海洋石油平臺節(jié)點(diǎn)用低溫鑄鋼的開發(fā)

郭 嘉 翟晨晨 李莉娟 翟啟杰

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

海洋中富含石油和天然氣資源，海上平臺是開采海洋石油和天然氣資源的基礎(chǔ)設(shè)施。桁與支撐交叉的節(jié)點(diǎn)是海洋平臺結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，通常為焊接件，易疲勞開裂而失效。為提高節(jié)點(diǎn)的可靠性，陸地建筑物常將交叉的焊接接頭改為鑄件，從20世紀(jì)70年代起，英國、日本陸續(xù)將這種鑄造節(jié)點(diǎn)用于海洋石油平臺，對按1∶1復(fù)制的構(gòu)件進(jìn)行的計(jì)算和試驗(yàn)表明，以鑄造節(jié)點(diǎn)代替焊接件能顯著降低應(yīng)力集中，提高疲勞壽命和減重[1]。深海資源的開發(fā)需要強(qiáng)韌性更好且經(jīng)濟(jì)可靠的海洋平臺節(jié)點(diǎn)。

本文參考文獻(xiàn)[2]，研發(fā)了一種低碳低合金鑄鋼，經(jīng)完全退火和調(diào)質(zhì)處理后，獲得了屈服強(qiáng)度大于550 MPa、-40 ℃沖擊韌度大于40 J/cm2的力學(xué)性能，適用于開發(fā)石油和天然氣的海洋平臺的節(jié)點(diǎn)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料和冶煉工藝

所用原材料為：Q215B廢鋼，含75%Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的硅鐵，含85%Mn的錳鐵，含60%Cr的鉻鐵，含60%Mo的鉬鐵，含50%V的釩鐵，含65%Nb的鈮鐵和純鎳及La- Ce復(fù)合稀土等。由于S、P等雜質(zhì)會降低材料的強(qiáng)度和低溫韌性，故選用含S、P等雜質(zhì)較少的Q215B廢鋼，還可降低生產(chǎn)成本。熔煉用坩堝為鎂質(zhì)耐火材料，主體為MgO，粘結(jié)劑為硼酸，坩堝容量10 kg。采用大氣冶煉工藝，用石灰與瑩石配比為2∶1的料造渣，用硅鈣和鋁塊作脫氧劑。在考慮了原料燒損的基礎(chǔ)上，按10 kg基爾試塊進(jìn)行配料，將鋼水澆鑄成如圖1所示的體積約1 536.23 cm3、重約10.8 kg的基爾試塊。從基爾試塊底部取樣檢測性能，以盡量避免縮孔、疏松等鑄造缺陷對檢測結(jié)果的影響。采用SPECTRO LAB M9型直讀光譜儀測定鋼的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP- MS)測得材料中La- Ce復(fù)合稀土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%。

圖1 基爾試塊簡圖Fig.1 Sketch drawing of the keel block

表1 所研制鑄鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分散)Table 1 Chemical composition of the developed cast steel (mass fraction) %

從基爾試塊的底部切取22 mm×22 mm×120 mm的試塊進(jìn)行完全退火和調(diào)質(zhì)處理。采用DIL805A/D熱膨脹快速相變儀測得鋼的Ac1和Ac3溫度分別為748和887 ℃，熱處理工藝見圖2。

圖2 熱處理工藝Fig.2 Heat treatment processes

1.2 力學(xué)性能和顯微組織檢測

按照GB/T 229—2007，制備V型缺口試樣進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)。拉伸試樣按GB/T 228.2—2015制備，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。采用飛納ProX臺式掃描電鏡及金相顯微鏡觀察分析顯微組織。

2 結(jié)果與分析

對試塊進(jìn)行如圖2所示的完全退火及調(diào)質(zhì)處理。4件試樣的-40 ℃沖擊韌度如表2所示。

表2中A1試樣的-40 ℃沖擊韌度偏低，這是組織中有明顯的疏松所致， 如圖3所示。圖4為A3沖擊試樣斷口的宏觀形貌和SEM圖。由圖4(a)可知，斷口有剪切唇和纖維區(qū)，且表面有起伏，說明裂紋在擴(kuò)展過程中發(fā)生了變形，表現(xiàn)出一定的韌性[3]，圖4(b)所示斷口纖維區(qū)為韌窩狀，圖4(c)所示斷口放射區(qū)大部分為解理臺階，還有河流花樣和撕裂棱。

表2 鑄鋼的-40 ℃沖擊韌度Table 2 Impact toughness of the cast steel at -40 ℃ J·cm-2

圖3 A1沖擊試樣斷口處顯微組織Fig.3 Microstructure near fracture of the impact sample A1

鋼熱處理后的力學(xué)性能列于表3，B1、B2表示試樣編號。由表3可知，經(jīng)完全退火和調(diào)質(zhì)處理后鋼的平均屈服強(qiáng)度為672.5 MPa，平均斷后伸長率為18.38%，平均斷面收縮率為64.17%。由圖5可見，拉伸試樣斷口有較多的韌窩，屬于韌性斷裂，說明所研制的鑄鋼經(jīng)熱處理后具有較高的強(qiáng)度和較好的塑性。

圖4 A3沖擊試樣斷口的宏觀形貌(a)、纖維區(qū)(b、c)和放射區(qū)(d、e)的SEM形貌Fig.4 Macrograph(a) and SEM patterns of fibrous(b,c) and radiated(d,e) areas of fracture of impact specimen A3

表3 完全退火和調(diào)質(zhì)處理后鋼的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the steel after full annealing and quenching- and- tempering

鋼熱處理后的顯微組織如圖6所示。由圖6(a)可知，組織中有板條狀和塊狀鐵素體，且板條狀鐵素體多于準(zhǔn)多邊形鐵素體。其原因主要是，合金元素提高了α相的形核功和轉(zhuǎn)變激活能，使γ相原子結(jié)合力增大，提高了奧氏體的穩(wěn)定性，抑制了多邊形鐵素體的形成[4]。圖6(b)表明，組織中還有少量的針狀鐵素體， 針狀鐵素體分布紊亂、晶界模糊，且無完整連續(xù)的晶界[5]。

Qiu[6]等研究了硅對微合金低溫壓力鋼低溫沖擊韌性的影響，結(jié)果表明，硅能抑制回火過程中滲碳體的形成，高硅鋼回火時形成的粗大滲碳體會萌生微裂紋，促進(jìn)解理斷裂；而硅鋼中細(xì)小的滲碳體能減小斷裂應(yīng)力，并為合金碳化物的形成提供形核位置， 從而改善其低溫沖擊韌性。其他成分相同條件下，含0.05%Si和0.47%Si的兩種鋼的-90 ℃沖擊吸收能量相差50 J。而本文研制的鑄鋼含0.65%Si，在一定程度上會降低低溫沖擊韌性。Liu等[7]研究認(rèn)為，稀土元素能降低碳原子的活性，減小其擴(kuò)散系數(shù)，而珠光體轉(zhuǎn)變是擴(kuò)散型相變，因此能降低晶體長大的速度進(jìn)而細(xì)化其片層間距。此外稀土元素在晶內(nèi)引起的晶格畸變能遠(yuǎn)大于晶界，在奧氏體晶界的偏聚傾向大，降低晶界能量和奧氏體長大的驅(qū)動力，阻止奧氏體晶粒長大，細(xì)化奧氏體晶粒，從而提高鋼的低溫沖擊韌性。劉志偉等[8]認(rèn)為，鈮的碳化物比較穩(wěn)定，在臨界區(qū)加熱時較難長大或溶解，可有效阻止臨界區(qū)加熱時奧氏體晶粒長大，起細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化的作用。

圖5 拉伸試樣斷口的SEM形貌Fig.5 SEM patterns of the tensile specimen fractures

圖6 鋼熱處理后的顯微組織Fig.6 Microstructures of the steel after heat treatment

本文參考了文獻(xiàn)[2]，采用鈮和稀土元素合金化，雖然完全退火和調(diào)質(zhì)處理工藝相同，但力學(xué)性能特別是屈服強(qiáng)度更高，這也證實(shí)了上述文獻(xiàn)中提到的稀土元素和鈮的作用。此外，從上述文獻(xiàn)可知，含硅量偏高在一定程度上影響了低溫沖擊性能的提高。

3 結(jié)論

(1)成分為0.16%C、0.65%Si、0.66%Mn、0.53%Cr、0.26%Mo、0.75%Ni、0.02%Nb、0.026%V、0.03%RE、0.011%P和0.013%S的鑄鋼，經(jīng)920 ℃×4 h爐冷完全退火、隨后910 ℃×1 h水淬和650 ℃×1.5 h回火處理后，平均屈服強(qiáng)度為670 MPa，平均-40 ℃沖擊韌度為60 J/cm2，均達(dá)到了屈服強(qiáng)度大于550 MPa、-40 ℃沖擊韌度大于40 J/cm2的要求。其中，低溫沖擊韌度的波動可能是局部疏松所致。

(2)鈮和稀土元素的加入有助于所研制鑄鋼的屈服強(qiáng)度和低溫沖擊韌性的改善，含硅量偏高影響了低溫沖擊性能的提高。