石油鉆采平臺用Q390E耐低溫?zé)彳圚型鋼的研究開發(fā)

劉 圣（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 萊蕪 271100）

石油鉆采平臺用Q390E耐低溫?zé)彳圚型鋼的研究開發(fā)

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(shè)計出Q390E耐低溫H型鋼的化學(xué)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(chǎn)生及粗大晶粒的出現(xiàn)。實驗結(jié)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(yè)產(chǎn)品的不斷升級，在石油機械、工程機械等領(lǐng)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(jié)構(gòu)鋼焊接制造，目前Q390級別的低合金結(jié)構(gòu)鋼已經(jīng)在石油鉆井井架得到應(yīng)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(fā)、極地開發(fā)、軍事用途等特殊使用開發(fā)的產(chǎn)品，其市場發(fā)展前景廣闊。其技術(shù)指標(biāo)要求結(jié)構(gòu)鋼-40℃的沖擊韌性Akv＞34J。

H型鋼在石油鉆采行業(yè)作為結(jié)構(gòu)件已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用，例如石油行業(yè)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(fā)展，Q345級別的H型鋼已經(jīng)不能滿足鉆采機械的實際要求，因此開發(fā)390Mpa級H型鋼非常有必要。值得我們關(guān)注的是，隨著近年石油鉆采業(yè)中的陸地鉆井向深井、超深井發(fā)展，海洋鉆井向深水井、超深水井發(fā)展，鉆采設(shè)備工作環(huán)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(qū)、新疆地區(qū)，俄羅斯、美國阿拉斯加、冰島、及中亞五國等地區(qū)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(fā)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(nèi)主要鉆采石油裝備生產(chǎn)企業(yè)充分的市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，石油鉆采行業(yè)目前使用的高強高韌H型鋼主要通過焊接來實現(xiàn)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(shè)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(shù)需求，其主要性能指標(biāo)為屈服強度390Mpa、-40℃沖擊值〉34J。

1　實驗材料及方法

成分設(shè)計及其設(shè)計思路：通過Nb/Ni復(fù)合微合金化，Nb的作用主要通過細化晶粒來實現(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)象。Ni元素的加入，擴大奧氏體區(qū)，從而有利于提高鋼的低溫沖擊韌性，根據(jù)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(qū)，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(chǎn)生。過程是 冶煉→精煉→連鑄→控制軋制

冶煉過程的關(guān)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(diào)，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(dǎo)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(guān)鍵因素。因此該鋼種的澆注應(yīng)盡量降低過熱度，在原有過熱度控制的基礎(chǔ)上降低5-10℃，即控制在15-30℃。控制軋制過程通過采用未再結(jié)晶區(qū)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(shù)，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(xué)性能

根據(jù)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(biāo)準制備標(biāo)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(xué)性能值。由實驗結(jié)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。

3　微觀組織

對一號實驗鋼制備金相試樣，經(jīng)拋光腐蝕，在金相顯微鏡上觀察試樣的金相組織，其結(jié)構(gòu)主要組成為鐵素體和珠光體組成，晶粒度均勻，粒度等級在8 至8.5級。

圖1　金相顯微組織 100×

4　總結(jié)

利用Nb-Ni合金化，減少鋼材帶狀組織、細化晶粒，提高低溫沖擊韌性，控制鈮微合金化鋼連鑄裂紋，實現(xiàn)Q390E耐低溫H型鋼新品種的開發(fā)，屈服強度達到390MPa，-40℃低溫沖擊韌性達到34J以上。完全替代鋼板焊接，滿足高寒地區(qū)及深海環(huán)境作業(yè)，并推進產(chǎn)品升級，填補國內(nèi)空白。

［1］朱江.海洋鉆井裝備綜述［J］.中國海上油氣（工程），2006，12（06）：44-46.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.050