石油钻采平台用Q390E耐低温热轧H型钢的研究开发

刘 圣（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司，山东 莱芜 271100）

石油钻采平台用Q390E耐低温热轧H型钢的研究开发

刘 圣
（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司，山东 莱芜 271100）

采用铌镍微合金化设计出Q390E耐低温H型钢的化学成分，通过合理的冶炼轧制工艺控制铌镍微合金化过程，避免腹板裂纹的产生及粗大晶粒的出现。实验结果表明屈服强度达到430Mpa，抗拉强度达到552Mpa，伸长率达到22.6%，-40℃的冲击韧性Akv＞72J。

Nb/Ni微合金化；冲击韧性；Q390E

0　引言

随着装备制造业产品的不断升级，在石油机械、工程机械等领域，对作为原材料的钢材的要求也在不断提高。例如以往石油钻井井架多采用Q345级别的低合金结构钢焊接制造，目前Q390级别的低合金结构钢已经在石油钻井井架得到应用，由于原材料截面尺寸的减小，降低了井架自身重量，降低了井架原材料成本及运输、安装成本。尤其针对深海石油开发、极地开发、军事用途等特殊使用开发的产品，其市场发展前景广阔。其技术指标要求结构钢-40℃的冲击韧性Akv＞34J。

H型钢在石油钻采行业作为结构件已经有了较为广泛的应用，例如石油行业用的较多的抽油机，它的主要承载件游梁通过H型钢制作而成；再如石油钻机的井架、底座、海洋石油平台的载荷承载件也主要由H型钢制作而成。目前石油钻采装备用H型钢正向高强、高韧、轻量化方向发展，Q345级别的H型钢已经不能满足钻采机械的实际要求，因此开发390Mpa级H型钢非常有必要。值得我们关注的是，随着近年石油钻采业中的陆地钻井向深井、超深井发展，海洋钻井向深水井、超深水井发展，钻采设备工作环境更加恶劣，单机的承载能力增大，这必然要求作为主要负荷承载件的H型钢具备更高强度，同时具备更高低温冲击韧性。同时新型陆地钻机要求具备高效运输、快速移动、快速拆装的特点，轻量化成为海洋钻机和陆地钻机新特点［1］。

目前，目前我国东北地区、新疆地区，俄罗斯、美国阿拉斯加、冰岛、及中亚五国等地区耐低温抽油机、耐低温钻机具有较大的市场需求，同时随着石油资源开发的不断深入，超深井、海洋钻井所需要的耐低温钻机具有较大的市场前景。我们通过对国内主要钻采石油装备生产企业充分的市场调研发现，石油钻采行业目前使用的高强高韧H型钢主要通过焊接来实现或者用别的材料来替换如矩形管等。我们与中石油华北石油管理局第一机械厂、中石油南阳二机石油装备集团、宝鸡石油机械有限公司，中石化江汉油田第四机械厂、兰州石化国民油井有限公司、辽河石油装备有限公司、上海三高石油设备有限公司、科瑞集团等等进行了充分的沟通交流。针对耐低温抽油机、耐低温钻机提出了高强度高韧性热轧H型钢技术需求，其主要性能指标为屈服强度390Mpa、-40℃冲击值〉34J。

1　实验材料及方法

成分设计及其设计思路：通过Nb/Ni复合微合金化，Nb的作用主要通过细化晶粒来实现，细化晶粒对钢的强度和韧性都有较好的强化作用，初步确立Nb的控制范围在0.025%-0.05%之间，含量太高会增强钢的裂纹敏感性。Ni的作用，具有体心立方晶格的材料（α-Fe）均会有低温冷脆现象，而面心立方晶格的材料，如Ni、奥氏体不锈钢（γ-Fe）都无低温冷脆现象。Ni元素的加入，扩大奥氏体区，从而有利于提高钢的低温冲击韧性，根据不同的低温韧性要求，来决定Ni的加入量。同时含Ni钢与无Ni钢相比，具有较小的屈强比（σs/ σb），钢材屈强比越大，表明其塑性变形能力储备越小，易于促使脆性断裂。Ni元素的含量控制在0.5%～0.8%之间。在保证强度的前提下，碳尽量采用下限，同时避开C包晶脆性区，把碳含量控制在0.12%～0.15%之间，重点是既要保证低温冲击韧性，同时防止异型坯裂纹的产生。过程是 冶炼→精炼→连铸→控制轧制

冶炼过程的关键点是:采用高拉一次补吹法，终点压枪大于1分钟，出钢时间大于3分钟。精炼过程主要进行成分微调，精炼出站前S＜0.008%，精炼出站前钢中［O］＜20ppm。连铸过程保证低过热度浇注浇注温度过高会导致凝固时晶粒组织粗大，造成枝晶偏析严重，使轧材带状组织增加，而带状组织是降低钢材低温横向冲击韧性的关键因素。因此该钢种的浇注应尽量降低过热度，在原有过热度控制的基础上降低5-10℃，即控制在15-30℃。控制轧制过程通过采用未再结晶区控制轧制方法，控制万能轧机中的累计变形率在60%以上。

采用控冷控轧技术，铸坯加热温度控制≤1250℃，万能粗轧机开轧温度控制在1100℃，万能精轧机终轧温度控制在820-860℃，采用良好控轧匹配。

2　力学性能

根据GB/T 228—2002制备拉伸试样，试样尺寸为 15 mm ×30 mm×200 mm（厚×宽×长）， 并在MTS拉伸试验机上进行拉伸试验，测定出钢的屈服强度、抗拉强度、伸长率。同时按照GB/T229-2007国家标准制备标准冲击试样，进行室温、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃的冲击试验。如图1所示为不同成分含量的钢的力学性能值。由实验结果能够看出，Ni元素对钢的强度影响较小，但是对低温冲击性能影响大，Nb元素对强度的贡献最大。从而的得出在0.075至0.085含量范围，Nb含量在0.040至0.050范围，满足Q390E耐低温钢的成分要求。

3　微观组织

对一号实验钢制备金相试样，经抛光腐蚀，在金相显微镜上观察试样的金相组织，其结构主要组成为铁素体和珠光体组成，晶粒度均匀，粒度等级在8 至8.5级。

图1　金相显微组织 100×

4　总结

利用Nb-Ni合金化，减少钢材带状组织、细化晶粒，提高低温冲击韧性，控制铌微合金化钢连铸裂纹，实现Q390E耐低温H型钢新品种的开发，屈服强度达到390MPa，-40℃低温冲击韧性达到34J以上。完全替代钢板焊接，满足高寒地区及深海环境作业，并推进产品升级，填补国内空白。

［1］朱江.海洋钻井装备综述［J］.中国海上油气（工程），2006，12（06）：44-46.

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