高强度R6级系泊链热处理工艺的研究

张 明，张卫新，李 剑，邵云亮

(江苏亚星锚链股份有限公司，江苏 靖江 214533)

随着海上油气开采难度的提高，石油工程对系泊链的力学性能要求越来越高。通过近几十年的发展，系泊链等级已经从最早的R3、R3S级发展到了R4、R4S、R5级，实现了跨越式的发展。目前最大规格R5级普通链环已经达到到171 mm，不可能再无限制地加大，因此开发更高等级的R6级系泊链已成为系泊链发展趋势。船级社规范要求R6级系泊链的抗拉强度1110～1200 MPa，屈服强度与抗拉强度比≤0.92，-20 ℃焊缝低温韧性冲击功≥ 42 J，-20 ℃环背低温冲击功≥ 58 J；必须适当确定热处理工艺，使系泊链获得理想的使用性能[1]。

通过批量试验研究，确定R6级系泊链生产的热处理工艺，热处理之后的力学性能完全符合船级社规范要求。

1 试验材料和方法

R6系泊链用钢的主要化学成分(质量分数，%)为： 0.17～0.28 C， 0.30～1.35 Mn，0.15～0.50 Si，1.25～2.50 Cr，0.2～1.2 Ni，0.20～0.60 Mo，0.01～0.06 Al，0～0.60 Cu，≤0.05 Nb，≤0.30 V，≤0.020 Ti，其余Fe。

系泊链环的调质热处理在立式热处理炉中进行，经淬火+高温回火的调质处理，使材料的强韧性得到最佳的匹配效果。因此合理的热处理工艺制度将直接影响系泊链的性能。将R6级系泊链按表1的9种工艺进行试验，链环试样按不同工艺热处理后[2]，加工成标准环背和焊缝拉伸试样各9支，环背和焊缝夏比冲击试样各3支，按《GB/T 228.1—2010金属材料室温拉伸试验方法》和《GB/T 229—2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行各项力学试验。

表1 R6级系泊链热处理工艺

2 试验结果和分析

2.1 试验结果

R6级系泊链热处理后的力学性能见表2。

表2 R6级系泊链力学性能

2.2 试验分析

通过试验，发现9#系泊链环力学性能合格。对该工艺分析：由于在焊接过程中，焊缝处主要元素(如C、Si、Mn 等)的烧损，将降低焊缝处的力学性能[3]。为此，需采用与之相匹配的调质热处理工艺，以促进近焊缝区合金元素向焊缝扩散，避免焊缝成为整个链环的薄弱区域。淬火加热到1050 ℃，并保温165 min，然后进行水冷。淬火温度1030 ℃超出Ac3临界点150 ℃左右，不仅提高了链条的强度，而且使钢中合金元素充分溶解和均匀化，取得较好的淬火效果。回火温度655 ℃，并保温165 min，有利于材料中的碳化物的析出和分布，能够实现预期的材料内部组织的转变，获得回火索氏体，从而提高链条的综合力学性能[4]。

设备分析：立式调质热处理炉是半开放式的，与一般室式炉或台车炉不同，立式调质炉分为淬火炉和回火炉两个炉筒，淬火炉主要用天然气加热；回火炉主要用电加热，整个炉璧上均匀分布着电阻带。

R6级系泊链的屈强比要求≤0.92。实现这个指标主要从两个方面：一是从材料方面，调整合金元素，改善基体组织，扩大贝氏体转变区域，提高贝氏体转变温度，所以Cr的含量为1.25%～2.50%，钼含量为0.20%～0.60%。另外钼与铬组合可以提高贝氏体含量，控制贝氏体/马氏体比例和形成M2C型碳化物，作为氢陷阱，降低进入钢中的扩散氢量，由于Cr与Mo配合能够扩大贝氏体转变区域，提高贝氏体转变温度。因此R6级的钢淬火组织中上贝氏体的比例有所增加，限制了马氏体/下贝氏体的比例，保证了高强链钢高居不下的屈强比明显降低。二是从热处理工艺方面，控制调质参数，提高马氏体/贝氏体的比例，达到降低屈强比的目的。

根据DNV船级社规范[5]，对9#试验链环取样进行微观试验。试样取自系泊链焊缝区域，并需使用合适的试剂进行腐蚀，在100×和500×下观察奥氏体和铁素体晶粒，见图1。根据标准ASTM E112，奥氏体晶粒应≥6。从照片中可以看出，系泊链组织较为均匀，主要由少量的铁素体，贝氏体和马氏体组成。焊缝处因为焊接时水冷电极的冷却，冷却速度较快，形成了较细小的组织，在随后的淬火加热过程中，奥氏体晶粒尺寸变小，形成了最终细化的组织，冲击功很高。

(a)100×；(b)500×图1 9#试样显微组织Fig.1 Microstructure of 9# sample

3 结论

通过R6级系泊链的9种热处理工艺进行试验，根据力学性能分析，按1030 ℃淬火+655 ℃回火的工艺对R6级链环进行热处理，综合力学性能合格，该热处理工艺能应用于R6级系泊链的批量加工。