海洋石油平臺節點用低溫鑄鋼的開發

郭 嘉 翟晨晨 李莉娟 翟啟杰

(上海大學材料科學與工程學院，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設施。桁與支撐交叉的節點是海洋平臺結構的關鍵，通常為焊接件，易疲勞開裂而失效。為提高節點的可靠性，陸地建筑物常將交叉的焊接接頭改為鑄件，從20世紀70年代起，英國、日本陸續將這種鑄造節點用于海洋石油平臺，對按1∶1復制的構件進行的計算和試驗表明，以鑄造節點代替焊接件能顯著降低應力集中，提高疲勞壽命和減重[1]。深海資源的開發需要強韌性更好且經濟可靠的海洋平臺節點。

本文參考文獻[2]，研發了一種低碳低合金鑄鋼，經完全退火和調質處理后，獲得了屈服強度大于550 MPa、-40 ℃沖擊韌度大于40 J/cm2的力學性能，適用于開發石油和天然氣的海洋平臺的節點。

1 試驗

1.1 原材料和冶煉工藝

所用原材料為：Q215B廢鋼，含75%Si(質量分數，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復合稀土等。由于S、P等雜質會降低材料的強度和低溫韌性，故選用含S、P等雜質較少的Q215B廢鋼，還可降低生產成本。熔煉用坩堝為鎂質耐火材料，主體為MgO，粘結劑為硼酸，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上，按10 kg基爾試塊進行配料，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果的影響。采用SPECTRO LAB M9型直讀光譜儀測定鋼的化學成分，結果如表1所示。用電感耦合等離子體質譜法(ICP- MS)測得材料中La- Ce復合稀土的質量分數為0.03%。

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

表1 所研制鑄鋼的化學成分(質量分散)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的試塊進行完全退火和調質處理。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 力學性能和顯微組織檢測

按照GB/T 229—2007，制備V型缺口試樣進行低溫沖擊試驗。拉伸試樣按GB/T 228.2—2015制備，在萬能試驗機上進行拉伸試驗。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 結果與分析

對試塊進行如圖2所示的完全退火及調質處理。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，且表面有起伏，說明裂紋在擴展過程中發生了變形，表現出一定的韌性[3]，圖4(b)所示斷口纖維區為韌窩狀，圖4(c)所示斷口放射區大部分為解理臺階，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

鋼熱處理后的力學性能列于表3，B1、B2表示試樣編號。由表3可知，經完全退火和調質處理后鋼的平均屈服強度為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熱處理后具有較高的強度和較好的塑性。

圖4 A3沖擊試樣斷口的宏觀形貌(a)、纖維區(b、c)和放射區(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 完全退火和調質處理后鋼的力學性能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相的形核功和轉變激活能，使γ相原子結合力增大，提高了奧氏體的穩定性，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，促進解理斷裂；而硅鋼中細小的滲碳體能減小斷裂應力，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]研究認為，稀土元素能降低碳原子的活性，減小其擴散系數，而珠光體轉變是擴散型相變，因此能降低晶體長大的速度進而細化其片層間距。此外稀土元素在晶內引起的晶格畸變能遠大于晶界，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動力，阻止奧氏體晶粒長大，細化奧氏體晶粒，從而提高鋼的低溫沖擊韌性。劉志偉等[8]認為，鈮的碳化物比較穩定，在臨界區加熱時較難長大或溶解，可有效阻止臨界區加熱時奧氏體晶粒長大，起細化晶粒和析出強化的作用。

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[2]，采用鈮和稀土元素合金化，雖然完全退火和調質處理工藝相同，但力學性能特別是屈服強度更高，這也證實了上述文獻中提到的稀土元素和鈮的作用。此外，從上述文獻可知，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，平均屈服強度為670 MPa，平均-40 ℃沖擊韌度為60 J/cm2，均達到了屈服強度大于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。