新型海洋工程用系泊链钢组织与性能研究项目可行性研究报告Word文档下载推荐.docx
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循环淬火；
力学性能；
回火稳定性；
回火脆性
Abstract
Offshoreengineeringplatformsandtheirequipmentswerefixedmainlybymooringchain,duetolong-termservice（for30years）inharshenvironmentalconditions,thechainswererequiredwithgoodc2omprehensiveperformanceconsistingofhighstrength,hightoughness,highcorrosionresistance.Withtheequipmentsbecomemoreandmorelargescaleandintegrated,aswellasdevelopingtothedeeperoceanarea（3000mwaterdepth）,themooringchainsteelwasrequiredwithmoredemandingrequirements.Thelevelincreasesprogressively,researchanddevelopmentofhigherlevelmooringchainneedmorecost,itisveryimportanttofurtherimprovethematerialpropertiesbyoptimizingtheproductionprocess,22MnCrNiMosteelisanewtypeofmooringchainsteel,mainlyusedtomanufactureR4mooringchain.inordertoexplorethepotentialofthematerialtoreachtherequirementofR4Smooringchain,Cyclicheattreatmentwasappliedasamethodofgrainrefinement,Thecyclicheattreatmentwasconsistedofdoublequenchingandtempering（DQT）.Focusontheeffectsofquenchingandtemperingtemperatureonmicrostructureandmechanicalpropertiesofbasemetalandweldingjoint.Themechanismofgrainrefinement、temperingstabilityandtemperbrittleswerealsoinvestigated.
Theresultsshowedthat,comparedwithquenchingandtempering（QT）,usingthedoublequenchingandtempering（DQT）caneffectivelyrefinethegrain,thegraincannotonlybeenrefinedtoabout10μm,andeliminateofaquenchingnon-uniformgrainsizecausedbyquenchingandtempering（QT）,underquenchedat930℃for30minutes,thebestcomprehensiveperformancecanbeenobtained,andwithoutlossofstrength,thetoughnessincreasedbynearly40%,thetechnicalcriteriaofR4Smooringchaincanbemeetfinely.Withthedoublequenchingtemperatureincreasedfrom910℃to990℃,thegrainsizedecreasesfirstlyandthenincreases,thestrengthandtoughnessaincreasefirstlyandthendecrease,Withthetemperingtemperatureincreasedfrom600℃to640℃,thestrengthcontinuedtodecline,toughnesscontinuouslyincreased.Thetemperingstabilityof22MnrNiMosteelwasexcellent,temperedat620℃for7h,recrystallizationhasnotoccurred.Atthesametime,temperbrittlenessappearedwhencooledwithslowerspeed,andusingwater-coolingcaneffectivelyavoidtheoccurrenceoftemperbrittleness.
Keywords:
mooringchain;
22MnrNiMosteel；
doublequenching；
mechanicalproperties;
temperstability;
temperbrittleness
第1章绪论
1.1引言
当今世界，越来越多的国家把发展目光转向海洋，一场向海洋要食物、淡水、能源的“蓝色革命”浪潮席卷全球。
世界各海洋大国之间在海洋经济、科技、资源、海权力量等方面的竞争日益激烈。
海洋资源的开发、保护与利用已逐渐成为世界各国普遍关注的问题。
尤其是随着陆上油气资源的不断枯竭，海洋油气开发特别是深海油气开发已成为世界能源开发的主要领域。
目前，海洋石油产量约占世界石油总产量的35%，预计2015年该比例将进一步提高到40%左右，海洋天然气产量占世界总产量的比例也将从29%提高到35%左右。
用于石油开采的海洋工程装备市场目前主要由新加坡、韩国、欧洲和美国等少数国家和地区的企业所占据，我国的市场份额尚不足5%，还有很大的提升空间[1]。
包括油气钻采平台、存储设施、工程船舶在内的海工装备2007年全球市场规模已超过3000亿美元。
中海油近期宣布，将在20年内投资2000亿元，到2020年在南海深水区的年产能力达到5000万吨油当量。
"
十一五"
期间，中海油建成投产的油气田将达50个。
在装备需求方面，中海油的海工装备需求将达1000亿元。
巨大的国内需求使海洋工程成为船舶工业新的增长点[2]。
用于石油勘探和开采的海洋工程平台、船舶与浮式储油轮（FPSO）及半潜式钻井船在海况十分复杂，在深达数百米至数千米的海洋中固定，主要方式是系泊链系泊。
由于链条长期浸泡在海水中，作业环境条件恶劣，对它的要求不同于一般的工业用链条钢、船舶用锚链钢和矿山用链条钢，系泊链必须能经得住深海海浪、风力无规律变力作用，且使用周期在二十年以上，因此要求系泊链用钢不仅强度高，韧性好，而且还要求具有耐海水腐蚀、抗疲劳、耐磨损及良好的焊口低温韧性等特性。
当前海洋资源开发的需求，海洋工程装备制造业的高速发展，为研制与开发高质量高级别系泊链提供了极大的发展空间和生机，展示了良好的发展前景，随着海洋开发的海洋航运的高速发展，海上安全的守护、护海护航的大型船舶也日益受到重视，必将得到快速发展[3]。
加上国际上各国对石油等能源的强劲需求，海上石油工业的加快发展，世界各国对高级系泊链的需求量日益增长。
随着海洋资源开发的深入发展，深海采油，海洋勘探，国防建设等海洋设施需要使用大量的系泊链。
由于海洋特别是深海长期连续作业恶劣的环境条件，加之海洋设施本身的大型化和集成化，同时为了应对能源工业及造船行业对安全性和高质量的需求，研究开发具有更强的综合性能和更先进的制造工艺的系泊链是今后的发展趋势。
1.2系泊链的国内外发展状况
1.2.1系泊链的制链工艺及性能要求
由于恶劣的环境对系泊链钢性能要求苛刻，使得生产系泊链钢的技术要求高，生产难度大。
系泊链的制链工艺为：
下料→电感应加热→弯曲成链环→接头闪光对焊→去毛刺→链条整体热处理→成品链→抛丸→涂漆→磁粉探伤→检验→包装出厂。
对每环尺寸精度、焊接、热处理质量要求具有严格的一致性，因为一旦某一个环出现了问题，其中有缺陷的链环必须从整个链条中取掉而重新制作，这将大幅度地增加能耗，降低生产效率。
系泊链对机械、物理和化学性能技术指标要求高。
其制造过程要经数十道工序，质量影响因素多，因系泊链“粗、长、重”，制造过程全面进行质量控制十分困难。
为了满足对外开放及海洋工程发展的需要，根据国内实际情况开发高强韧性系泊链钢已迫在眉睫。
系泊链的级别是根据不同的强度来划分的。
表1.1是著名的DNV船级社对各个级别系泊链的性能要求。
表1.1DNV船级社对不同级别系泊链的最低性能要求
Table1.1MinimummechanicalpropertiesforchainsinDNV
等级
σs/Mpa≥
σb/Mpa≥
δ5/%
≥
Ψ/%
试验温度/°
C
母材冲击值/J
焊口冲击值/J
R3
410
690
17
50
60
45
-20
40
30
R3S
490
770
15
65
49
34
R4
580
860
12
38
R4S
700
960
56
42
R5
760
1000
58
44
1.2.2国内系泊链的发展现状
系泊链钢技术要求高，生产难度大，产品附加值高、需求量大，其中R4、R4S、R5是目前较常用的高级别系泊链用钢。
上世纪70年代以来，系泊链的制造只为少数海洋业和远洋运输业发达的欧美国家所垄断，国内近年才有少数几家特钢企业开始试制研发，虽然历经艰难困苦，但硕果累累。
1996年，正茂集团有限责任公司镇江锚链厂在国内近十家高校、研究所、钢厂支持与配合下，完成了R3、R3S级系泊链的研制，R4级系泊链试制品已通过挪威DNV，美国ABS，法国BV船级社的认证。
2003年，R4级系泊链形成批量生产。
此举缩短了我国与发达国家海洋工程、石油平台高级别系泊链技术的差距，其主要技术性能指标达到国际先进水平，具备与国内外名牌产品相竞争抗衡的能力。
与国内同类的技术和产品相比，在核心技术、产品的主要技术参数和产业化等方面均有重大的突破，产品的制造设备、技术和质量均得到全面提升。
镇江锚链厂生产的产品一直畅销国内外，在国内外有很大的市场占有率，有良好的高级别系泊链的研制与开发的基础，但是要实现更高级别系泊链的产业化、规模化生产，为我国船舶工业发展和国防提供现代化服务，还有一些技术难题需要克服。
国内系泊链钢材料生产商主要有大冶特钢、兴澄特钢、宝钢五厂三家。
兴澄牌Φ78mm四级系泊链钢生产的系泊链，在英国北海油田使用5年后的定期例行检查中，被评定为“耐腐蚀性能等综合指标高于欧洲企业，是世界上质量水平最高的，产品值得信赖”。
兴澄特钢公司的四级系泊链钢自1998年开始研发。
当时，由于各国船级社只规定性能要求，没有统一的化学成分、工艺路线等标准，兴澄进行了一年多的摸索和调试，生产出了填补国内空白的高韧性、高强度四级海洋系泊链钢。
当年，该产品即被评为国家级新产品，2003年获得国家发明专利的授权。
兴澄现已与国内最大的锚链厂结成战略合作伙伴关系，正在联合开发质量更优、档次更高的新型系泊链钢。
大冶特钢2002年上半年开发生产四级系泊链大规格钢1500多吨，大冶特钢是国内首批试制该品种的几家企业之一。
其提供给正茂集团的新品种制成的链条首次在美国墨西哥湾工程中一举中标。
大冶特钢开发的四级系泊链用钢拥有自主知识产权，设计中元素C、Mn、Cr、Ni等和Mn、Cr当量都有自身独特的控制范围[4,5]，该产品能在闪光焊接设备能力较差，没有氩气保护状态下实施焊接时，焊缝在-20°
C的V型冲击功可以达到60J以上，产品的各相关性能指标都非常优良。
2009年，中国海洋石油总公司订造的世界第六代3000米深水半潜式钻井平台，将全部采用江苏亚星锚链股份公司自主研发的R5超高级别海洋系泊链。
此前，我国海洋工程领域所需世界最高级别系泊链一直依赖进口，亚星锚链就此打破了欧洲企业在这一领域的垄断地位，3000米深水半潜式钻井平台代表当今世界钻井平台先进水平，而将其固定在海洋上的系泊链需具备海洋恶况下的抗风浪、抗冲击、抗变形、抗断裂、抗疲劳等综合机械性能。
由于这一产品技术难度大，生产和检验标准严格，仅有瑞典、西班牙等欧洲国家的少数公司能够批量生产，我国一直以来只能依赖进口。
从2007年开始，亚星锚链投入数千万元进行自主研发，最终成功研制出该产品，并经大量试验证明了其技术可靠性，最终在国际竞争中击败世界知名供货商，一举中标。
亚星锚链在R5级系泊链这一产品的生产技术、生产设备方面均处于国际领先地位，已具备批量制造该产品的条件。
除中海油外，俄罗斯的一家主要石油公司也将采用亚星锚链的R5级系泊链。
亚星公司目前75%的产品出口到世界各地，2008年，亚星锚链公司靖江本埠生产船用锚链、系泊链共13万吨，完成销售13.5亿元，完成自营出口1.4亿美元，加上亚星公司在镇江、马鞍山的两家企业，亚星公司去年的生产量达22万吨，总销售额达22亿元。
1.2.3国外系泊链的发展现状
国外系泊链的发展相对较先进，较成熟，世界范围内比较著名的系泊链公司是：
西班牙的VicinayCadenasS.A.和瑞典的RamnasBrukAB，这两家公司目前同国内的亚星锚链一样，均可以批量生产R5级系泊链，生产的R4和R5级系泊链的热处理工艺都使用Doublequenchingandtempering（DQT）。
韩国的DAIHAN和日本的Hamanaka两家锚链厂生产的最高级别系泊链是R4级，使用的热处理工艺都为quenchingandtempering（QT）淬火+回火的调质热处理。
各国的材料情况：
目前各国使用的材料，内在物理、化学特性基本一致，区别不大，但其外表质量国外强于国内。
各国制链控制手段：
国外自动控制水平比国内高，生产、检测等主要靠计算机控制，但国内生产主要由计算机控制，而产品质量检测多采用人工检测。
国外对系泊链的基础性研究较国内强，如腐蚀、疲劳、磨损、模拟实际使用状态的腐蚀疲劳以及每一链环的实际受力情况等，国内所作的基础研究工作不系统，大多锚链制造公司正在进行深入研究。
1.2.4系泊链的发展前景
中国海洋石油工业是在20世纪90年代初才发展起来的初具规模的新型工业。
国内的市场主要集中在南海、渤海湾。
目前国内有海洋平台或单点系泊单元大约10座左右，而中国海洋矿产资源潜在量位居世界第三（见《中国海洋21世纪议程》）[6]。
世界上现有海洋平台或单点系泊单元大约300座左右。
一般来说，石油钻井平台的使用年限为20~30年，而现有的大量平台大多建造于20世纪70年代中后期或80年代初期。
大多数需要更换新设备。
除了旧设备的更新，新建平台数量也十分可观。
世界各国由于对海洋资源的需求量猛增，以及海洋飓风、海啸、频繁的海洋地震等自然灾害对现有海洋平台或单点系泊单元的毁坏，实际上这些海洋工程所需的高级别系泊链数量在不断地大幅度增长。
海上油气开采设备的增加，导致海上工程结构物也相应增多，而对作为海上工程结构物固定连接器具的系泊链，其需求将愈来愈大。
系泊链作为海洋采油、采矿装置固定物，是不可或缺的安全保障部件，其广泛应用于海上油气开采及深海作业的浮式生产储油（FPSO）船[7~9]、半潜式平台和竖筒式生产平台（SPAR）等装置，该产品技术上世纪七十年代开始形成并被瑞典Ramnas、西班牙Vicinay以及后来的日本HAMANAK等少数国家的厂家垄断，30年来没有哪个国家能打破他们的市场垄断地位。
这种系泊链既要能经得住深海海浪、风力无规律变化作用，又要能达到30年不更换的质量要求，其技术难度可想而知[10,11]。
随着海洋钻探和开发工程技术的不断进步，深水的概念和范围不断扩大。
20世纪90年代末，水深超过300米的海域为深水区。
目前，以大于500米为深水，大于1500米则为超深水。
研究和勘探实践表明，深水区油气资源潜力大，勘探前景良好。
据统计，2008年全球储量在4亿桶油当量以上的重大油气发现共有14个，主要来自海洋区域尤其是深海。
14个重大油气发现中，有8个来自深海区域。
海洋工程已开启深海时代，随着海洋资源的开采向深海进行（目前已达3800米），其勘测、采集的平台或单点设施系泊所需的系泊链也越来越长，为了降低自身的重量，必须采用更高强度的系泊链，这样才能即降低重量，又不影响强度，因此用更加优质的钢和更先进的制造工艺制造更高级系泊链是系泊链产业发展的必然趋势。
1.3系泊链对相关产业的带动
随世界各国对海洋开发、海洋航运等民用军用高级别系泊链需求量的快速增长，除给系泊链研制开发自身带来巨大商机，产生较大社会效益和经济效益外，本项目的实施对促进我国及本省的船舶工业、钢铁工业发展，提升系泊链产品的质量层次，及国内国际市场的竞争力，带动我国钢铁工业及上、下相关行业的发展有重要拉动作用：
（1）高级别系泊链的研制开发有利于促进我国的造船工业发展。
我国到2015年将成为世界造船大国、强国，系泊链的质量提升，产品上层次，系泊链的设计制造技术水平、制造设备达到世界先进水平，将极大带动全国船用锚链质量、制造技术水平的提升。
（2）高级别系泊链研制开发将促进我国海洋资源的开发[12]。
高质量高级别的系泊链是海洋工程平台与装置的安全保障。
已开发的R4型系泊链试验产品已获得国际著名的挪威DNV，美国ABS，法国BV，英国LR等造船船级社认证和美国API（美国石油协会）标志使用权。
R4S、R5高级别系泊链对海洋资源开发，特别是深海或超深海的油气开发海洋资源的勘探都具有很大的促进和保障作用。
（3）高级别系泊链的研制开发可以强有力地带动我国及本省钢铁工业的发展。
高级别系泊链链环直径几十至195mm，每环重达几十公斤至数百公斤，是高强度、高韧性，抗疲劳，耐腐蚀的合金结构钢制造的，对钢材的质量要求很高。
（4）高级别系泊链研制可以促进我国锚链生产水平，促进我国的锚链工业的发展，产生更大的经济效益和社会效益。
高级别系泊链研制开发是集材料、机械、自动控制、焊接、锻造、热处理、无损检测等各类学科与技术的系统工程。
（5）高级别系泊链的制造设备和制造技术将达到国际先进水平，高质量的系泊链将打破国外公司长期的技术垄断，产品出口量将成倍增加，将带动国内，船用锚链、系泊链的出口，提高国际市场竞争力。
1.4合金元素在系泊链钢中的作用
实验所用的22CrMnNiMo钢在成分设计时应满足如下的材料特性：
（1）碳当量[13]应保证大于1.4，以保证在镇江锚链厂现有的工艺条件下，链环焊缝处的抗拉强度及冲击韧性良好；
（2）冷裂纹敏感系数[14]应小于0.4，同时马氏体开始转变温度应大于350°
C，使之保证在制链热处理过程中不产生淬火和回火裂纹。
制造系泊链的棒材直径一般为70-160mm，其中70%以上都集中在70-130mm，所以还必须保证大直径链环有足够的淬透性。
1.4.1碳的作用
C在钢中与合金元素相互作用形成合金碳化物，能显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑性降低，并会降低材料的焊接性能，C也是显著提高钢的脆性转变温度的元素之一。
如果C含量低于0.18%，材料的强度和力学性能指标达不到使用要求，如果C含量高于0.25%，材料的塑性指标，焊接性能及低温冲击性能达不到使用要求，所以本钢种C含量取在0.18-0.25%之间。
1.4.2硅的作用
Si在钢中能溶入铁素体，能提高合金钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性，但过高的Si含量，特别是与Mn和Cr元素共存时，容易引起钢的晶粒粗化，增加钢的回火脆性，同时Si是显著提高钢的脆性转变温度元素之一。
1.4.3锰的作用
Mn是主加的固溶强化铁素体元素，显著提高钢的强度。
在钢中能溶入铁素体，强化基体，在轧后冷却时能细化珠光体且能相对提高珠光体含量，因此，能提高强度和硬度，显著提高淬透性，改善热处理性能，且对材料的塑性影响较小，当含量过低时，材料的力学性能和淬透性均很难达到系泊链的使用要求，当Mn含量过高时，大大增加了材料的淬火裂纹倾向，且加大了工件淬火后的变形趋势，对系泊链整体淬火工艺十分不利。
1.4.4铬的作用
Cr能显著提高材料的淬透性，同时能提高钢的抗腐蚀性和耐磨性，能抑制和降低C的扩散速度，减少钢在焊接时C的烧损，提高焊缝处的力学性能，Cr还有提高钢的淬火及回火稳定性的作用，综
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