石油鉆采平臺用Q390E耐低溫熱軋H型鋼的研究開發

2016-09-07 07:10:56山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司山東萊蕪271100

山東工業技術 2016年14期

劉圣（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東萊蕪 271100）

劉圣
（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東萊蕪 271100）

采用鈮鎳微合金化設計出Q390E耐低溫H型鋼的化學成分，通過合理的冶煉軋制工藝控制鈮鎳微合金化過程，避免腹板裂紋的產生及粗大晶粒的出現。實驗結果表明屈服強度達到430Mpa，抗拉強度達到552Mpa，伸長率達到22.6%，-40℃的沖擊韌性Akv＞72J。

Nb/Ni微合金化；沖擊韌性；Q390E

0　引言

隨著裝備制造業產品的不斷升級，在石油機械、工程機械等領域，對作為原材料的鋼材的要求也在不斷提高。例如以往石油鉆井井架多采用Q345級別的低合金結構鋼焊接制造，目前Q390級別的低合金結構鋼已經在石油鉆井井架得到應用，由于原材料截面尺寸的減小，降低了井架自身重量，降低了井架原材料成本及運輸、安裝成本。尤其針對深海石油開發、極地開發、軍事用途等特殊使用開發的產品，其市場發展前景廣闊。其技術指標要求結構鋼-40℃的沖擊韌性Akv＞34J。

H型鋼在石油鉆采行業作為結構件已經有了較為廣泛的應用，例如石油行業用的較多的抽油機，它的主要承載件游梁通過H型鋼制作而成；再如石油鉆機的井架、底座、海洋石油平臺的載荷承載件也主要由H型鋼制作而成。目前石油鉆采裝備用H型鋼正向高強、高韌、輕量化方向發展，Q345級別的H型鋼已經不能滿足鉆采機械的實際要求，因此開發390Mpa級H型鋼非常有必要。值得我們關注的是，隨著近年石油鉆采業中的陸地鉆井向深井、超深井發展，海洋鉆井向深水井、超深水井發展，鉆采設備工作環境更加惡劣，單機的承載能力增大，這必然要求作為主要負荷承載件的H型鋼具備更高強度，同時具備更高低溫沖擊韌性。同時新型陸地鉆機要求具備高效運輸、快速移動、快速拆裝的特點，輕量化成為海洋鉆機和陸地鉆機新特點［1］。

目前，目前我國東北地區、新疆地區，俄羅斯、美國阿拉斯加、冰島、及中亞五國等地區耐低溫抽油機、耐低溫鉆機具有較大的市場需求，同時隨著石油資源開發的不斷深入，超深井、海洋鉆井所需要的耐低溫鉆機具有較大的市場前景。我們通過對國內主要鉆采石油裝備生產企業充分的市場調研發現，石油鉆采行業目前使用的高強高韌H型鋼主要通過焊接來實現或者用別的材料來替換如矩形管等。我們與中石油華北石油管理局第一機械廠、中石油南陽二機石油裝備集團、寶雞石油機械有限公司，中石化江漢油田第四機械廠、蘭州石化國民油井有限公司、遼河石油裝備有限公司、上海三高石油設備有限公司、科瑞集團等等進行了充分的溝通交流。針對耐低溫抽油機、耐低溫鉆機提出了高強度高韌性熱軋H型鋼技術需求，其主要性能指標為屈服強度390Mpa、-40℃沖擊值〉34J。

1　實驗材料及方法

成分設計及其設計思路：通過Nb/Ni復合微合金化，Nb的作用主要通過細化晶粒來實現，細化晶粒對鋼的強度和韌性都有較好的強化作用，初步確立Nb的控制范圍在0.025%-0.05%之間，含量太高會增強鋼的裂紋敏感性。Ni的作用，具有體心立方晶格的材料（α-Fe）均會有低溫冷脆現象，而面心立方晶格的材料，如Ni、奧氏體不銹鋼（γ-Fe）都無低溫冷脆現象。Ni元素的加入，擴大奧氏體區，從而有利于提高鋼的低溫沖擊韌性，根據不同的低溫韌性要求，來決定Ni的加入量。同時含Ni鋼與無Ni鋼相比，具有較小的屈強比（σs/ σb），鋼材屈強比越大，表明其塑性變形能力儲備越小，易于促使脆性斷裂。Ni元素的含量控制在0.5%～0.8%之間。在保證強度的前提下，碳盡量采用下限，同時避開C包晶脆性區，把碳含量控制在0.12%～0.15%之間，重點是既要保證低溫沖擊韌性，同時防止異型坯裂紋的產生。過程是冶煉→精煉→連鑄→控制軋制

冶煉過程的關鍵點是:采用高拉一次補吹法，終點壓槍大于1分鐘，出鋼時間大于3分鐘。精煉過程主要進行成分微調，精煉出站前S＜0.008%，精煉出站前鋼中［O］＜20ppm。連鑄過程保證低過熱度澆注澆注溫度過高會導致凝固時晶粒組織粗大，造成枝晶偏析嚴重，使軋材帶狀組織增加，而帶狀組織是降低鋼材低溫橫向沖擊韌性的關鍵因素。因此該鋼種的澆注應盡量降低過熱度，在原有過熱度控制的基礎上降低5-10℃，即控制在15-30℃。控制軋制過程通過采用未再結晶區控制軋制方法，控制萬能軋機中的累計變形率在60%以上。

采用控冷控軋技術，鑄坯加熱溫度控制≤1250℃，萬能粗軋機開軋溫度控制在1100℃，萬能精軋機終軋溫度控制在820-860℃，采用良好控軋匹配。

2　力學性能

根據GB/T 228—2002制備拉伸試樣，試樣尺寸為 15 mm ×30 mm×200 mm（厚×寬×長），并在MTS拉伸試驗機上進行拉伸試驗，測定出鋼的屈服強度、抗拉強度、伸長率。同時按照GB/T229-2007國家標準制備標準沖擊試樣，進行室溫、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃的沖擊試驗。如圖1所示為不同成分含量的鋼的力學性能值。由實驗結果能夠看出，Ni元素對鋼的強度影響較小，但是對低溫沖擊性能影響大，Nb元素對強度的貢獻最大。從而的得出在0.075至0.085含量范圍，Nb含量在0.040至0.050范圍，滿足Q390E耐低溫鋼的成分要求。