CN103938104B - 疲劳强度≥560MPa的海洋钻井平台用钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

疲劳强度≥560MPa的海洋钻井平台用钢，其组分及wt%：C：0.03～0.08%,Si:0.55%～0.85%,Mn控制在不超过0.15%,P：0.025～0.05%,S≤0.002%,Ni:0.15%～0.24%，Cu：0.5%～0.9%,Mo：0.39%～0.78%，Cr：0.6～0.9%，Al≤0.002%,Ti≤0.002%,O≤0.002%；生产步骤：冶炼并浇铸成坯；经对铸坯常规加热后，进行第一阶段轧制；在辊道上停留后进行第二阶段轧制；水冷却；空冷至室温。本发明具有优良的综合力学性能，抗疲劳强度不低于560MPa，可显著延长钢结构使用寿命，设计寿命不低于50年，且生产过程容易控制，操作简单。

Description

疲劳强度≥560MPa的海洋钻井平台用钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种海洋钻井平台用钢及其生产方法，具体地属于一种疲劳强度≥560MPa的海洋钻井平台用钢及生产方法。

背景技术

海洋钻井平台水下钢结构在运行过程中始终受到海浪、风力、地震等外力作用，且这些外力作用于海洋平台钢结构的方向处于360^。变化中，亦即海洋钻井平台始终处于动态、疲劳载荷作用，因此要求建造海洋平台钢结构具有较高的疲劳强度。目前现有的海洋平台结构用钢疲劳强度偏低，一般在234MPa水平，难于胜任大型海洋钻井平台建设，因此需要开发一种疲劳强度高于560MPa的结构钢，用于建造深海大型海洋钻井平台用钢。

在本申请以前，中国专利申请号为CN200710105074.1的文献，公开了一种“耐疲劳龟裂扩展性优异的钢板”，其化学成分为C：0.03～0.30％、Si：0.5％以下(不含0％)、Mn：0.8～2％、Al：0.01～0.1％、N：0.010％以下(不含0％)、P：0.03％以下(不含0％)以及S：0.01％以下(不含0％)，余量是Fe和不可避免的杂质，从Z方向(板厚方向)向看位于深t/4(t＝板厚)的位置(以下简称为“所述位置”)的组织，实质上由铁素体和硬质相的混合组织构成。中国专利申请CN200580016357.8公开了“耐疲劳裂纹扩展性优异的钢板及其制造方法”， 该船舶用耐腐蚀钢材以质量％计，含有C：0.01～0.10％、Si：0.03～0.6％、Mn：0.3～2％、sol.Al：0.001～0.1％、N：0.0005～0.008％，根据需要含有从1群～3群之中的至少1群选择出的1种以上的元素，余量为Fe和杂质，且金属组织以面积率计为30％以上的贝氏体组织，合计5％以下的马氏体组织和珠光体组织，余量是铁素体组织。上述2项专利技术不足在于钢中添加了Al：0.01～0.1％、Mn：0.8～2％，易产生降低疲劳强度的Al₂O₃，MnS等，若用于建造海洋钻井平台，疲劳强度及疲劳寿命难于达到预期。中国专利申请CN200710113230.9公开了“一种高强度耐疲劳钢材及其制造方法”， 通过添加适量的Nb、Ti元素微合金化，采用复吹转炉冶炼、LF精炼、板坯连铸、加热、高压水除鳞、热轧层流冷却，卷取工艺，生产出成分重量百分比为：C％0.07～0.13，Si％0.15～0.35，Mn％1.0～1.3，P％≤0.025，S％≤0.010，Nb％0.015～0.020，Ti％0.010～0.025，Alt％0.015～0.050，其余为Fe和微量杂质的高强度耐疲劳钢，该种钢疲劳极限达到510MPa。该专利技术不足在于钢中添加了Ti％0.010～0.025，易产生降低疲劳强度的TiN，亦易降低海洋平台钢结构疲劳寿命。中国专利申请CN200480001049.3公开了“疲劳强度优良的高强度钢材及其制造方法”， 本发明提供一种同时具有如下优良的强度和疲劳强度的高强度钢材：母材强度在1000MPa以上、旋转弯曲疲劳强度在550MPa以上。使其为含有C：0.3～0.8质量％、Si：0.01～0.9质量％以及Mn：0.01～2.0质量％，余量为Fe以及不可避免的杂质的组成，并使钢组织为粒径在7μm以下的铁素体和渗碳体组织、或者粒径在7μm以下的铁素体、渗碳体和珠光体组织。而且使高频淬火后的表层部为原奥氏体粒径在12μm以下的马氏体组织。或者氮化处理后的表层部为铁素体组织的粒径在10μm以下的微细组织。该专利技术不足在于由铁素体、渗碳体(Fe₃C)和珠光体不同组织构成，在疲劳载荷作用下，不同组织之间易产生裂纹，降低钢的疲劳强度和钢结构的疲劳寿命。

发明内容

本发明针对现有技术存在的在海洋环境下疲劳强度的不足，提供一种具有优良的综合力学性能和疲劳强度，可显著延长钢结构使用寿命，且生产过程容易控制，操作简单的疲劳强度≥560MPa的海洋钻井平台用钢及其生产方法。

用于建造深水海洋钻井平台钢材的疲劳强度是提高钢结构可靠性、延长钢结构服役寿命的重要因素之一。本发明显著特征在于通过添加适量的置换固溶强化合金元素如Cr、Mo、Si等，以提高母材强度及疲劳强度，少添加间隙固溶强化合金元素如C，控制钢中易形成夹杂且降低疲劳强度及疲劳寿命的合金元素如Mn、Ti、Al、O等。本发明另一特征在于添加适量的合金元素并实施本发明的制造方法，获得疲劳强度≥560MPa的钢材，使得采用本发明申请制造的深水海洋钻井平台安全运行由原来的20～30年提高至50年。

实现上述目的的措施：

疲劳强度≥560MPa的海洋钻井平台用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.03～0.08%, Si: 0.55%～0.85%, Mn控制在不超过0.15%, P：0.025～0.05%, S≤0.002%, Ni:0.15%～0.24%，Cu：0.5%～0.9%, Mo：0.39%～0.78%，Cr：0.6～0.9%，Al≤0.002%, Ti≤0.002%,O≤0.002%，余为Fe和不可避免的杂质。

优选地：Si: 0.63%～0.72%。

优选地：Mn控制在0.013～0.13%。

优选地：Ni：0.16～0.193%。

优选地：Mo：0.39～0.71%。

生产疲劳强度≥560MPa的海洋钻井平台用钢的方法，其步骤：

1）铁水经深脱S处理，炼钢过程采用真空系统精炼钢水，并浇铸成坯；

2）经对铸坯进行常规加热后，进行第一阶段轧制：控制第一阶段开轧温度不低于990℃，结束温度不超过980℃；

3）在辊道上停留20秒～50秒

4）进行第二阶段轧制，并控制其开轧温度在850～919℃，终轧温度在769～849℃；

5）进行水冷却，控制冷却后温度在200～240℃；

6）空冷至室温。

本发明中各元素及主要工序的作用

C：0.03～0.08%,在钢中添加少量的合金元素C，在由间隙强化方式适量提高钢的强度的同时，尽可能降低形成降低钢的疲劳强度的Fe₃C和珠光体。

P：0.025～0.05%,钢中添加适量的P可显著提高钢的强度，且P不易与其它元素形成不同于基体的硬质相，避免降低钢的疲劳强度，但若钢中P含量高于0.05%，易导致钢材脆性。

Si: 0.55%～0.85%, Ni: 0.15%～0.24%，Cu：0.5%～0.9%, Mo：0.39%～0.78%，Cr：0.6～0.9%，钢中添加适量的置换强化合金元素，有利于提高钢的母材强度和疲劳强度。

Mn、S、Al、Ti、O等元素为本发明申请的控制元素，并设置Mn≤0.15%, S≤0.002%,Al≤0.002%, Ti≤0.002%,O≤0.002%，目的在于减少钢材中形成夹杂MnS、Al₂O₃、TiN等，因这些夹杂在钢中显著降低疲劳强度。

本发明与现有技术相比，具有优良的综合力学性能，抗疲劳强度不低于560MPa，可显著延长钢结构使用寿命，设计寿命不低于50年,且生产过程容易控制，操作简单。目前，大多采用的钢材是AH36、DH36、EH36等，其疲劳强度一般低于300MPa，建造的海洋钻井平台钢结构一般设计寿命为20～30年，主要原因之一就是，采用建造的钢材疲劳强度较低，在不断变化的海浪、飓风等外载荷作用下，钢材易产生疲劳断裂，导致钻井平台整体坍塌，造成损失。

附图说明

附图为本发明的金相组织图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

其步骤：

1）铁水经深脱S处理，炼钢过程采用真空系统精炼钢水，并浇铸成坯；

2）经对铸坯进行常规加热后，进行第一阶段轧制：控制第一阶段开轧温度不低于990℃，结束温度不超过980℃；

3）在辊道上停留20秒～50秒

4）进行第二阶段轧制，并控制其开轧温度在850～919℃，终轧温度在769～849℃；

5）进行水冷却，控制冷却后温度在200～240℃；

6）空冷至室温。

表1. 本发明实施例与比较钢化学成分(wt.%)

表2. 生产本发明实施例钢及比较钢的主要工艺参数

表3 本发明实施例及比较钢的性能列表

从表3可以看出，按照本发明申请钢的成分及制造工艺参数生产的钢材母材屈服强度在860MPa以上，抗拉强度在1099MPa以上，疲劳强度在560MPa以上；经常规进行疲劳试验，使用寿命能够不低于50年。而化学成分不在本发明申请范围内，且主要制造工艺参数没有按本申请的参数进行生产的钢材屈服强度低于358MPa，抗拉强度低于541MPa，疲劳强度低于289MPa，使用寿命低于23.5年，难于用于建造大型深水海洋钻井平台等海洋工程钢结构。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (1)

1.生产疲劳强度≥560MPa的海洋钻井平台用钢的方法，其步骤：

1）铁水经深脱S处理，炼钢过程采用真空系统精炼钢水，并浇铸成坯；铸坯的组分及重量百分比含量为：C：0.038～0.08%, Si: 0.55%～0.85%, Mn控制在0.013~0.095%, P：0.025～0.05%, S≤0.002%, Ni: 0.15%～0.24%，Cu：0.5%～0.9%, Mo：0.39%～0.78%，Cr：0.6～0.9%，Al≤0.002%, Ti≤0.002%,O≤0.002%，余为Fe和不可避免的杂质；

2）经对铸坯进行常规加热后，进行第一阶段轧制：控制第一阶段开轧温度不低于990℃，结束温度不超过980℃；

3）在辊道上停留20秒～50秒

4）进行第二阶段轧制，并控制其开轧温度在850～919℃，终轧温度在769～849℃；

5）进行水冷却，控制冷却后温度在200～240℃；

6）空冷至室温。