Q690E海事起重船主弦桿用無縫鋼管的開發(fā)

邊令喜，周曉鋒，劉江成，周國帥，王亞男

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

海事起重船用主弦桿材料在大型起重船中屬于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，要求在起吊作業(yè)中能提供大的支撐力，采用大規(guī)格厚壁材料是大噸位起重船設(shè)計(jì)時(shí)的主要思路，而且采用圓管可以增強(qiáng)各向同性，提高鋼級可以增加支撐力，提高吊裝能力，所以主弦桿一般設(shè)計(jì)時(shí)采用高強(qiáng)度、大直徑、厚壁鋼管［1-7］。高強(qiáng)度、大直徑、厚壁鋼管目前有兩種，一種是焊接鋼管，一種是無縫鋼管。如果采用焊接鋼管，需要使用寬幅調(diào)質(zhì)厚壁鋼板，鋼板經(jīng)卷曲焊接而成。而高強(qiáng)度厚壁鋼板的卷曲力特別大，一般設(shè)備滿足不了要求，同時(shí)焊接處與母材組織不同，并且焊接鋼管的殘余應(yīng)力也非常高，這些因素都制約著焊接鋼管的使用。相比之下，無縫鋼管不存在焊縫，鋼管經(jīng)整體調(diào)質(zhì)熱處理后組織均勻，殘余應(yīng)力小，安全可靠性更高［8-10］。

1 Q690E鋼級產(chǎn)品技術(shù)要求

國內(nèi)某知名海工設(shè)備制造商承建了1 600 t級海事起重船，該起重船為非自航、全回轉(zhuǎn)起重船，適用于在近海和港口等水域進(jìn)行各類大型重件或大型水工構(gòu)件的吊裝作業(yè)，也能夠在潮間帶座底作業(yè)，最大固定吊重為1 600 t，最大吊高為110 m；最大回轉(zhuǎn)吊重為1 300 t，最大回轉(zhuǎn)吊高約110 m，其中起重船的主弦桿用管鋼級為Q690E，規(guī)格為Φ630 mm×30 mm。按照雙方簽訂的開發(fā)無縫鋼管技術(shù)協(xié)議，Q690E鋼級無縫鋼管的化學(xué)成分、力學(xué)性能、尺寸公差要求見表1～3。

表1 Q690E鋼級無縫鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）最大值要求 %

表2 Q690E鋼級無縫鋼管力學(xué)性能要求

表3 Φ630 mm×30 mm Q690E鋼級無縫鋼管尺寸公差要求

該批結(jié)構(gòu)管生產(chǎn)中的三大難點(diǎn)：一是為確保產(chǎn)品易軋制并具有優(yōu)良的焊接性能，必須考慮成分設(shè)計(jì)時(shí)碳當(dāng)量與合金成分的匹配；二是Φ630 mm×30 mm規(guī)格是Φ720 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)組能夠斜軋擴(kuò)徑的極限規(guī)格（若不受原料管規(guī)格限制，斜軋擴(kuò)徑工藝的產(chǎn)品外徑可大于720 mm，壁厚可大于30 mm），產(chǎn)品對尺寸公差要求嚴(yán)格，斜軋擴(kuò)徑要求母管尺寸精度高，斜軋擴(kuò)徑難度大；三是鋼管外徑大，壁厚厚，單支鋼管質(zhì)量達(dá)到3.6 t，對材料熱處理淬透性和均勻性要求高。

2 產(chǎn)品成分設(shè)計(jì)

考慮到大型海事起重船主弦桿用無縫鋼管材料應(yīng)具有大壁厚、高強(qiáng)度、高韌性、易焊接等諸多特性，在成分設(shè)計(jì)方面嚴(yán)格控制鋼種的碳當(dāng)量和冷裂紋敏感系數(shù)以提高鋼種的可焊性；加入Mn、Ni、Cr、Mo、W、V、Nb等合金元素，通過固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及相變強(qiáng)化等措施保證材料的強(qiáng)度和低溫韌性，盡可能降低硫、磷、五害元素及氣體含量，提出了適合于海事起重船用厚壁、高鋼級、高可焊性無縫結(jié)構(gòu)支撐用管的化學(xué)成分體系［11-16］。

C是增加淬透性、提高鋼的強(qiáng)度的元素，也是影響碳當(dāng)量的主要元素，需要協(xié)調(diào)強(qiáng)度和焊接性能對C元素的要求。

Mn可以提高鋼的淬透性，在低碳鋼中應(yīng)用廣泛，通過固溶強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度，冶煉時(shí)具有弱脫氧能力，能減輕硫的有害作用，是提高鋼的強(qiáng)度及韌性的元素，對于這類鋼，Mn含量應(yīng)不低于0.5%，但Mn含量過高，焊接裂紋敏感性增強(qiáng)。

Mo可以提高淬透性、防止回火時(shí)強(qiáng)度降低，對微合金化鋼來說一般不加入Mo，但對于厚壁結(jié)構(gòu)鋼通常會適量加入Mo以提高鋼的淬透能力和回火穩(wěn)定性。

Cr在鋼中可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度以及高溫機(jī)械性能，使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性，提高淬透性，缺點(diǎn)是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度、促進(jìn)鋼的回火脆性。

Ni在鋼中可提高鋼的強(qiáng)度而不顯著降低其韌性，可提高鋼的低溫韌性，改善鋼的加工性和可焊性，提高鋼的抗腐蝕能力。

W是熔點(diǎn)最高的金屬，形成的碳化鎢硬度高、熔點(diǎn)高、脆性大，在鋼中的作用與鉬相似，增強(qiáng)耐磨性及抗熱過敏感性的作用優(yōu)于鉬，能顯著地降低鋼的熱導(dǎo)率，W的加入主要是提高鋼的強(qiáng)韌性，防止產(chǎn)生回火脆性。

V是最常用的微合金化元素，在采用調(diào)質(zhì)工藝的情況下，強(qiáng)度強(qiáng)化特征更明顯。因此V的含量一般在0.02%以上，但含量過高會影響鋼的焊接性能。

Nb元素通過細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化提高強(qiáng)度，同時(shí)可改善鋼的低溫沖擊韌性，但Nb降低鋼的熱塑性從而增加含鈮鋼鑄坯的熱裂傾向。

P、S是鋼中的雜質(zhì)元素，對鋼的熱塑性和成品的韌性有影響，應(yīng)盡可能地減少其含量，控制w（P）≤0.010%，w（S）≤0.005%。采用上述化學(xué)成分設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化后鋼管成分最大值設(shè)計(jì)見表4。

3 軋制+斜軋擴(kuò)徑工藝

由于軋制時(shí)需要Φ400 mm圓坯，軋制變形抗力大，需要設(shè)計(jì)鋼種具有較好的熱塑性，并選擇一個(gè)熱塑性好的溫度區(qū)間進(jìn)行軋制。利用Gleeble 3500檢測鋼種從750～1 200℃的伸長率，采用的加熱速度為10℃/s，到溫后保溫2 min，采用應(yīng)變速率0.1 s-1，熱塑性曲線如圖1所示。

表4 Q690E鋼級無縫鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）最大值設(shè)計(jì)%

圖1 Q690E鋼級無縫鋼管熱塑性曲線

產(chǎn)品的幾何尺寸精度直接影響客戶在施工現(xiàn)場的焊接質(zhì)量、施工效率及使用的安全性，對無縫鋼管的尺寸偏差及幾何精度要求嚴(yán)格。產(chǎn)品采用熱軋+斜軋擴(kuò)徑工藝，為保證最終鋼管的幾何尺寸，生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格控制中間母料的幾何尺寸精度，為后續(xù)斜軋擴(kuò)徑提供優(yōu)質(zhì)原料。

鋼管采用PQF連軋管機(jī)組進(jìn)行軋制獲得母管，天津鋼管集團(tuán)股份有限公司的PQF軋機(jī)采用三輥封閉式孔型設(shè)計(jì)，軋制過程中金屬在3個(gè)方向上同時(shí)受力，使金屬在同一截面上的變形更加均勻，且3個(gè)軋輥呈120°分布，保證了芯棒在孔型中更好對中，從而使軋制過程更加平滑、穩(wěn)定，定徑采用高精度定徑機(jī)架，保證母管幾何尺寸精度［17-19］。軋制時(shí)優(yōu)化了管坯加熱制度，降低穿孔軋輥轉(zhuǎn)速，軋輥輾軋角為 15°，軋輥的送進(jìn)角為 11°［20］。

Φ720 mm機(jī)組斜軋擴(kuò)徑時(shí)，在擴(kuò)管變形過程中四周有軋輥的約束，變形區(qū)橫截面接近封閉，并且是旋轉(zhuǎn)變形，相比于普通的熱擴(kuò)工藝，可以明顯提高鋼管的壁厚不均度、橢圓度及表面質(zhì)量，并且可以減少裂紋缺陷，較小的裂紋能夠被軋制焊合。斜軋擴(kuò)徑時(shí)有專門控制壁厚精度的控制單元，控制金屬的流動(dòng)均勻平滑，頂桿采用液壓小艙控制定位，在軋制過程中調(diào)整頂頭位置，對頂桿彈性膨脹延伸而產(chǎn)生的長度變化進(jìn)行補(bǔ)償，使最終產(chǎn)品的壁厚不均度下降。斜軋擴(kuò)徑后的管子由均整機(jī)進(jìn)行均整，可以進(jìn)一步改善成品表面質(zhì)量，為保證定徑時(shí)的熱塑性，均整后的鋼管進(jìn)入再加熱爐進(jìn)行溫度補(bǔ)償，經(jīng)高精度定徑機(jī)定徑后，可滿足產(chǎn)品對外徑橢圓度的要求。通過軋制+斜軋擴(kuò)徑工藝的優(yōu)化調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)了高幾何尺寸精度控制［21］。

4 熱處理工藝

通過實(shí)驗(yàn)室測定，鋼種奧氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Ac3為875℃，奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ac1為735℃，為了衡量鋼種的淬透性，按照GB/T 225—2006《鋼淬透性的末端淬火試驗(yàn)方法（Jominy試驗(yàn)）》進(jìn)行了淬透性試驗(yàn)，得到了新鋼種的淬透性曲線，如圖2所示。該鋼種淬透性良好，達(dá)到J34-15級別。結(jié)合連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）及熱處理經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了小樣實(shí)驗(yàn)室熱處理工藝研究。Q690E鋼級無縫鋼管熱處理試驗(yàn)力學(xué)性能見表5。

圖2 Q690E鋼級無縫鋼管淬透性曲線

鋼管生產(chǎn)時(shí)采用浸入式淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，浸入式淬火比內(nèi)噴+外淋式淬火具有更快的冷卻速度，保證了材料在生產(chǎn)過程中能充分淬透及產(chǎn)品熱處理后性能的穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室小樣熱處理結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際情況，最終確定熱處理工藝為：940℃水淬+650℃回火空冷，成品管力學(xué)性能見表6。

觀察了熱處理后鋼管內(nèi)中外金相組織，經(jīng)熱處理后，形成以貝氏體為基體的組織，內(nèi)壁、中壁、外壁的組織差別小，組織均勻性好。Q690E鋼級無縫鋼管的金相組織如圖3所示。進(jìn)行橫、縱向系列沖擊試驗(yàn)，低溫韌-脆轉(zhuǎn)變曲線如圖4所示，鋼管的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度在-50℃以下。

表5 Q690E鋼級無縫鋼管熱處理試驗(yàn)力學(xué)性能

表6 Q690E鋼級無縫鋼管成品管力學(xué)性能

圖3 Q690E鋼級無縫鋼管的金相組織

圖4 Q690E鋼級無縫鋼管的韌-脆轉(zhuǎn)變曲線

5 焊接評價(jià)

主弦管除了管材本身性能合格以外，最重要的是要具有良好的可焊性。對Q690E鋼級無縫鋼管材料焊接性能進(jìn)行評價(jià)，力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)見表7，焊接接頭硬度打點(diǎn)位置如圖5所示，焊接工藝參數(shù)見表8，硬度試驗(yàn)結(jié)果見表9。檢驗(yàn)結(jié)果顯示各項(xiàng)性能全部合格。

6 結(jié) 語

（1）在成分設(shè)計(jì)中優(yōu)化鋼種合金元素含量，提高熱塑性及可焊性，克服了熱軋大壁厚大外徑高強(qiáng)度管材由于熱塑性低、軋制力過大不能熱軋生產(chǎn)的困難，成功通過熱軋+斜軋擴(kuò)徑工藝生產(chǎn)出高強(qiáng)度大規(guī)格厚壁主弦桿，并且通過了焊接評價(jià)試驗(yàn)。

表7 Q690E鋼級無縫鋼管焊接后的力學(xué)性能

圖5 Q690E無縫鋼管焊接接頭硬度打點(diǎn)位置示意

表8 Q690E鋼級無縫鋼管的焊接工藝參數(shù)

表9 Q690E無縫鋼管焊接后硬度試驗(yàn)結(jié)果 HV5

（2）通過熱軋+斜軋擴(kuò)徑工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品幾何尺寸精度滿足-10.0%S～+12.5%S，滿足用戶要求。

（3）采用浸入式淬火的方式，保證回火前材料充分淬透，提升熱處理后材料強(qiáng)度及性能穩(wěn)定性，最終屈服強(qiáng)度達(dá)到760 MPa以上，滿足用戶設(shè)計(jì)使用要求。