CN102453841A - 海洋采油平台r4s级系泊链条用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋采油平台R4S级系泊链条用钢及其制造方法，其特征在于：所述链条用钢的化学成分组成为（%重量比）：C0.20～0.25，Si0.15～0.30，Mn0.20～0.60，Cr0.90～1.30，Mo0.45～0.60，Ni0.80～1.20，Nb0.02～0.06，Al0.02～0.05，P≤0.025，S≤0.025，Cu≤0.20，[N]≤0.0120,[O]≤0.0030,余量为Fe及不可避免的杂质。所述制造方法包括淬火和回火热处理，所述淬火温度950℃-970℃,保温时间60min-120min，水冷；回火570℃-590℃，保温时间60min-120min，水冷，所述淬火和回火的时间一致。本发明实现R4S级系泊链钢的高强度性能指标、优良的焊接性能，打破R4S级系泊链的屈强比技术壁垒，克服链条最薄弱的环节焊缝，满足标准要求。

Description

海洋采油平台R4S级系泊链条用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种海洋采油平台R4S级系泊链条用钢及其制造方法。

背景技术

系泊链条产品主要用于海洋石油开采用浮式生产系统、半潜式钻井平台、单点系泊结构和浮式生产设施,由于链条长期浸泡在海水中,条件恶劣，因此要求系泊链用钢不仅强度高、韧性好、抗疲劳、耐磨损等特性，而且还要求具有耐海水腐蚀。

 根据ABS船级社颁布其规范2009版本、明确将R5、R4S钢级列入其最新版规范《GUIDE FOR THE CERTIFICATION OF OFFSHORE MOORING CHAIN-DECEMBER 2009》； DNV船级社同样颁布其《OFFSHORE STANDARD DNV-OS-E302-October 2008》正式规范，将R5、R4S钢级系泊链纳入其中，在R4级别系泊链材料基础上须提高10% 以上抗拉强度（≥960Mpa）、且不能显著增加屈服强度，屈强比≤0.92，同时要确保材料的强度和韧性、疲劳性能和抗应力腐蚀等技术规范规定的要求，ABS、DNV船级社最新版规范对R4、R4S钢级材料的力学性能要求见表1：

表1 

 

从表1可以看出，R4S较R4既要求提高强度到960Mpa以上，屈强比仍要求在0.92以下，且要求较高的冲击韧性。

由于，系泊链条的制造必须通过焊接工艺制造链环，链环的焊接性能又取决于材料的碳当量（Cq）的高低， R4S级系泊链钢在保证其高强度力学性能的同时，还应有低碳当量（Cq）的成分组合，从而决定了R4S级系泊链钢具备“渗碳钢的成分、调质钢的性能”的特性。

同时，系泊链条的制造工艺是采用焊接后+热处理来实现链条的力学性能的，闪光焊接对原材料是重熔和重结晶过程，受高温与氧化的共同作用，焊缝的化学成分相对母材将发生改变，焊接缝两侧会形成热影响区，因此焊缝将成为链条最薄弱的环节。

综上所述，要实现R4S级系泊链钢的高强度性能指标、优良的焊接性能，尤其解决链条最薄弱的环节焊缝及其热影响区的“屈强比（σs/σb）”问题，是R4S级系泊链条用钢制造方法的关键技术。

传统的R4级Mn-Cr-Ni-Mo系列的系泊链条用钢的化学元素Mn含量较高，由于Mn不利于钢碳当量Cq的降低，对钢的淬透性、提高材料强度方面都相对弱，其合金结构，不能强化链条焊缝区域性能，与R4S级系泊链条的力学性能差距较大。设计一种适合的合金化组合，成为开发R4S级系泊链钢急需解决的问题之一。

系泊链条的综合力学性能不仅仅靠原材料良好的焊接性能来实现，还要依靠适当的热处理工艺发挥出材料的潜在性能，满足链条技术指标的各项要求。系泊链条的调质热处理现状是在油（气）炉中连续移动进行的，链条的行进速度决定了链条的加热时间，但链条的淬火和回火时间是一致的。钢材制造厂对材料的调质热处理是在淬火炉或回火炉中分别进行的，材料淬火后根据其淬火硬度选择回火温度或者回火时间使材料达到力学性能指标的要求，其热处理工艺是不连续的。由于R4S级系泊链条尤其是链条焊口对热处理工艺区间要求极窄，钢材制造厂对材料的调质热处理后性能结果往往在链条生产厂得不到实现。统一保温时间（h），调整温度，采用“等效伪连续调质热处理”，模拟链条连续调质热处理工艺，实现链条钢窄区间调质处理，满足链条性能指标，是开发R4S级系泊链钢的又一需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于克服上述不足，提供一种海洋采油平台R4S级系泊链条用钢，实现R4S级系泊链钢的高强度性能指标、优良的焊接性能，打破R4S级系泊链的屈强比技术壁垒，克服链条最薄弱的环节焊缝，满足标准要求。

本发明的目的之二在于提供一种海洋采油平台R4S级系泊链条用钢的制造方法，实现链条钢窄区间调质处理，满足链条性能指标。

本发明的目的是这样实现的：

一种海洋采油平台R4S级系泊链条用钢，其特征在于：所述链条用钢的化学成分组成为（%重量比）：C 0.20～0.25，Si 0.15～0.30，Mn 0.20～0.60，Cr 0.90～1.30，Mo 0.45～0.60，Ni 0.80～1.20，Nb 0.02～0.06，Al 0.02～0.05，P ≤0.025，S ≤0.025，Cu ≤0.20，[N] ≤0.0120, [O] ≤0.0030,余量为Fe及不可避免的杂质。

一种海洋采油平台R4S级系泊链条用钢的制造方法，所述制造方法包括淬火和回火热处理，所述淬火温度950℃-970℃,保温时间60min-120min，水冷；回火570℃-590℃，保温时间60min-120min，水冷，所述淬火和回火的时间一致。

 所述淬火温度为960℃，保温时间120min，水冷，回火温度为580℃，保温时间120min，水冷。

所述方法的具体步骤为：电炉---精炼---真空脱气---连铸---连轧---缓冷---表面精整---探伤---淬火和回火热处理---包装入库。

本发明化学成分设计的理论依据如下：

采用的碳当量公式：Cq=C+Mn/6+[Cr+Mo]/15+Ni/40+Si/24+V/14

由上述碳当量公式中可知，Mn对Cq的贡献系数是Ni的6.6倍，为改善焊接性能，本发明与R4级系泊链钢相比，降低了Mn的含量。但为了保证性能，特别是链条薄弱环节——焊缝处的性能，本发明提高了Ni的含量。

本发明主要合金元素确定的原则是：

1）C含量的确定

考虑到钢的塑性、韧性、切削性和焊接性，C含量不宜高，选用低碳钢较合适。本发明C含量的范围确定为0.20～0.25%；

2）Si含量的确定

此处的Si为强化铁素体，可提高材料的基体强度，对材料抗拉强度有贡献。本发明的Si含量范围确定为0.15～0.30%；

3）Mn含量的确定

由碳当量公式可以看出，Mn的系数较高，对焊接性能的害处较大。本发明Mn含量的范围确定为0.20～0.60%；

4）Cr含量的确定

Cr是中等碳化物形成元素。加热时溶入奥氏体的Cr强烈提高淬透性。钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度。本发明Cr含量的范围确定为0.90～1.30%；

5）Ni含量的确定

Ni是非碳化物形成元素。Ni以固溶形式存在于钢中。与Cr配合使用时，可显著提高钢的淬透性。Ni降低共析点的含C量，增加珠光体的体积分数，有利于提高强度。Ni降低Ar3转变温度，使铁素体晶粒变细，同时，可使珠光体片间距减小，有利于韧性的提高。由碳当量公式可知，Ni的系数较小，对焊接性能的害处较小，为保证焊缝处性能，本发明Ni含量的范围确定为0.80～1.20%；

6）Mo含量的确定

    Mo存在于钢的固溶体和碳化物中，有固溶强化作用，能改善钢的淬透性和回火稳定性，还能细化晶粒，改善碳化物不均匀性，从而提高钢的强度和韧性。Mo对珠光体转变有显著的推迟作用，而对贝氏体转变影响较小，因而在相当大的冷却速度范围内可获得全部是贝氏体的组织。本发明Mo含量的范围确定为0.45～0.60%；

7）Nb含量的确定

Nb是典型的微合金化元素，与C、N具有很强的亲和力，能够形成稳定的碳化物和碳氮化物。本发明采用了较高的淬火温度，适量的Nb可以阻止晶粒在加热保温过程中过分长大。另外，其作用还体现在析出强化、提高回火抗力等方面。本发明Nb含量的范围确定为0.02～0.06%；

8）Al含量的确定

添加Al元素主要是用来细化晶粒。本发明Al含量的范围确定为0.02～0.05%。

为了材料具有良好的强韧性匹配，需要进行热处理来改善焊缝金属的组织和性能。本发明模拟R4S级系泊链链条制作的实际过程，淬火回火热处理都是在线同步进行的，热处理的时间参数与生产节奏保持一致，在后面的热处理试验中，淬火、回火保温时间均为120min。

因此，本发明采用“等效伪连续调质热处理”，选择高的淬火温度950℃-970℃，保温时间120min，水冷；回火570℃-590℃，保温时间120min，水冷。 

本发明制造方法的工艺条件的选择依据是：

本发明选择高的淬火温度（Ac3温度为 810℃-820℃），主要目的是获得晶粒较大马氏体+残余奥氏体及少量混合贝氏体组织，以获得R4S级系泊链材料的良好的强韧性匹配，同时有利于材料的屈强比要求。

此钢焊缝及热影响区的组织主要为混合贝氏体+马氏体及少量残余奥氏体组织，经过950℃-970℃保温1h水冷淬火后，组织为板条马氏体+（6%-10%）残余奥氏体(包括M-A岛)及少量混合贝氏体组织。当淬火加热温度提高至1000℃时，晶粒异常粗大。

众多文献得出，晶粒越细小，钢的屈强比越高，因此，提高淬火加热温度，可以适当的增大晶粒尺寸，对降低屈强比有利。由于材料中含有微量元素Nb、Al、Ti、N等，在钢中形成细小的AlN、NbN、NbC、TiC质点，能阻止奥氏体晶粒在高的淬火加热温度下过度长大，而恶化材料的韧性、塑性指标。

材料中所加入微量元素，当Nb（0.02-0.05%）、Al（0.02-0.05%）、N（80-120ppm）、Ti适量时，在淬火温度范围内主要析出MX沉淀强化相，提高材料的强度，且通过间隙相质点的钉扎和拖曳机制可以有效的抑制奥氏体晶粒长大， 960℃×1h淬火后，R4S材料的晶粒度为4-5级。微量元素含量小于这个范围时，经960℃×1h淬火，晶粒度达到1-2级，晶粒粗大，对冲击韧性极为不利。

提高淬火加热温度，一方面可使焊缝熔合区晶界杂质溶入奥氏体的量增加，减少了晶界的杂质分布；一方面提高合金元素的扩散速率，减小焊缝与基体的成分差异，增加组织成分的均匀性，从而提高了回火后焊口的冲击韧性Akv。同时，高温淬火后形成残余奥氏体及M-A岛组织，能降低材料的屈服强度和屈强比，残余奥氏体及M-A岛的应变诱导马氏体相变，使得材料对抗拉强度的影响不大。

焊缝及热影响区回火后的组织主要为回火索氏体组织，随着回火温度的升高，板条中位错密度降低，残余奥氏体数量分解减少，马氏体中碳化物析出、长大并有球化趋势，从而焊口的强度随着回火温度的升高，逐渐降低，而韧性显著升高，屈服强度和屈强比也呈上升趋势。

黑色颗粒状细小、弥散分布在晶界处的马氏体和残余奥氏体M-A岛使得材料的屈强比满足要求的关键，残余奥氏体中有马氏体转变诱发的高密度位错，当钢中可运动位错密度超过一临界值时，表现为材料的屈服行为。因此，随着回火温度升高，残余奥氏体及M-A岛进一步分解，屈强比呈升高趋势，当回火为610℃时，残余奥氏体及M-A岛大部分已发生分解，转变成珠光体，此时的屈强比已经超出标准要求，值为0.928。

为了材料的强韧性、屈强比均能较好地满足船检规范的要求，本发明回火温度选择为580℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过钢成分的合理设置，实现R4S级系泊链钢的高强度性能指标、优良的焊接性能，打破R4S级系泊链的屈强比技术壁垒，克服链条最薄弱的环节焊缝，满足标准要求。制造方法、工艺参数的合理设置，实现链条钢窄区间调质处理，满足链条性能指标。本发明在R4级别系泊链材料基础上提高10% 以上抗拉强度（≥960Mpa）、且不增加屈服强度，屈强比≤0.92，同时确了保材料的强度和韧性、疲劳性能和抗应力腐蚀等技术规范规定的要求，满足ABS、DNV船级社最新版规范要求。

附图说明

图1为本发明方法的热处理工艺曲线图。

图2为淬火前焊缝及热影响区的组织照片。

图3为960℃淬火后焊缝及热影响区的组织照片。

图4为1000℃淬火后焊缝及热影响区的组织照片。

图5为960℃淬火后焊缝及热影响区的晶粒度（Nb 0.02-0.05%）照片。

图6为960℃淬火后焊缝及热影响区的晶粒度（Nb≤0.015%）照片。

图7为淬火温度对材料性能的影响。

图8为回火温度对材料性能的影响。

图9为不同回火温度的组织（马氏体、残余奥氏体、M-A岛的分解转变）照片。

具体实施方式

本发明涉及的一种海洋采油平台R4S级系泊链条用钢，其化学成分组成为（%重量比）C 0.20～0.25，Si 0.15～0.30，Mn 0.20～0.60，Cr 0.90～1.30，Mo 0.45～0.60，Ni 0.80～1.20，Nb 0.02～0.06，Al 0.02～0.05，P ≤0.025，S ≤0.025，Cu ≤0.20，[N] ≤0.0120, [O] ≤0.0030,余量为Fe及不可避免的杂质，具体可参见下表中的实施例：

上述实施例中不同组分的海洋采油平台R4S级系泊链条用钢的制造方法为：电炉（EAF）---精炼（LF）---真空脱气(VD)---连铸（CCM）---连轧---缓冷---表面精整---探伤（ET/IT+UT）---热处理（等效连续QT）---包装入库。

其热处理包括淬火和回火，所述淬火温度950℃-970℃,保温时间60min-120min，水冷；回火570℃-590℃，保温时间60min-120min，水冷，所述淬火和回火的时间一致。

上述热处理工艺的优选条件为：淬火温度为960℃，保温时间120min，水冷，回火温度为580℃，保温时间120min，水冷，参见图1。

Claims (4)

1.一种海洋采油平台R4S级系泊链条用钢，其特征在于：所述链条用钢的化学成分组成重量百分比为：C 0.20～0.25，Si 0.15～0.30，Mn 0.20～0.60，Cr 0.90～1.30，Mo 0.45～0.60，Ni 0.80～1.20，Nb 0.02～0.06，Al 0.02～0.05，P ≤0.025，S ≤0.025，Cu ≤0.20，[N] ≤0.0120, [O] ≤0.0030,余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种海洋采油平台R4S级系泊链条用钢的制造方法，其特征在于：所述制造方法包括淬火和回火热处理，所述淬火温度950℃-970℃,保温时间60min-120min，水冷；回火570℃-590℃，保温时间60min-120min，水冷，所述淬火和回火的时间一致。

3.根据权利要求2所述的一种海洋采油平台R4S级系泊链条用钢的制造方法，其特征在于：所述淬火温度为960℃，保温时间120min，水冷，回火温度为580℃，保温时间120min，水冷。

4.根据权利要求2所述的一种海洋采油平台R4S级系泊链条用钢的制造方法，其特征在于：所述方法的具体步骤为：电炉---精炼---真空脱气---连铸---连轧---缓冷---表面精整---探伤---淬火和回火热处理---包装入库。

Images