高强度海洋平台用钢的强韧化机理研究及产品开发

摘要

随着石油工业的不断发展，海底油气开发从浅海大陆架延伸到千米水深的海区，仅具有较高的强度已经不能满足生产使用的需要，在降低成本的基础上，保证钢板的高强高韧性以及抗层状撕裂性能是未来海洋平台用钢的发展方向。本文在863计划项目“海洋石油平台用高强度、厚规格钢板生产的关键技术及原理”支持下，以东北大学与首钢组成联合研发中心开发厚规格海洋平台用钢科研项目为背景，进行了低成本TMCP工艺生产海洋平台用钢热加工过程的组织演变机理研究和产品开发，研究结果用于指导现场工业试轧。论文主要工作如下:
　　(1)以C-Mn钢、Nb-Ti钢、Nb-V-Ti钢和高Nb钢四种实验钢为研究对象，研究了变形温度、变形量及应变速率对实验钢再结晶行为及组织演变的影响规律。结果表明，高变形温度和低应变速率有利于发生奥氏体动态再结晶，通过回归确定了动态再结晶激活能和变形抗力模型。根据双道次压缩实验确定了等温时间内静态再结晶行为，微合金钢的形变诱导析出使再结晶曲线上出现平台，并确定了静态再结晶激活能，建立了静态再结晶动力学模型。
　　(2)对C-Mn钢、Nb-Ti钢、Nb-V-Ti钢和高Nb钢四种实验钢的连续冷却相变行为进行了研究，并绘制了连续冷却转变曲线。结果表明，在相同冷却速度和变形条件下，由于Nb的晶界偏聚作用抑制了铁素体相变，Nb-Ti钢的多边形铁素体量低于C-Mn钢;当冷却速度小于5℃/s时，C-Mn钢、Nb-Ti和Nb-V-Ti钢奥氏体变形促进了多边形铁素体相变，抑制了针状铁素体相变;而高Nb钢奥氏体变形抑制了晶界形核的贝氏体相变，促进了晶内形核的粒状贝氏体相变。当冷却速度较高时，四种钢的奥氏体变形均抑制了上贝氏体相变，而促进了针状铁素体相变。
　　(3)对Nb-Ti钢，Nb-V-Ti钢和高Nb钢三种实验钢在控轧控冷中微合金元素的析出行为进行了研究，分析了轧后冷却路径和回火工艺对析出物的影响规律。实验结果表明，加热时存在大量未溶析出物;粗轧前的析出物与加热状态差异不大;粗轧待温后出现少量细小的球状粒子，抑制了精轧阶段再结晶的发生;而层流冷却后存在大量细小粒子，有利于析出强化。轧后两段式冷却和回火工艺有利于细化析出相尺寸和增加析出相数量。
　　(4)对E36-Z35和E40-Z35钢进行了实验室热轧实验，确定了低成本海洋平台用钢的化学成分和控轧控冷工艺参数，并在首秦现场条件下进行了工业轧制实验。结果表明，开发的低成本海洋平台用钢E36-Z35和E40-Z35具有良好的低温韧性、焊接性能、抗层状撕裂性能，各项指标均满足船级社认证要求。
　　(5)分析了Ni含量和冷却路径对高强度海洋平台用钢组织性能的影响规律，并在现场进行了F460-Z35的工业试轧。结果表明，随着Ni含量增加以及冷却方式由空冷向层流冷却、超快冷方式转变，析出方式由相间析出变向位错析出和均匀析出过渡;Ni含量对低温韧性的影响规律与冷却方式有关。细小的M/A岛有利于改善低温韧性;试制钢板具有良好的强韧性和抗层状撕裂性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 海洋平台用钢性能要求

1．1．1 海洋平台的分类

1．1．2 海洋平台用钢性能要求

1．1．3 海洋平台用钢标准

1．2 微合金元素在钢中的作用和特点

1．2．1 微合金元素单独添加时的作用

1．2．2 微合金元素复合添加时的特点和作用

1．3 控轧控冷工艺及其应用

1．3．1 控制轧制

1．3．2 控制冷却及冷却路径控制

1．4 韧化机理及Ni在钢中的作用

1．4．1 韧化机理

1．4．2 镍在钢中的作用

1．5 海洋平台用钢生产现状

1．5．1 国外生产现状

1．5．2 国内生产现状

1．5．3 生产中存在问题

1．6 本文的目的、意义和研究内容

1．6．1 研究目的和意义

1．6．2 研究内容

2 低碳钢高温奥氏体相变规律研究

2．1 实验材料和实验方法

2．2 实验结果

2．2．1 合金元素及变形对CCT曲线的影响

2．2．2 冷却速度对奥氏体相变组织的影响

2．3 分析讨论

2．3．1 微合金元素Nb对奥氏体相变的影响

2．3．2 变形对奥氏体→铁素体相变的影响

2．3．3 变形对贝氏体相变的影响

2．4 本章小结

3 高温奥氏体变形规律研究

3．1 实验材料和方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方案

3．2 高温加热和变形过程奥氏体晶粒尺寸变化规律

3．2．1 加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响

3．2．2 应力-应变曲线

3．2．3 变形量对奥氏体再结晶组织演变的影响

3．2．4 变形温度对奥氏体晶粒的影响

3．2．5 变形速率对再结晶奥氏体晶粒尺寸的影响

3．2．6 变形速率对应变诱导相变的影响

3．3 奥氏体动态再结晶过程模型研究

3．3．1 变形条件对峰值应变和峰值应力的影响

3．3．2 变形抗力模型

3．3．3 实验钢热变形方程的建立

3．4 Nb含量对静态再结晶的影响

3．4．1 静态再结晶百分率

3．4．2 静态再结晶激活能Qrex的确定

3．4．3 静态再结晶动力学模型

3．4．4 讨论

3．5 本章小结

4 微合金碳氮化物析出规律研究

4．1 实验材料

4．2 实验方案

4．3 实验结果

4．3．1 Nb-Ti钢析出规律研究结果

4．3．2 Nb-V-Ti钢析出规律研究结果

4．3．3 高Nb-1钢析出规律研究

4．4 讨论

4．4．1 加热阶段析出相的固溶

4．4．2 析出过程分析

4．4．3 析出相间的相互影响

4．4．4 析出相在控轧控冷中的作用

4．5 本章小结

5 海洋平台用钢E36-Z35实验研究与工业试制

5．1 海洋平台用钢E36-Z35的成分设计思路

5．2 海洋平台用钢E36-Z35实验室热轧实验

5．2．1 轧制工艺

5．2．2 实验结果及分析

5．2．3 推荐用于工业生产的成分及工艺

5．3 海洋平台用钢E36-Z35的工业试制

5．3．1 试制材料

5．3．2 试制方法

5．3．3 工业试制结果

5．4 Cu-Ni-Cr系海洋平台用钢的实验室热轧实验

5．4．1 实验材料及方法

5．4．2 实验结果

5．5 本章小结

6 海洋平台用钢E40-Z35实验研究与工业试制

6．1 海洋平台用钢成分设计思路

6．2 海洋平台用钢E40-Z35实验室热轧实验

6．2．1 实验材料

6．2．2 热轧实验规程的制定

6．2．3 实验方法

6．2．4 实验结果及分析

6．2．5 工业试轧成分及工艺

6．3 海洋平台用钢E40-Z35的工业试制

6．3．1 试制材料

6．3．2 试制方法

6．3．3 工业试制结果

6．3．4 讨论

6．4 本章小结

7 海洋平台用钢F460-Z35实验研究与工业试制

7．1 海洋平台用钢实验室研究

7．1．1 实验材料及实验方法

7．1．2 实验结果与分析

7．1．3 讨论

7．2 工业试制

7．2．1 试制材料

7．2．2 试制方案

7．2．3 组织性能检测

7．2．4 分析与讨论

7．2．5 改进工艺后试轧

7．3 本章小结

8 结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文

致谢

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