海洋采油平台R4S级系泊链用钢热处理工艺研究

2018-01-17左锦中曾海霞樊启航郑晓伟

山西冶金 2017年6期

关键词：系泊链条淬火

左锦中，曾海霞，樊启航，郑晓伟

（江苏省江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴 214400）

系泊链条产品主要用于海洋石油开采生产设施，由于链条长期浸泡在海水中，服役条件恶劣，因此要求系泊链用钢不仅具有强度高、韧性好、抗疲劳、耐磨损等特性，而且还要求具有耐海水腐蚀。

ABS、BV船级社已明确将R4、R4S钢级列入其最新版规范，对R4、R4S钢级材料的力学性能要求见表1。

表1 R4、R4S钢级材料的力学性能

从表1可以看出，R4S在R4级别基础上提高10%以上抗拉强度，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要求。因此对链条性能的要求越来越苛刻。焊缝是链环的薄弱环节，因采用闪光焊接，合金元素经熔化、氧化后，重新凝固结晶后使晶界杂质增加、组织成分不均匀及无法避免在热影响区晶粒长大，导致焊缝的塑性韧性降低、屈强比升高，很难达到船检规范的要求，这是制约整个链环性能满足船规要求的瓶颈，性能指标检验不合格项多产生于此部位[2]。因此，改善焊缝的组织和性能使其达到标准要求是关键所在。

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。本文主要通过研究热处理工艺对链环焊缝部位组织、力学性能的影响，旨在为实际生产确定合理的热处理工艺及使用性能提供依据。

1 试验材料及方法

试验材料为某公司生产的R4S级系泊链用钢，主要化学成分为：w(C)=0.23%，w(Si)=0.21%，w(Mn)+w(Cr)+w(Ni)+w(Mo)=2.0%～6.0%，微合金化元素的质量分数为0.05%～0.10%，w(P)≤0.025%，w(S)≤0.025%，w(Cu)≤0.20%，w[N]≤0.012 0%，w[O]≤0.003 0%，余量为Fe及不可避免的杂质。

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的性能结果往往在链条生产厂得不到实现。因此本文采用统一保温时间（h），调整温度，采用“等效连续调质热处理”，模拟链条连续调质热处理工艺如下页图1所示，实现链条钢窄区间调质处理，满足链条性能指标，是成功开发并推广R4S级系泊链钢的又一需要解决的问题。

图1 等效连续热处理工艺

2 试验结果与分析

本试验选择高的淬火温度（此钢Ac3温度为810～820℃），初步定为910℃、960℃、1 000℃三个参数，主要目的是在较高的奥氏体化温度下能够获得均匀的奥氏体晶粒，并将合金碳化物快速分解固溶到奥氏体基体中。淬火后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级系泊链焊缝区良好的强韧性匹配[1-2]，同时有利于低屈强比要求。此钢焊缝及热影响区的焊态组织主要为混合贝氏体+马氏体及少量残余奥氏体组织，见图2所示。

图2 焊缝及热影响区的显微组织

众多文献表明，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，能有效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。在材料中所入微量元素，当微合金化元素质量分数为0.05%～0.10%，w(N)=80×10-6～120×10-6时，在热轧缓冷后主要析出MX沉淀强化相，重新加热到淬火温度范围内，MX沉淀强化相质点通过钉扎和拖曳机制可以有效抑制奥氏体晶粒过分长大，并且MX沉淀强化相质点能提高材料的强度又不降低材料的塑韧性。如图3所示，960℃×1 h淬火后，R4S材料的晶粒度为4～5级。微量元素含量不加以控制时，经960℃×1 h淬火，晶粒度达到1～2级，晶粒粗大，对冲击韧性极为不利。

图3 焊缝及热影响区的晶粒度

焊缝及热影响区在不同温度下淬火，经550℃回火后的强度、冲击韧性及屈强比指标如图4所示。随着淬火温度的升高，抗拉强度和冲击功都下降，而屈强比却略有升高。960℃淬火温度得到的力学性能最佳。适当提高淬火温度，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，经过950～970℃保温1h水冷淬火后，组织为板条马氏体+少量残余奥氏体（包括M-A岛）及少量混合贝氏体组织（见图5-1），从而提高了回火后焊缝及热影响区的冲击韧性Akv，σb变化不大[2-3]。同时，高温淬火后形成残余奥氏体及M-A岛组织经回火后得到的组织能降低材料的屈服强度和屈强比，而对材料的抗拉强度影响不大。当淬火温度提高至1000℃时，晶粒异常粗大使得材料的力学性能恶化，如下页图5-2所示。

图4 淬火温度对力学性能的影响

图5 焊缝及热影响区淬火后显微组织

焊缝及热影响区回火后的组织主要为回火索氏体组织，回火温度分别选择540℃、570℃、600℃、630℃。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[1]，屈服强度和屈强比也呈上升趋势，如图6所示。

图6 回火温度对力学性能的影响

黑色颗粒状细小，弥散分布在晶界处的碳化物和残余奥氏体及M-A岛使得材料的屈强比满足要求。因此，随着回火温度升高，残余奥氏体及M-A岛进一步分解[2-3]，如图7所示，使得屈强比呈升高趋势。当回火为630℃时，残余奥氏体及M-A岛大部分已发生分解，转变成回火索氏体，此时的屈强比已经超出标准要求，值为0.95。

综上所述，回火温度选择为600℃时，焊缝及热影响区的强韧性、屈强比均能较好地满足船检规范的要求，综合性能最佳。