CN113106343B - 一种海洋平台用螺栓钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于特殊螺栓钢的制造技术领域，特别涉及一种海洋平台用螺栓钢及其制造方法。该螺栓钢由以下质量百分比的组分组成：C：0.29～0.31％，Si：0.20～0.30％，Mn：0.90～0.99％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，Cr：1.04～1.09％，Mo：0.22～0.24％，Ni：0.17～0.19％，Cu：0.10～0.13％，V：0.06～0.09％，Ti：0.01～0.02％，Nb：0.02～0.05％，H：≤0.0002％，O：≤0.0015％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明的螺栓钢更耐腐蚀且力学性能优异，且在低温条件下力学性能保持良好，非常适合在海洋平台的环境中使用。

Description

一种海洋平台用螺栓钢及其制造方法
技术领域
本发明属于特殊螺栓钢的制造技术领域，特别涉及一种海洋平台用螺栓钢及其制造方法。
背景技术
能源作为重要的物质基础和生产要素，一直关乎着世界各国经济发展的命脉。油气资源作为能源结构中的重要组成部分，是当今能源消费的主要形式。目前陆地油气资源经过长期的开采已经面临枯竭，与之相比，海洋拥有丰富的油气资源。海洋资源作为重要的能源储备和新能源对象，已逐渐成为各国争先勘探和开发的热点。
海洋平台是海洋生产和生活所依赖的基础设施，其建造、安装和维护等需要投入大量人力、物力、财力，耗资巨大。同时平台所处海洋环境恶劣复杂，受到风、海浪、海冰、潮汐等多种荷载作用以及地震、海啸等因素的影响。海水腐蚀、海洋生物附着、海床基础冲刷、材料老化以及结构疲劳损伤等不利因素也会造成平台结构受损，严重影响结构的安全性和耐久性，平台一旦发生事故便会造成难以估量的经济损失和人身伤害。
海洋平台的建设需要较多的高强度紧固件。由于海洋环境的特殊情况，对高强度紧固件用钢性能指标的要求较高，不仅要求其具有高的强度，也需要具有极高的耐低温冲击性能，耐腐蚀性能。
目前具有代表性的8.8级高强度螺栓，一般采用中碳CrMo钢或CrNiMo 钢，常见的高强度螺栓一般采用成本较低的4140钢。4140钢合金含量低，热处理后综合机械性能较好，成本低，目前被广泛用作制作螺栓。4140钢8.8 级螺栓，使用抗拉强度在860～960MPa。4140钢调质后机械性能较好，但因 4140钢淬透层深度不足(1/2R处调质无法淬透)等问题，表面与1/2R处硬度差较大，存在耐腐蚀性能差的问题，在极端低温、恶劣环境下，其耐低温冲击、耐蚀性会变差，4140钢材料无法在海洋平台这种极端低温、长期浸泡在具有腐蚀性的海水中，同时需要遭受长时间的日光暴晒等恶劣环境中使用。
因此，迫切希望开发出成本与4140钢材质相差不大，但耐蚀性、耐低温冲击比4140钢好的新型螺栓用钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海洋平台用螺栓钢及其制造方法，以解决现有的螺栓钢耐极端低温、耐长期海水腐蚀性能差而不能适应海洋环境的问题。
一种海洋平台用螺栓钢，由以下质量百分比的组分组成：C：0.29～0.31％， Si：0.20～0.30％，Mn：0.90～0.99％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，Cr：1.04～ 1.09％，Mo：0.22～0.24％，Ni：0.17～0.19％，Cu：0.10～0.13％，V：0.06～ 0.09％，Ti：0.01～0.02％，Nb：0.02～0.05％，H：≤0.0002％，O：≤0.0015％，余量为铁和不可避免的杂质。
优选地，螺栓钢的硬度在35HRC以下，抗拉强度在860MPa以上，-101℃的冲击能量在27J以上。
优选地，螺栓钢的硬度在30HRC以下，抗拉强度在880MPa以上，-101℃的冲击能量在40J以上。
优选地，螺栓钢的圆钢直径在120mm以下。
一种如前所述的海洋平台用螺栓钢的制造方法，包括以下步骤：
(1)按设计成分取原料进行熔化、精炼、铸造得铸坯；
(2)对所述铸坯轧制处理，得钢材；
(3)对所述钢材调质处理，其中，淬火温度为830～860℃，回火温度 600～620℃。
作为对上述制造方法的改进，优选地，所述熔化在转炉或电炉中进行，所述熔化的温度为1600℃以上。
作为对上述制造方法的改进，优选地，所述熔化的温度为1620～1700℃。
作为对上述制造方法的改进，优选地，所述精炼包括LF精炼和RH精炼。
作为对上述制造方法的改进，优选地，所述铸造为连铸。
作为对上述制造方法的改进，优选地，所述轧制的工艺参数为：加热温度为1150～1200℃，保温时间为2～3h，开轧温度为1050～1150℃，终轧温度为800～900℃。
有益效果：
本发明的海洋平台用螺栓钢作为4140钢的改进型材料，通过对合金成分的调整和热处理方式的合理优化，在达到8.8级螺栓机械性能要求的前提下，有良好的超低温冲击性能和良好的耐腐蚀性能，同时具备CrMo钢低成本的特点。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明中的LF炉和RH精炼均为炼钢领域的常用表达，其中：
LF炉(Ladle Furnace)，即钢包精炼炉；LF炉精炼是炉外精炼的主要方法之一，其在关键于快速造白渣；
RH精炼，即钢液真空循环脱气法精炼，是一种钢液真空处理技术，主要利用气泡泵原理抽引钢液流过脱气室和下降管产生循环运动，并在真空室内脱除气体，从而进行钢液炉外精炼。
本发明经过对4140钢的分析，确定解决此类瓶颈问题的途径是从冶炼的成分控制和热处理的制度入手，以实现耐腐蚀性能和满足8.8级螺栓性能要求，同时低温冲击良好的钢。
本发明采用“冶炼控制—轧制—热处理”的方式冶炼，所制造的海洋平台用螺栓钢(代号为YG31FW)的规格(圆钢直径)为：最大规格为120mm，常用规格在20～60mm。
本发明的海洋平台用螺栓钢的具体制造工序包括：
(1)成分控制，特别是微量元素的控制；
(2)常规轧制技术；
(3)根据成分制订热处理参数。
更具体的，本发明的海洋平台用螺栓钢的制造方法具体包括以下步骤：
(1)按设计成分取原料进行熔化、精炼、铸造得铸坯；其中，熔化在转炉或电炉中进行，熔化的温度为1600℃以上，优选的熔化温度为1620～ 1700℃(例如1620℃、1630℃、1640℃、1650℃、1660℃、1670℃、1680℃、 1690℃、1700℃)；精炼包括LF精炼和RH精炼；铸造优选为连铸；
(2)对所述铸坯轧制处理，得钢材；具体的，加热温度为1150～1200℃ (例如1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃、1200℃)，保温时间为2～ 3h(例如2h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3.0h)，开轧温度为1050～1150℃(例如1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃、1110℃、1120℃、 1130℃、1140℃、1150℃、1160℃)，终轧温度为800～900℃(例如800℃、 810℃、820℃、830℃、840℃、850℃、860℃、870℃、880℃、890℃、900℃)；
(3)对所述钢材调质处理，其中，淬火温度为830～860℃(例如830℃、 835℃、840℃、845℃、850℃、855℃、860℃)，回火温度600～620℃(例如600℃、605℃、610℃、615℃、620℃)。
本发明的海洋平台用螺栓钢的成分设计参照美国材料实验协会标准 ASTM A320/A320M低温螺栓用合金钢(L7)和不锈钢标准规范，对成分控制进行了优化。L7、4140钢成分要求如表1所示，其他未列出组分为铁和不可避免的杂质。
表1 L7、4140钢成分要求(wt％)
Figure BDA0003006587450000041
注：4140钢中C的上限为0.43，L7中C的上限为0.48。
本发明的海洋平台用螺栓钢的成分设计如表2所示，其他未列出组分为铁和不可避免的杂质。
表2 YG31FW成分设计(wt％)
Figure BDA0003006587450000042
对比GB/T 3098.1/ISO 898-1中8.8级螺栓钢性能和ASTM A320/A32 0M标准中L7性能的要求，具体如表3所示，本发明的YG31FW调质后力学及表面硬度性能均可以达到。
表3对螺栓钢的性能要求
Figure BDA0003006587450000051
本发明的海洋平台用螺栓钢具有以下特点：
(1)表面硬度控制在35HRC以内，同时要求1/2R取样抗拉强度≥860 MPa。但对于大规格圆钢(60～100mm)，因为淬透层深度的原因，1/2R处抗拉强度达到≥860MPa，表面硬度很难控制在35HRC以下。成分设计添加微量元素，提高淬透性。
(2)根据美国材料实验协会标准ASTM A320/A320M低温螺栓用合金钢和不锈钢标准规范中L7(8.8级)螺栓材料规定，同时要求-101℃冲击≥ 27J，以保证其良好的超低温冲击能力。由于-101℃温度已经远低于钢材的脆性转变温度(-50～-70℃)，材料冲击韧性急剧下降。冲击断裂不再是韧性断裂，而是脆性断裂，根据设计的成分，选择在淬火温度830～860℃，回火温度600～620℃，材料1/2R处强度满足8.8级螺栓要求时，表面硬度≤32HRC；同时-101℃≥27J的要求，使其在达到8.8级高强度螺栓机械性能时，同时有良好的低温冲击韧性。
GB/T 3098.1/ISO 898-1中螺栓钢性能和ASTM A320-A320M中规定的冲击(以冲击能量值表示)分为三个等级，具体见表4。
表4冲击分级
Figure BDA0003006587450000052
(3)随着含碳量的升高，钢材的耐腐蚀性降低；设计低的碳含量，同时添加Ti元素，使钢材具备良好的耐腐蚀性能。按NACE TM0177-96的方法A (拉伸试验规范)溶液A进行耐腐蚀试验，预加应力80％SMYS(指定最低屈服强度)，温度79±3℃，试验时间720小时，试验结束后在10倍显微镜下观察，无任何SSC(硫化物应力腐蚀)开裂。
本发明的海洋平台用螺栓钢，与其他螺栓材料对比，具有以下优势：
(1)相对于CrNiMo钢(40CrNiMo、4340等)，YG31FW钢的成本较低，易于推广应用。
(2)YG31FW与一般4140钢螺栓相比：在同样满足8.8级螺栓强度要求的同时，YG31FW具备更优异的低温冲击性能，通常在-40℃条件下能超过100J，在-101℃条件下甚至能超过40J。而一般的4140钢在低于-50℃的条件下冲击韧性基本失效。
(3)YG31FW相对于一般的螺栓钢更耐腐蚀性，更加适合海洋平台这种环境使用。
实施例1
本实施例的海洋平台用螺栓钢的制造方法，具体包括以下步骤：
(1)按照表2中的设计成分，取炼钢原料加入转炉或电炉中，升温至 1620～1700℃进行熔化、经过LF炉和RH精炼、连铸浇钢，得到240×240 (mm)连铸坯；具体生产制造时，设计成分取表2中的范围值，但是会指定目标值，按C：0.30wt％；Si：0.25wt％；Mn：0.96wt％；Cr：1.06wt％； Ni：0.18wt％；Mo：0.23wt％；Cu：0.11wt％；V：0.07wt％；Ti：0.015wt％； Nb：0.035wt％的目标控制，P、S、H、O的控制如表2；
(2)对240×240连铸坯，进加热炉加热后轧制，具体轧制工艺参数为：加热温度1180℃，保温时间2.5h，开轧温度1090℃，终轧温度850℃；
(3)对轧制后的钢材进行调质处理得本实施例的海洋平台用螺栓钢，具体的，淬火温度为830℃，回火温度为620℃。
实施例2
本实施例的海洋平台用螺栓钢的制造方法，具体包括以下步骤：
(1)按照表2中的设计成分，取炼钢原料加入转炉或电炉中，升温至 1620～1700℃进行熔化、经过LF炉和RH精炼、连铸浇钢，得到240×240 连铸坯；具体生产制造时，设计成分取表2中的范围值，但是会指定目标值，按C：0.30wt％；Si：0.25wt％；Mn：0.96wt％；Cr：1.06wt％；Ni：0.18wt％； Mo：0.23wt％；Cu：0.11wt％；V：0.07wt％；Ti：0.015wt％；Nb：0.035wt％目标控制，P、S、H、O的控制如表2；
(2)对240×240(mm)连铸坯，进加热炉加热后轧制，具体轧制工艺参数为：加热温度1180℃，保温时间2.5h，开轧温度1090℃，终轧温度850℃；
(3)对轧制后的钢材进行调质处理得本实施例的海洋平台用螺栓钢，具体的，淬火温度为840℃，回火温度为600℃。
实施例3
本实施例的海洋平台用螺栓钢的制造方法，具体包括以下步骤：
(1)按照表2中的设计成分，取炼钢原料加入转炉或电炉中，升温至 1620～1700℃进行熔化、经过LF炉和RH精炼、连铸浇钢，得到240×240 (mm)连铸坯；具体生产制造时，设计成分取表2中的范围值，但是会指定目标值，按C：0.30wt％；Si：0.25wt％；Mn：0.96wt％；Cr：1.06wt％； Ni：0.18wt％；Mo：0.23wt％；Cu：0.11wt％；V：0.07wt％；Ti：0.015wt％； Nb：0.035wt％目标控制，P、S、H、O的控制如表2；
(2)对240×240连铸坯，进加热炉加热后轧制，具体轧制工艺参数为：加热温度1180℃，保温时间2.5h，开轧温度1090℃，终轧温度850℃；
(3)对轧制后的钢材进行调质处理得本实施例的海洋平台用螺栓钢，具体的，淬火温度为840℃，回火温度为610℃。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于：淬火温度为800℃。其他参数均与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于：淬火温度为880℃。其他参数均与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于：回火温度为580℃。其他参数均与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于：回火温度为650℃。其他参数均与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例5
对比例5与实施例1的区别在于：设计成分中不添加V、Cu、Ti、Nb 元素。其他参数均与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例6
对比例6与实施例1的区别在于：设计成分中不添加Ni、V、Cu、Ti、 Nb元素。其他参数均与实施例1中的相同，不再赘述。
对上述实施例1～3的海洋平台用螺栓钢及对比例1～6中的钢材的性能进行检测，拉伸冲击检测方法按照GB/T 228、GB/T 229，结果如表5所示。
表5性能对比
Figure BDA0003006587450000081
由上表数据对比可知，本发明的螺栓钢的硬度在HRC30以下，能够保持较高的抗拉强度，抗拉强度高达910MPa，同时-101℃的冲击吸收能力高达 45J，并且断后伸长率和断面收缩率均符合要求。
综上，本发明的螺栓钢不仅较一般的螺栓钢更耐腐蚀，还具有优异的力学性能，并且在低温条件下力学性能保持良好，显著优于现有的普通螺栓钢，非常适合在海洋平台这种特殊环境中的使用。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种海洋平台用螺栓钢，其特征在于，所述螺栓钢由以下质量百分比的组分组成：C：0.29～0.31%，Si：0.20～0.30%，Mn：0.90～0.99%，P：≤0.02%，S：≤0.02%，Cr：1.04～1.09%，Mo：0.22～0.24%，Ni：0.17～0.19%，Cu：0.10～0.13%，V：0.06～0.09%，Ti：0.01～0.02%，Nb：0.02～0.05%，H：≤0.0002%，O：≤0.0015%，余量为铁和不可避免的杂质；
所述螺栓钢的表面硬度在35HRC以下，所述螺栓钢的1/2半径处抗拉强度在860MPa以上，所述螺栓钢-101℃的冲击能量在40J以上，所述螺栓钢-40℃的冲击能量在100 J以上，所述螺栓钢-73℃的冲击能量在50J以上；
所述螺栓钢的圆钢直径在120mm以下；
所述的海洋平台用螺栓钢的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：
（1）按设计成分取原料进行熔化、精炼、铸造得铸坯；所述熔化在转炉或电炉中进行，所述熔化的温度为大于等于1600℃且小于1620℃；所述铸造为连铸；
（2）对所述铸坯轧制处理，得钢材；具体地，所述铸坯进加热炉加热后轧制，保温时间为2.2～3h；
（3）对所述钢材调质处理，其中，淬火温度为830～860℃，回火温度615～620℃。
2.根据权利要求1所述的海洋平台用螺栓钢，其特征在于，所述精炼包括LF精炼和RH精炼。
3.根据权利要求1所述的海洋平台用螺栓钢，其特征在于，所述轧制的工艺参数为：加热温度为1150～1200℃，开轧温度为1050～1150℃，终轧温度为800～900℃。
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