐蚀失去效用，甚至发生泄露。 据不完全统计，1970 年1991 年四川部分油气田的集输管线因腐蚀发生破坏和穿 孔事故 698 次2 ，腐蚀速率高达 2.5mm/a3 。普光 4 井 h2s 浓度高达 275g/m3， ，是人 体在含 h2s 空气条件下暴露工作最高限度的 1.3 万多倍，钻井风险很大。2003 年 12 月 23 日，距普光地区直线距离不到 30 千米的开县罗家 16 号井发生“12.23”特大井喷事 故，造城 243 人死亡的重大事故；2006 年 3 月 25 日，川东钻探公司在罗家寨 2 号井进 行工作时，发生“3.25”天然气渗漏事故，造城重大经济损失和生态破坏。3 高酸性油 气田的开发中，腐蚀与防护、安全及环境保护是最重要的三个问题，而腐蚀与防护又直 接影响到了安全和环境保护。 高抗腐蚀系列工具的开发就成为国内油气田石油天然气开 采开发中需重点解决的问题。4, 5 1.2 课题来源、意义及研究主要内容 本课题源于普光油气田主体开发地面集输工程中法兰产品的国产化。长期以来，高 酸性油气田开发中所使用的油管、法兰等工具长期被国外产品所占据，这不但要耗费大 量的国家外汇， 某种程度上也不利于我国的能源安全。 如果能实现高酸性油气田的油管、 法兰等工具的国产化， 就可以逐渐摆脱对国外同类产品的依赖， 也可以降低产品的价格。 但是由于涉及到很直接的经济利益，国内外关于这方面可供借鉴的资料比较少，这给研 究带来了很大的难度。同时这也是个应用性的项目，厂方必须按规定的时间交货，这就 要求尽早地给出可以成形的方案。而耐蚀性材料价格比较高，从经济性上考虑应该尽量 减少实际生产的尝试，这样就给有限元数值模拟提供了用武之地。 本文研究的主要内容是：查阅有关高 h2s、co2油气田中使用耐蚀合金的文献，了 解耐蚀合金的国内外应用现状，尤其是镍基耐蚀合金的发展状况及其合金化原理，选择 合适的耐蚀合金材料，并明确该材料成形时的主要困难及成形时需要注意的方面。根据 生产的批量和材料的价格等因素，提出成形的工艺方案。然后利用三维造型软件 pro/e 进行三维实体建模，利用刚塑性有限元软件 deform 对提出的法兰成形工艺方案进行 模拟。根据模拟的结果，观察出现的问题，分析不足，并提出修改方案，然后对新方案 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 进行模拟计算。在这个过程中，根据模拟方案进行必要的试生产，从而判断模拟的结果 是否有效，建立的模型是否可靠。在建立的可靠的有限元模型的基础上，对成形的方案 进行修改，试生产，再次优化，直到实际生产出合格的产品为止。最后，根据优化的锻 造成形方案设计全部型号法兰各自的坯料尺寸和全部模具的成形部分尺寸， 指导实际生 产完成生产任务。 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 第二章第二章 法兰的选材及成形分析法兰的选材及成形分析 2.1 耐蚀合金材料国内外研究现状和发展趋势 国外高含 h2s、co2天然油气田开发及生产技术目前比较成熟，如美国德克萨斯州 某油气田含 h2s 高达 98%， 法国拉客油气田 h2s 含量 15.2%， 加拿大贝尔贝含 h2s 高达 90.6%。国外针对高 h2s、co2浓度条件下的腐蚀进行了全面研究，在钻探、完井、集 输气过程所有材料选择都实施标准化，其技术基本满足相关油气田的开发和生产需求。 随着高温、高 h2s、co2分压、高 cl-、高有机硫天然气的勘探及开发，出于安全和经 济性考虑，工具选材上逐渐形成以耐蚀合金为主导的发展趋势。 国外的研究表明，对于含 co2的油气井，应采用 9cr、13cr 马氏体不锈钢，对于 co2和 h2s 共存情况，必须采用超级 13cr、22cr25cr 双相不锈钢甚至是 ni 基耐蚀合 金才能够满足需求。 目前国际上具有镍基合金油套管生产能力的厂家主要有美国特殊钢 公司、日本住友金属、德国 v&m、瑞典 sandvik 等。这些厂家都具有多年的开发和生 产经验，产品的品种和强度范围都比较齐全，已经将成功开发的耐蚀合金管材投入到高 酸性油气田服役。3 另外住友金属 2006 年2010 年追加投资 400 亿日元（约合 26 亿 人民币） ， 针对全球高温、 高 h2s 分压、 高 co2分压及高含 cl-、 高有机硫特征的油气田， 进行全面深入的耐蚀合金工具的研究和开发。 国内虽然对高含 h2s、co2油气田严重腐蚀问题已经开展多年技术攻关，并采取了 多重防腐措施，如采用抗硫低合金管材、加注缓蚀剂、内涂层管材、使用玻璃钢管材等， 但由于高含 h2s、co2油气田苛刻的腐蚀环境和防腐技术本身缺陷，至今未形成一套经 济适用的防腐技术， 常用的管材及常规防腐蚀技术措施难以解决这种高酸性油气田的腐 蚀问题，需要更加安全可靠的防腐蚀措施。由于高酸性、大产量油气田极强的腐蚀性， 使得以往常用的管材及一些成熟的防腐蚀措施直接应用于此类油气田存在巨大的安全 隐患，不再适用，需要寻求新的更加可靠的防腐蚀技术措施。因此，这类油气田在管材 材料选择方面，应该向抗 h2s、co2、cl-、腐蚀的耐蚀合金方向发展。抗腐蚀管材等工 具的研发和质量水平直接反映了一个国家或钢铁企业技术、研发、生产管理和企业竞争 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 力水平。我国抗腐蚀系列油井管材等工具材料的开发和应用尚处于起步阶段，与 jfe、 sumitomo、smc、tenaris、v&m 等著名外国公司相比还存在较大差距6,7 。 2.2 高酸性油气田用镍基耐蚀合金 2.2.1 高酸性油气田用镍基耐蚀合金的发展 传统的 9cr、13cr 马氏体不锈钢自 20 世纪 70 年代开发以来，作为油气工业用材料 得到广泛应用，获得了良好的声誉。这两个钢种在含 co2以及 cl-的酸性环境下具有很 好的耐腐蚀性能。cr 是防止 co2腐蚀最有效的元素，能迅速在金属表面形成致密而极 薄的 cr2o3钝化膜，随着 cr 含量的增加，抗 co2腐蚀效果增强。显然 13cr 的耐蚀性优 于 9cr，因此 13cr 的应用更为广泛。由于 9cr 含有 1%mo，其耐应力腐蚀开裂方面优于 13cr，因此，尽管两者价格差别不大，9cr 不锈钢仍得到一些石油公司的青睐。而改进 型 13cr 不锈钢，主要是通过降低 c 含量、增加 cr、ni、mo 等含量来提高材料的强度 和耐蚀性。8 自上世纪 60、70 年代开始，高含硫油气井不断被发现和开采，这类油气井的腐蚀 问题非常严重，使得油气田用的材料服役条件恶化，要求服役材料具有优异的抗 h2s、 co2、cl-腐蚀的性能。普通的碳钢、低合金钢乃至 13cr、22cr 等不锈钢已无法满足开 采需求，因此有大量的高含 cr、ni、mo 的镍基合金材料应用到油气井开发中。 不同油气井所含腐蚀介质的种类、浓度、温度、压力各不相同，油气井深也不相同， 因此，应根据油气井的实际情况选择最经济合理的材料9 。当 co2含量较低，h2s 腐 蚀占主导地位时，根据 h2s 分压的大小，选择碳钢、低合金钢和耐蚀性合金钢；当 h2s 分压较低时， 采用 9cr、 13cr 马氏体不锈钢； 当 co2分压进一步升高， 或温度超过 150oc， 或 h2s 含量增加，采用超级 13cr 或双相不锈钢；当 co2浓度和 h2s 浓度都很高时，采 用 ni 基耐蚀合金。由于超级 13cr、双相不锈钢、ni 基耐蚀合金的内部还有细分钢种， 不同钢种的耐腐蚀性能也有很大差异，因此，还需要根据油气井的实际情况确定具体的 钢种。 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 图 2.1 不同腐蚀介质条件下材料的选择9 fig.2.1 the material selection at different corrosion condition 镍基合金材料的产品相关技术具有以下主要特点10 ： 1) 合金含量高，杂质及有害元素含量要求低，因此冶炼技术难度较大，必须通过 真空感应炉冶炼，配合电渣重熔等精炼工艺。 2) 合金种类多，各种元素对抗腐蚀性能影响的作用机理及相互影响机理复杂。 3) 在降低成本和提高抗腐蚀性能方面，需要结合每个油气田的实际工况情况，进 行大量的合金优化，需要大量的研究工作。 4) 与现有常规不锈钢相比，镍基合金的高温塑性较差，无法采用常规热轧或热穿 孔方法实现，必须通过热加工工艺进行热加工。 5) 合金时效析出相成分和组织复杂，对抗腐蚀性的影响机理尚不完全清楚。合金 的析出相受温度影响显著，控制热加工及热处理温度与时间是保证质量的重要 因素。 6) 该系列产品为单相奥氏体组织，室温强度低，高强度油套管必须通过热挤压后 的冷加工强化实现，但是镍基合金冷加工硬化程度高，冷加工工艺控制难度大。 美国特殊钢铁公司研究了高含硫以及还有 cl-和 co2存在条件下合金 028 （unsn08028） 、825（unsn08825） 、g-3（unsn06985） 、050（unsn06950）和 c-276 （unsn10276）等镍基合金的腐蚀问题，耐蚀性能有如下排序： 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 c-276050g-382502811 。从排序结果可以看出，ni 基耐蚀合金的耐蚀性能随着合 金中的 cr、ni 含量增加而升高。合金 825 和 028 这两个钢种在世界范围内的含硫气井 中广泛使用了多年，配合合金 925 和 718 时效强化合金，用于地表层以及井口装置，已 有多年的服役经验。 我国抗腐蚀系列油气井用产品装备的开发和应用尚处于初步阶段， 与国外公司相比 差距很大。 2.2.2 镍基耐蚀合金的合金化原理 镍是铁磁性物质，属于重有色金属，镍具有较高的强度、延性，并有良好的成形性。 纯镍的强度极限可达 450520mpa，延伸率高达 48%。镍作为中等活性金属，却具有颇 好的耐各种介质腐蚀的性能。尽管镍在非氧化性的稀酸中（如小于 10%盐酸、小于 70% 的硫酸） 和许多有机酸中， 室温条件下相当稳定， 但当含有氧化剂 （fecl3、 cucl2、 hgcl2、 agno3及次氯酸盐等）和通气时，镍的腐蚀速度剧烈上升。同时，镍在硝酸及亚硝酸等 氧化性介质中很不耐蚀。在充气条件下，镍在醋酸和乙酸中也不稳定。镍在充气的氨水 溶液会发生溶解。尽管纯镍具有作为耐蚀材料的基本品质，但对于多种苛刻而复杂介质 而言，纯镍尚显不足。这可通过合金化形成纯镍耐蚀合金来解决，这也是镍在耐蚀合金 中的一个非常重要的特点，即镍对于 cu、cr、w 和 mo 等具有极大的固溶能力（在 ni 中分别可溶 100%cu、47.0%cr、39.3%mo 及 40%w12 ） ，这些合金化元素赋予镍更加 优良的耐蚀性能，形成各种成分广泛、耐蚀性能各异的系列镍基耐蚀材料13 。 不锈钢只能用于普通自然环境及稀硝酸中，它在较高温度和较苛刻的介质（无论是 还原性或氧化性）中腐蚀严重。一旦存在氯离子，不锈钢就会产生点蚀和缝隙腐蚀，还 具有严重的应力腐蚀倾向（危害最大） ，氯化物应力腐蚀断裂是限制奥氏体不锈钢应用 的主要因素，特别是 300 系列：铜合金主要耐大气腐蚀、淡水腐蚀，白铜对海水有较好 抗蚀能力。钛及钛合金容易钝化，但在许多介质（包括海水）中有较为严重的应力腐蚀 倾向。 镍基耐蚀合金是重要的耐蚀材料， 与一般不锈钢、 其他耐蚀金属、 非金属材料相比， 它们在各种腐蚀环境（包括电化学腐蚀和化学腐蚀）中，具有耐各种形式腐蚀破坏（包 括全面腐蚀、 局部腐蚀以及应力腐蚀等） 的能力， 并且兼有很好的力学性能及加工性能， 其综合耐蚀性能远比不锈钢和其他耐蚀合金材料优良。 尤其适宜于现代工业技术下的苛 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 刻的介质环境， 有试验表明， 美国 304 与 316l 奥氏体不锈钢在沸腾的 42%mgcl2中 12h 即断裂，而镍基耐蚀合金 c276 及 625 在同等条件下 1000h 仍未断裂。自 1980 年以来， 镍基耐蚀合金的研究与应用范围正不断扩大14 。 高镍耐蚀合金既具有良好的耐蚀性，又具有强度高，塑、韧性好，可以冶炼、铸造、 冷变形、热变形和成形以及可焊接等性能，从而在化工、石油、湿法冶金、原子能、海 洋开发和航空工业中得到广泛的应用，成为不可缺少的金属耐蚀材料。镍基耐蚀合金以 抗液体介质（室温，有时也可高于高温）腐蚀能力为其主要性能。耐蚀合金还具有不需 维护的特点， 在石油天然气工业中作为石油管道产品被广泛地运用于潮湿的 co2和 h2s 的环境中15,16 。 ni 能提高钢的热力学稳定性，阻滞电化学腐蚀的阳极过程，对钢的抗 co2腐蚀是 有利的17 。含镍量一般不超过 70%，主要添加 co、cu、cr、mo、w 等，以适应各 种不同化学性质的工作介质。co、cr、w、mo 主要起固溶强化作用，也是碳化物形成 元素。在镍合金中同时加入 cr、mo、w 可同时改善其在氧化性介质和还原性介质中的 耐蚀性18 。 fe 对耐蚀性无明显影响， 但在多元镍合金中加入适量的铁， 可在不影响耐蚀性的前 提下强化基体和改善可加工性。而且铁廉价便宜，可节约稀缺元素从而降低成本。 cr 是稳定合金表面最重要的元素，能赋予镍在氧化条件下（如 hno3、h2so4）下 的抗蚀能力， 以及高温下的抗氧化、 抗硫化的能力,它在基体材料的表面形成抗氧化和抗 腐蚀的保护层，加入 cr 可以形成 cr2o3层，它有低的阳离子空位，所以能阻止金属元 素向外扩散和 o、n2、s 及其他有害元素向内扩散，能防止材料的氧化和热腐蚀。 mo 由于是大原子半径的元素，少量加入可以有效地增强钢的抗局部腐蚀和抗 cl- 腐蚀性， 在含 h2s 条件下还可提高钢的抗 h2s 腐蚀能力。 钼元素能够改善奥氏体合金中 cl-引起的点腐蚀和缝隙腐蚀。mo 和 cr 在一起更能够改善其抗氧化的性能。因此，当 cr 含量高于 18%时，mo 对提高钢材的抗氧化和抗点腐蚀的效果是 cr 的三倍以上。所 以，随着钼含量的提高，其抗点腐蚀的能力将成正比例增大19, 20 。 cu 能提高镍在还原性介质中的耐蚀性，以及在充气的高速流动海水中均匀的钝性。 铜元素加入到奥氏体合金中，可在硫酸环境中具有抗腐蚀性能。当铜与铬和镍结合后， 能在其表面上牢固地形成钝化膜，阻止硫酸的腐蚀破坏21 。 w 能显著提高镍在还原性酸中的抗蚀性。 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 另外，n 能增强 cr 钝化膜的致密性。在有蚀坑的情况下，稳定点蚀坑的 ph 值。因 而对钢的抗 co2腐蚀特别是抗点蚀能力有利，但加入过多会影响钢的热加工性能。因此 其加入量应适当，一般控制在 0.010.1%。 由于碳化物等第二相析出（此时合金处于敏化状态）所造成的对材料耐蚀能力的严 重损伤，因此，镍基耐蚀合金需要通过专门的熔炼技术，控制碳含量在尽可能低的水平 （一般均在 0.03%以下） 。 2.2.3 incoloy 825 镍基耐蚀合金 二十世纪的后半期，在镍基抗腐蚀合金的开发方面有一个惊人的增长，这主要是由 于镍与合金化元素，如 cr、mo、co、fe、cu、ta、w 和 n 之间优异的冶金相容性。 这些合金元素在化工、石化、海水、矿浆、造纸、农药、石油和天然气、热处理、能量 转化，以及其他的腐蚀环境中，能赋予镍基合金独特的抗腐蚀性和高温性能。改进的冶 炼和热机械加工工艺，结合对这些合金元素的作用及其物理冶金行为的更充分的了解， 对于开发二元、三元和其他复杂的镍基合金系是很重要的21, 22 。 alloy 825 是一种添加了钼、铜和钛的镍-铁-铬固溶强化合金，是 alloy800 的一种 改型合金， 其美国金属与合金统一编号为 n08825。 添加 mo （3%） 、 cu （2%） 和 ti （0.9%） ， 这些合金元素改进了合金抗腐蚀能力。其约 42%的高镍含量，当在翻腾的 mgcl2溶液中 实验时，表现出优异的抗氯化物离子的应力腐蚀裂纹能力。高镍结合较高的 mo、cu 含 量，在诸如含有硫酸和磷酸的还原气氛中，具有良好的抗力。实验室的试验结果和服役 经历已经证明，825 合金在硫酸含量达 40%（重量）的沸腾溶液中，以及温度达 66oc 的各种浓度下，都表现出良好的抗蚀性。该合金具有抗氯离子应力腐蚀开裂的能力，抗 点蚀、缝隙腐蚀和许多腐蚀性溶液的能力。高的铬含量保证合金对各种氧化性介质，如 硝酸和硝酸盐以及氧化性盐的抗腐蚀性。钛的添加，并通过适当的热处理，可以稳定合 金防止晶间腐蚀的敏感性23 。其化学成分如表 1 所示，其室温机械性能如表 2 所示。 我们准备选用 incoloy 825 镍基合金作为普光油气田主体开发地面集输工程中法兰 的材料。 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 表 2.1 incoloy 825 合金化学成分 table 2.1 chemical composition of incoloy 825 alloy 成分 含量（w%） 成分 含量（w%） ni 38.0-46.0 c 0.05 max fe 22.0-33.0 s 0.03 max cr 19.5-23.5 p 0.03 max mo 2.5-3.5 mn 1.0 max cu 1.5-3.0 si 0.5 max ti 0.6-1.2 al 0.2 max 表 2.2 incoloy 825 室温机械性能 23 table 2.2 mechanical properties of incoloy 825 at room temperature 性 能 最低值 抗拉强度，mpa 586 屈服强度（0.2% 残余变形） ，mpa 241 伸长率，% 30 【注】 ：原始数据为英制单位 2.3 825 合金材料锻造成形的主要问题 通过和厂方技术人员的交流，选定 825 合金法兰的制造流程为：冶炼铸锭 开坯扒皮锯切加热锻造成形热处理机加工检验。 本文主 要负责锻造成形阶段的研究。 对于 825 合金材料来说，锻造阶段面临的主要问题是： （1）825 合金的高温下变形 抗力较大，即便在始锻温度 980 c，其流动应力也在 240mpa 以上23 ，这给成形增加 了难度。 （2）为了防止晶界腐蚀，提高抗硫化氢应力腐蚀的能力，对晶粒的要求是越小 越好。而 825 合金加热和冷却时不发生相变，因此不能通过热处理方法细化晶粒，只能 通过塑性变形及再结晶来细化晶粒。 （3）变形量的均匀程度决定了晶粒大小均匀性，因 而决定了零件的耐蚀性。为了避免出现粗晶影响整体耐蚀性，还要保证各处变形量都大 于临界变形程度 15%，防止产生晶粒粗大。 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 2.4 零件和锻件的三维实体建模 2.4.1 零件图与锻件图的绘制 厂方提供的零件图和锻件图均为示意图，即尺寸标注是正确的，走样比较严重。因 此需要重新绘制零件图和锻件图。这里使用参数驱动的三维造型软件 pro/e 分别建立 三个型号法兰的各自的零件图和锻件图的三维图形，利用 autocad 分别建立三个型号 法兰各自零件图和锻件图的二维图形，所有显示的尺寸大小和实际尺寸按同比例缩放。 因为 3 个型号的法兰形状相似，1、2、3 号法兰的重量逐渐增大，在这里仅列出重量介 于中间的 2 号法兰的零件图和锻件图的各自二维和三维图形，如图 2.2-图 2.5 所示。1 号法兰和 3 号法兰只给出零件图和锻件图的二维图形，如图 2.6-图 2.9 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 其余 图 2.2 2 号法兰的零件图（二维） fig 2.2 detail drawing (2d) of no.2 flange 太原理工大学硕士研究生学位论文 13 （a）正面 （b）反面 图 2.3 2 号法兰的零件图（三维） fig2.3 detail drawing(3d) of no.2 flange 太原理工大学硕士研究生学位论文 14 图 2.4 2 号法兰的锻件图（二维） fig 2.4 forging chart (2d) of no.2 flange 图 2.5 2 号法兰的锻件图（三维） fig 2.5 forging chart (3d) of no.2 flange 太原理工大学硕士研究生学位论文 15 其余 图 2.6 1 号法兰的零件图 fig 2.6 detail drawing of no.1 flange 图 2.7 1 号法兰的锻件图 fig 2.7 forging chart of no.1 flange 太原理工大学硕士研究生学位论文 16 其余： 图 2.8 3 号法兰的零件图 fig 2.8 detail drawing of no.3 flange 图 2.9 3 号法兰的锻件图 fig 2.9 forging chart of no.3 flange 太原理工大学硕士研究生学位论文 17 2.4.2 锻件体积和重量的确定 为方便下料和锯切，把建立的零件和锻件的三维造型，利用 pro/e 的“分析” “模型”“质量属性”功能，计算出各个零件和锻件的体积和重量。坯料采用圆形 棒料，锻比最大为 2.5，并计算出相应的圆柱坯料的最小直径尺寸，如表 2.3 所示。 表 2.3 所有法兰的零件和锻件的体积和重量 table 2.3 volume and weight of all flanges and forges 型号 零件重量（kg） 零件体积（mm 3） 锻件重量（kg）锻件体积 （mm 3） 坯料的最小直径（mm） 1 17.7 2.168e*10 6 28.9 3.548e*10 6 122 2 39.3 4.826e*10 6 61.8 7.592e*10 6 157 3 62.7 7.695e*10 6 95.6 1.174e*10 6 182 2.5 本章小结 本章主要研究了针对高 h2s、co2油气田开发中耐蚀合金的国内外研究现状和发展趋 势，尤其是重点讨论了镍基耐蚀合金的发展状况、合金化原理以及 incoloy 825 耐蚀合 金，并选定用 incoloy 825 镍基合金作为普光油气田主体开发地面集输工程中法兰的材 料。 同时和厂方人员一起制定了耐蚀法兰的制造流程，并提出了锻造成形阶段所面临的 主要问题： （1）高温下变形抗力较大。 （2）加热和冷却时不发生相变，因此不能通过热 处理方法细化晶粒，只能通过塑性变形及再结晶来细化晶粒。 （3）要保证各处变形量都 大于临界变形程度 15%，防止产生晶粒粗大 最后利用 pro/e 软件做出了零件和锻件的三维造型；利用 autocad 画出了零件和锻 件的二维图纸，并计算出了零件和锻件的体积、重量及坯料最小直径尺寸。 太原理工大学硕士研究生学位论文 18 第三章第三章 有限元理论及有限元理论及 deform 软件简介软件简介 3.1 金属塑性有限元方法的概述 3.1.1 金属塑性有限元的分类 金属塑性成形是利用金属的塑性，通过模具（或工具）使简单形状的毛坯成形为所 需工件的技术24 。根据变形特性，金属塑性成形可以分为体积成形和板料成形工艺。 体积成形中，如锻造、挤压等，金属材料产生较大塑性变形，弹性变形相对较少，可忽 略不计。而在板料成形中，如冷冲压等，金属总的变形大，其中的弹性变形部分所占的 比例比较大，此时必须把弹性变形和塑性变形综合起来考虑。正因为如此，形成了两种 典型的材料模型，即：刚塑性材料和弹塑性材料。由于金属材料的弹性与塑性本构关系 差别较大，其对应问题的描述和求解都明显不同。因此，与之相对应塑性有限元法分为 刚塑性有限元法和弹塑性有限元法。 弹塑性有限元法考虑金属材料的弹性变形和塑性变形，弹性区采用 hooke 定律，塑 性区采用 prandtl-reuss 方程和 mises 屈服准则，求解的未知量是节点位移增量。弹塑性 有限元法又分为小变形弹塑性有限元法和大变形弹塑性有限元法， 前者采用小变形增量 来描述大变形问题， 处理形式简单， 但累积误差较大， 目前很少采用。 后者以大变形 （有 限变形）理论为基础采用 lagrange 描述，同时考虑材料的物理非线性和几何非线性，因 而理论较为复杂，并且增量步长很小，计算效率比较低。弹塑性有限元法既可以分析塑 性成形的加载过程，也可以分析其卸载过程，包括计算工件变形后的残余应力、应变、 工件的回弹以及与模具的相互作用。 刚塑性有限元法不计算弹性变形。采用 levy-mises 方程和 mises 屈服准则，求解的 未知量为节点速度。它通过在离散空间对速度的积分来处理几何非线性，因而解法相对 简单，并且求解效率高。由于体积成形中工艺条件的差异使金属材料出现不同的特性， 典型的有刚塑性硬化材料和刚粘塑性硬化材料。 刚塑性硬化材料对应的有限元法是刚塑 性有限元法，它适用于冷态、温态体积成形问题。刚粘塑性材料模型对应为刚粘塑性有 太原理工大学硕士研究生学位论文 19 限元法，它适用于热态体积成形过程，并且可以进行变形与传热的热力耦合分析25,26 。 实质上，刚塑性只是刚粘塑性的一个特例。刚塑性有限元法的主要不足是不能进行卸载 分析，无法得到残余应力、变形及回弹，此外刚性区的应力计算也有一定的误差。 3.1.2 塑性有限元的发展 小变形弹塑性有限元法是在金属塑性成形中最早提出的。1967 年，p.v.marcal 和 i.p.king 开始用有限元法分析二维应力系统的弹塑性变形27 ， 后来 y.yamada 等人推导 了小变形弹塑性应力矩阵28 ,这样就促进了小变形弹塑性有限元法在塑性成形中的应 用。由于小变形弹塑性有限元法仅适用于分析变形体从弹性状态到塑性状态初期阶段， 随着变形的增加会出现明显的误差，并且步长较小计算效率太低，因此就限制了其在塑 性成形领域的进一步应用。与此同时，这也推进了大变形弹塑性有限元的发展。 大变形弹塑性有限元法的理论可以追溯到 1959 年 hill 的工作。 1970 年， h.d.hibbit 等人首次采用以 lagrange 描述法为基础的大变形弹塑性有限元列式29 ,70 年代中期， r.m.mc.meeking 等建立了基于 euler 描述法的大变形弹塑性有限元列式30 。 由于这些 算法充分考虑了变形过程中的大变形、大转动对各种场量值计算的影响，因此适用于进 行金属塑性成形模拟的需要，并能够得到更为合理、准确的模拟结果。但是，由于在数 学方面关于大变形几何非线性处理的困难， 使得大变形弹塑性有限元法未能够得到更为 广泛的应用。 为了客服上述不足，k.lange 于 1971 年在 markov 变分原理的基础上，把体积不可 压缩条件用 lagrange 乘子法引入到泛函中，通过这种表述建立了刚塑性有限元公式。 1973年， c.h.lee和s.kobayashi以矩阵分析法， 独立提出了类似的刚塑性有限元法31 。 1978 年，c.c.chen 和 s.kobabyshi 提出了刚塑性的处理方法以及反正切摩擦力模型，并 用于圆环镦粗分析28,这一工作为刚塑性有限元法开始应用于金属塑性成形奠定了重要 基础。1979 年，o.c.zienkiewicz 等提出了采用罚函数法处理体积不可压缩条件的刚塑 性有限元法32 ,1982 年， k.mori 和 k.osakada 提出了刚塑性可压缩材料的有限元法33 。 至此，刚塑性有限元法基本理论和方法已初步形成。 虽然在这一时期，塑性有限元的理论发展基本成熟，但由于计算机软硬件方面的限 制，在实际的应用中，有限元法数值模拟的水平还比较低。多用于分析平面问题和轴对 称问题等二维平面问题。 太原理工大学硕士研究生学位论文 20 3.1.3 有限元数值模拟关键技术的发展 随着计算机硬件能力飞速提高， 塑性有限元数值模拟在物质上和理论上已经没有阻 碍，于是研究应用塑性有限元理论、计算机图形学、软件工程等开发有限元模拟分析软 件成为热点。1982 年,s.i.oh 提出了二维问题任意形状模具的边界条件处理方法以及刚 塑性有限元法中初始速度场的自动生成算法34 .随后，s.kobayashi 等对该算法做出了进 一步改进使之更加完善，称为直接迭代法。这些研究工作大大提高了有限元模拟中速度 场的 newton-raphson 迭代解法的收敛性。从 80 年代中期开始，许多研究者在弹性有限 元网格自动划分技术的基础上，针对塑性大变形有限元模拟的特点，从二维有限元网格 失效判断到网格重划分技术，直至新旧网格数据转化做了大量的工作。学者们又研究解 决工件与模具动态接触的处理，包括接触和脱模的判定，摩擦力的计算等。 对上述关键技术的解决使得塑性有限元法数值模拟的应用大大加强， 可以模拟复杂 的三维大变形问题。 3.2 deform 简介 deform(design environment for forming)软件是美国 battele columbus 实验室和俄亥 俄州立大学精密成形工程中心共同开发的一套有限元分析软件35 。早期的 deform-2d 软件只能局限于分析等温变形的平面问题或者轴对称问题。随着有限元技 术的日益成熟，deform 软件也在不断发展完善。目前，deform 软件已经能够成功 用于分析考虑热力耦合非等温变形问题和三维变形（deform-3d） 。此外，deform 软件可视化的操作界面以及强大而完善的网络自动再划分技术，都使 deform 这一商 业化软件在现代工业生产中变得越来越实用而可靠， 目前已在美国和其他一些国家的研 究所机构和公司中应用， 它现已成为国际上最著名的 2d/3d 体积成形加工和热处理工艺 模拟分析软件，是专为生产实际应用而设计开发的，使用简单。该软件能使用户缩短设 计、生产周期，优化工艺，提高生产率36 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 21 3.2.1 deform 的技术特性 为了真实地描述塑性成形过程， 一个完整的模拟系统必须处理好有限元中的一些关 键技术，同时还得综合考虑现场实际生产条件。derorm 的下列技术特性可以有效地 解决上述两个问题37 。 (1) 网格自动生成及其再划分 deform 以严格控制体积损失和保证场量的有效继承为准则，具备一个高度自动 化、智能化的网格划分及其再划分的生产器，从而保证了模拟过程的顺利进行，无须人 工干预。 (2) 分析对象的多元化 deform 将参与成形的物体均作为分析对象，既可以分析变形体的塑性成形过程 及其残余应力，又可以分析模具的应力、弹性变形等。 (3) 多工步成形 deform 将多工步成形问题的各个预成形及终成形工步进行有效安排，依次进行 模拟并自动实现工步间物理信息的相互传递。 (4) 成形缺陷的预测 deform 建立了较为完善的质点脱模及材料断裂准则，可以有效预测表面折叠、 缩孔、表面裂纹、内部裂纹等常见成形缺陷。 (5) 模拟结果分析 deform 不但提供常见的网格、等值线、等色面等图形显示工具，而且还配备载 荷行程曲线、质点场量跟踪、试件格线变形跟踪等塑性加工专用处理工具。 (6) 成形设备的多样化 deform 提供了分别适用于机械压力机、液压机、摩擦压力机、螺旋压力机、锤 上锻造等常用塑性加工设备的模具运行方式。 (7) 材料库的建立 deform 建立了 150 多种常见的金属、非金属材料数据库，同时允许用户定义自 己的材料流动应力模型及材料属性系数。 (8) 数据接口 deform 同 cad/cam 系统建立了 iges 和 stl 等通用数据接口， 同 amg、 ideas 和 patran 等有限元网格生成器建立了专用的数据接口。 (9) 模拟范围广 deform