可大線能量焊接的海洋平臺(tái)用鋼板及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微合金鋼技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可大線能量焊接的海洋平臺(tái)用鋼板 及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 海洋平臺(tái)是海洋資源開發(fā)工程中的標(biāo)志性設(shè)備，是超大的焊接結(jié)構(gòu)，海洋平臺(tái)用 鋼作為工程用鋼在保證海洋設(shè)施安全方面起著最為重要的作用。海洋平臺(tái)應(yīng)用在波浪、海 潮等復(fù)雜的海洋工程環(huán)境中，支撐重量超過數(shù)百噸的鉆井設(shè)備，由于這些因素決定了海洋 平臺(tái)用鋼具有高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞、良好的焊接性、冷加工性、耐海水腐蝕特性。這些對(duì) 于保證人員生命安全，提高海洋平臺(tái)用鋼的使用壽命以及開發(fā)海洋資源具有重要的作用。
[0003] 出于海洋平臺(tái)用鋼的使用環(huán)境和安全性的考慮，現(xiàn)有的315~355MPa級(jí)高強(qiáng)度海 洋平臺(tái)用鋼主要選用正火態(tài)交貨。正火態(tài)交貨的海洋平臺(tái)用鋼的碳含量及碳當(dāng)量顯著高于 TMCP(熱機(jī)械控制工藝）交貨態(tài)，因此導(dǎo)致其焊接性下降，采用大線能量焊接時(shí)使熱影響區(qū) 韌性降低，通常采用小線能量（熱輸入< 50kJ/cm)的焊接方法（例如手工電弧焊）進(jìn)行焊 接。雖然手工電弧焊工藝及焊后效果能達(dá)到海洋平臺(tái)用鋼的焊接要求，但其具有重污染、能 耗大和低效率等缺點(diǎn)，而且會(huì)延長(zhǎng)海洋平臺(tái)的建造周期。
[0004] 埋弧焊、氣電立焊等大線能量焊接方法是采用機(jī)械化的焊接方法，能大幅提高生 產(chǎn)效率，當(dāng)其應(yīng)用到海洋平臺(tái)建設(shè)時(shí)，能夠縮短平臺(tái)的建設(shè)周期。隨著大厚度海洋平臺(tái)用鋼 使用量增加，采用大線能量焊接成為海洋平臺(tái)建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，急需提高現(xiàn)有正火態(tài) 315~355MPa級(jí)高強(qiáng)度海洋平臺(tái)用鋼的焊接性。
[0005] 目前，主要通過第二相粒子阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大以及促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體和多邊形鐵 素體形核技術(shù)來提高鋼大線能量焊接條件下熱影響區(qū)的韌性，從而提高其焊接性，現(xiàn)有方 法有很多但存在一些問題：
[0006] 1)添加V、Ti、N微合金來提高鋼焊接性能，第二相粒子主要為鈦、釩的氮化物，但 是目前公開的技術(shù)中均沒有對(duì)V、Ti、N三者之間的配比進(jìn)行控制，也沒有提到通過一定的 技術(shù)對(duì)鋼中鈦、釩的氮化物的析出粒子數(shù)量進(jìn)行控制。
[0007] 2)復(fù)合添加B和V，適量增加N，利用BN作為鐵素體形核核心，增加鐵素體含量，從 而提高鋼材的焊接性能，但是B經(jīng)常偏聚于晶界，造成母材性能下降。
[0008] 3)添加V、Ti、N微合金以外，復(fù)合添加B、Ca和Mg元素，除了B能夠造成母材性能 下降外，Ca和Mg的氧化物在液態(tài)析出時(shí)，析出氧化物粒子生長(zhǎng)不受限制，形成的大顆粒夾 雜物不僅起不到抑制焊接熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大的作用，反而會(huì)使母材和熱影響區(qū)韌性下降。 因此，這種方法在工業(yè)生產(chǎn)中很難控制。
[0009] 上述現(xiàn)有可提高鋼焊接性的方法均存在局限性，不能直接應(yīng)用在高強(qiáng)度海洋平臺(tái) 用鋼上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種可大線能量焊接的海洋平臺(tái)用鋼板及制備 方法，用以解決現(xiàn)有正火態(tài)交貨的海洋平臺(tái)用鋼板焊接性能差、不可采用大線能連焊接而 現(xiàn)有提高鋼焊接性能方法又有局限性從而導(dǎo)致海洋平臺(tái)生產(chǎn)效率低、建造周期長(zhǎng)的問題。 [0011] 本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0012] 本發(fā)明可大線能量焊接的海洋平臺(tái)用鋼板，其包括有：以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，C: 0· 06 ~0· 20%、Μη:0· 5 ~2. 0%、Si:0· 10 ~0· 50%、S:彡 0· 010%、P:彡 0· 020 %、 V:0· 05 ~0· 15%、N:0· 007 ~0· 020%、Ti:0· 007 ~0· 020 %、Α1:0· 005 ~0· 040 %， Mg: 0. 0010~0. 0020 %，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其中Ti、V和Ν質(zhì)量百分?jǐn)?shù)滿足如下 關(guān)系式：
[0013] 0. 07V+0. 29Ti^N^ 0. 15V+0. 29Τ?；
[0014] 鋼板中富釩的（V，Ti) (C，N)和V(C，N)析出粒子個(gè)數(shù)不少于80% ;
[0015] 鋼板焊接熱影響區(qū)組織中多邊形鐵素體含量高于50%。
[0016] 對(duì)本發(fā)明中使用的可大線能量焊接的海洋平臺(tái)用鋼板的成分組成的限定理由進(jìn) 行說明，以下僅用％表示組成中的質(zhì)量百分比。
[0017] 碳：碳是保證正火態(tài)交貨鋼板強(qiáng)度的基本元素，同時(shí)也是降低鋼焊接性能的主要 元素。碳含量低于0.06%，正火態(tài)鋼板的強(qiáng)度難于保證；鋼中隨碳含量增加，焊接熱影響 區(qū)的硬脆組織含量增加，焊接熱影響區(qū)韌性惡化，尤其是在大線能量焊接條件下，從保證 焊接性能角度來講，碳含量應(yīng)控制在較低水平。因此本發(fā)明鋼種碳的含量控制在〇. 06~ 0· 20%〇
[0018] 錳：錳固溶于奧氏體中時(shí)，可以降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，從而可以細(xì)化鋼基體組織，提 高鋼的強(qiáng)韌性，錳含量應(yīng)控制在0. 5%以上以保證鋼的強(qiáng)度。錳含量超過2. 0%時(shí)，鋼板易 產(chǎn)生明顯的中心偏析，易使大線能量焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生淬硬組織，降低焊接熱影響區(qū)韌性。 因此，錳含量控制在0. 5-2. 0%為佳。
[0019] 硅：硅主要作為煉鋼時(shí)的脫氧劑加入，當(dāng)硅含量低于0. 1 %時(shí)，鋼水易氧化。Si也 具有強(qiáng)化鐵素體的作用，但是Si對(duì)焊接性能通常是不利的，為保證焊接熱影響區(qū)韌性，Si 含量應(yīng)控制在較低水平。因此硅含量控制在0. 1~0. 5%。
[0020] 硫和磷：硫和磷是鋼中雜質(zhì)元素，嚴(yán)重?fù)p害母材和焊接熱影響區(qū)的韌性。因此，硫、 磷含量應(yīng)當(dāng)分別控制在0. 01%以下和0. 02%以下。
[0021] 釩：釩是鋼中沉淀強(qiáng)化效果顯著的微合金元素，而且通過控制乳制工藝，促進(jìn)V與 N在奧氏體中析出，可以促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形成。在大線能量焊接條件下，VN析出促進(jìn)焊接熱 影響區(qū)鐵素體轉(zhuǎn)變，同時(shí)晶內(nèi)鐵素體起到分割原奧氏體晶粒的作用，細(xì)化焊接熱影響區(qū)組 織。當(dāng)釩含量低于0.05%時(shí)，上述作用不明顯；釩含量大于0. 15%時(shí)，固溶釩量增加導(dǎo)致焊 接熱影響區(qū)貝氏體型組織增加。因此釩的含量應(yīng)該控制在〇. 05%~0. 15%。
[0022] 氮：氮是所述鋼中關(guān)鍵的微合金化元素。N在鋼中與Ti形成TiN，抑制焊接熱影 響區(qū)奧氏體晶粒長(zhǎng)大，與Ti、V形成TiN、VN粒子可以作為焊接熱影響區(qū)鐵素體的形核核 心，促進(jìn)晶界多邊形鐵素體和晶內(nèi)鐵素體形成，TiN、VN粒子還可以作為隨后富釩的（V，Ti) (C，N)和V(C，N)析出粒子的形核中心，改善焊接熱影響區(qū)韌性，其含量不應(yīng)低于0. 007%。 另一方面，大線能量焊接條件下，當(dāng)奧氏體中固溶氮較多時(shí)，會(huì)增加淬硬組織形成傾向和 焊接熱影響區(qū)的時(shí)效脆性。因此氮含量應(yīng)該控制在〇. 007%~0. 020%。當(dāng)鋼中V、Ti與 N比值[(Ti+V)/N]偏高，不能使Ti、V的氮化物充分析出，影響焊接熱影響區(qū)晶粒尺寸； 反之，焊接熱影響區(qū)中固溶氮增加會(huì)使其韌性下降，從而影響鋼的焊接性能，因此只有當(dāng) V、Ti、N三者之間的配比控制在合適的范圍內(nèi)，才能得到盡可能多的形成鈦、釩的氮化物 的析出物粒子，從而有效提尚鋼的焊接性能，因此，鋼中Ti、V、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)符合關(guān)系式： 0.07V+0. 29Ti彡N彡 0. 15V+0. 29Ti。
[0023] 鈦：鈦與氮結(jié)合形成TiN，可以阻止焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大；在焊接冷卻 過程中，先形成TiN還可以成為隨后析出的V(C，N)的形核核心，促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形成。鈦 含量低于0. 007%，不容易發(fā)揮上述作用；但過多的鈦會(huì)"奪走"氮，降低VN析出驅(qū)動(dòng)力。因 此Ti的含量控制在0. 007~0. 020%。
[0024] 鋁：鋁是煉鋼過程中的一種重要脫氧元素，可以有效減少鋼中的夾雜物數(shù)量。但是 過多的鋁會(huì)"奪走"鋼中的氮，減弱氮與鈦和釩形成粒子的有益作用。因此，鋁應(yīng)該控制在 0. 005%~0. 04%。
[0025] 鎂：鎂是本發(fā)明中的關(guān)鍵合金元素之一，鎂元素與氧結(jié)合生成MgO粒子，從而可以 有效控制鋼中的氧含量在設(shè)定的范圍，有利于后續(xù)V的添加。當(dāng)鋼中Mg含量高于0.