新型海洋工程用系泊鏈鋼組織與性能研究項目可行性研究報告

1、新型海洋工程用系泊鏈鋼組織與性能研究項目可行性研究報告目錄摘 要 VAbstract VI第 1 章 緒論 8引言 8系泊鏈的國內外發(fā)展狀況 2系泊鏈的制鏈工藝及性能要求 2國內系泊鏈的發(fā)展現(xiàn)狀 4國外系泊鏈的發(fā)展現(xiàn)狀 6系泊鏈的發(fā)展前景 6系泊鏈對相關產(chǎn)業(yè)的帶動 8合金元素在系泊鏈鋼中的作用 9碳的作用 9硅的作用 91.4.3 錳的作用 1.01.4.4 鉻的作用 1.01.4.5 鉬的作用 1.01.4.6 鎳的作用 1.01.4.7 鋁和鈮的作用 1.1提高鋼鐵材料力學性能的方法 1.1 形變誘導相變細化晶粒 1.2 形變熱處理細化晶粒 1.2合金化細化晶粒 1.3循環(huán)加熱淬火細化晶粒

2、 1.3課題的重要意義及創(chuàng)新性 1.41.6.1 課題意義 1.4課題創(chuàng)新性 1.5課題的主要研究內容與目標 1.51.7.1 研究內容 1.51.7.2 研究目標 1.6第 2 章 實驗材料與方法 1.62.1 實驗材料 1.62.2 實驗標準及儀器 1.22.3 實驗方法手段 1.3DTA 相變點測試 1.3淬透性實驗 1.3熱處理工藝試驗 1.4力學性能測試 1.5回火脆性試驗 1.9顯微組織觀察 2.0第 3 章 DTA 相變點測試和淬透性實驗 2.1.DTA 相變點測試 2.1 3.2 淬透性試驗 2.23.3 本章小結 2.5第 4 章 熱處理工藝對實驗鋼組織與性能的影響 2.6.

3、原始軋制態(tài)棒材的組織與性能 2.6一次加熱淬火與二次循環(huán)加熱淬火的組織與性能比較 2.8.循環(huán)淬火溫度對系泊鏈鋼組織與性能的影響 3.3.不同溫度循環(huán)淬火后的組織觀察 3.3.不同溫度淬火后的拉伸性能測試及分析 3.5.不同溫度淬火后的低溫沖擊性能測試及分析 3.7.4.4 回火溫度對系泊鏈鋼組織與性能的影響 3.9.不同溫度回火后的組織觀察 4.0.不同溫度回火后的力學性能測試及分析 4.2.不同時間回火后的組織觀察 4.4.不同時間回火后的力學性能測試及分析 4.6.回火穩(wěn)定性和回火脆性研究 4.8回火穩(wěn)定性 4.8回火脆性研究 5.1拉伸斷口形貌分析 5.5沖擊斷口形貌分析 5.6不同淬

4、火溫度對沖擊斷口形貌的影響 5.7.不同回火溫度對沖擊斷口形貌的影響 6.0.4.8 討論 6.54.8 討論 6.5混晶的形成 6.5兩次循環(huán)淬火對晶粒的細化 6.8.4.9 本章小結 7.1第 5 章 系泊鏈鋼焊縫組織與性能研究 7.2.焊縫原始組織與性能 7.2一次淬火與二次加熱循環(huán)淬火的組織性能對比 7.4.不同溫度回火后焊縫的組織 7.6不同溫度回火后焊縫的力學性能 7.7.拉伸性能研究 7.7沖擊性能研究 7.9不同時間回火后焊縫的組織 8.0不同時間回火后焊縫的力學性能 8.2.拉伸性能研究 8.2沖擊性能研究 5.85.7 本章小結 8.4結 論 5.9參考文獻 6.0攻讀碩士

5、學位期間發(fā)表的學位論文 錯.誤！未定義書簽。致 謝 錯 誤.！未定義書簽。CONTENTSAbstract VChapter 1 Forwards 1Introduction 1 TOC o 1-5 h z Development of mooring chain in and abroad countries 2.The manufacture technics and properties requirement of mooring chain. 2The domestic development status of mooring chain 2.The abroad developm

6、ent status of mooring chain 4.The development prospects of mooring chain 4.1.3 Promotion of mooring chain on related industry 5.Function of alloy elements in R4 level mooring chain 6.Function of carbon 6Function of silicic 6Function of manganic 6Function of chromic 6Function of molybdenum 7Function

7、of falcial 7Function of aluminum and niobic 7The methods of improving the properties of steel materials 7.Deformation induced phrase transition 8.Mechnical heat treatment 8Alloying 8Cyclic heat treatment 9Contents TOC o 1-5 h z Significance and innovation of the subject 9 Significance of the subject

8、 9 Innovation of the subject 1.0.Experiment contents and objective 1.0.Experiment contents 1.0 Experiment objective 1.0 Chapter 2 Materials and methods 11Experiment materials 1.1 Experiment standards and equipments 1.1.Experiment methods 1.1 DTA test 1.1 Hardenability test 1.2 Heat treatment process

9、 1.2.Mechnical properties test 1.3.tempering brittlement test 1.5.Microstructure observation 1.6. TOC o 1-5 h z Chapter 3 DTA transformation point test and hardenability test 17DTAtransformation point test 1.7.Hardenability test 1.7 Summary 1.9Chapter 4 Microstructure and properties of mooring chain

10、 steel 2. 0Microstructure and properties of original rolling bar 2.04.2 The microstructure and properties comparison between quenhing and double4.2 The microstructure and properties comparison between quenhing and doublequenching 2.1 TOC o 1-5 h z The effects of double quenching temperature on moori

11、ng chain steel 2. 4The effects of doble quenching temperature on microstructure 2. 4The effects of doble quenching temperature on tesile test 2. 5The effects of doble quenching temperature on low temperature impact test27The effects of tempering temperature on mooring chain steel2. 8The effects of t

12、empering temperature on microstructure2.9The effects of tempering temperature on mechanical properties test3 0The effects of tempering time on microstructure3.2The effects of tempering time on mechanical properties test3. 3Study of tempering stablity and tempering brilleness3.4Tempering stablity 3.4

13、Tempering brilleness 3.6 Tensile fractography analysis 3.9.Impact fractography analysis 4.0 The effects of doble quenching temperature on impact fractography4 0The effects of tempering temperature on impact fractography4. 2Discussion 4.54.7Formation of mixed grain phenomenon4.5.Mechanism of double q

14、uenching on grain refinementContentsSummary 4.9 TOC o 1-5 h z Chapter 5 Study of flash weld microstructure and properties 5.0Microstructure and properties of weld in original mooring chain steel 5 0The microstructure and properties comparison between quenhing and doubleque nching ：.51The effects of

15、tempering temperature on weld microstructure5.35：4 The effects of tempering temperature on weld mechanical properties test：545：4：1 The effects of tempering temperature on tesile test：5：45：4：2 The effects of tempering temperature on tesile test：5：55：5 The effects of tempering time on weld microstruct

16、ure：5：65：6 The effects of tempering time on weld mechanical properties test：5： 75：6：1 The effects of tempering time on tesile test：5：7：5：6：2 The effects of tempering time on tesile test：5：8：5：7 Summary ：5：8： Conclusion ：5：9： Reference ：6：0： Published papers during postgraduate ： 63 Acknowledgements

17、：6：4：摘要摘要海洋工程平臺及其裝備在海洋中主要由系泊鏈固定，系泊鏈由于長期（要求 20 年）服役于惡劣的海洋環(huán)境條件下，要求系泊鏈用鋼具有高強度、高韌性、耐腐蝕等 優(yōu)良的綜合性能。隨著海洋工程裝備本身的大型化和集成化以及海洋工程向深海 （3000 米水深）的發(fā)展，對系泊鏈用鋼提出了更為苛刻的要求，系泊鏈的級別也隨 之逐級提高。然而研究開發(fā)更高級別的系泊鏈需要更多的成本，如何在已有級別系泊 鏈的基礎上，通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝進一步提高材料的性能就顯得尤為重要。實驗所用材 料 22MnCrNiMo 鋼是一種新型海洋工程用系泊鏈鋼，主要用于制造 R4 級系泊鏈， 研究工作的目的是通過優(yōu)化熱處理工藝，

18、發(fā)掘該材料的潛力， 使之達到 R4S 級系泊鏈 的綜合力學性能要求。研究工作主要思路是利用循環(huán)熱處理的方法細化晶粒，從而達 到提高綜合力學性能的目的。利用光學金相顯微鏡（ OM ）、掃描電鏡（ SEM ）、能譜 分析（EDS）、拉伸試驗、低溫沖擊試驗等重點系統(tǒng)地研究了兩次高溫快速加熱循環(huán)淬 火調質熱處理工藝對 22MnCrNiMo 鋼的母材及其焊縫組織和力學性能的影響規(guī)律， 研究了晶粒細化的機理，以及 22MnrNiMo 鋼的回火穩(wěn)定性和回火脆性的形成原因。研究結果表明：與一次淬火相比，采用兩次加熱循環(huán)淬火的熱處理工藝可以有效 地細化晶粒，晶粒不僅可以細化到約 10阿，而且消除了一次淬火帶來的

19、晶粒大小不 均勻的問題，在 930 C保溫30分鐘兩次淬火后綜合性能最佳，抗拉強度達到 1018MPa，-20 C沖擊功達到140J，與常規(guī)的一次淬火加回火工藝處理相比， 在不損 失強度的情況下，韌性提高了近 40% ，完全達到了 R4S 級系泊鏈的綜合力學性能要 求。隨著兩次加熱淬火溫度從 910 C提高到990 C,晶粒尺寸先減小后增大，強度和韌性都是先增加后減小，隨著回火溫度從 600 C升高到640 C，強度持續(xù)下降，韌性Abstract不斷升高。焊縫的性能隨組織變化的規(guī)律與母材基本一致。22MnrNiMo 鋼的回火穩(wěn)定性良好，在620 C保溫7h仍未發(fā)生再結晶。同時該 鋼也存在一定的

20、回火脆性，但采用水冷可以有效避免回火脆性的發(fā)生。關鍵字：系泊鏈； 22MnrNiMo 鋼；循環(huán)淬火；力學性能；回火穩(wěn)定性；回火脆 性AbstractOffshore engineering platforms and their equipments were fixed mainlyby mooring chain, due to long-termservice (for 30 years) in harshenvironmental conditions, the chains were required with good c2omprehensive performanceconsi

21、sting of high strength, high toughness,high corrosion resistance. With the equipments become more and more large scale and integrated, as well as developing to the deeper ocean area(3000m water depth), the mooring chain steel was required with more demanding requirements. The level increases progres

22、sively, research and development of摘要higher level mooring chain need more cost, it is very important to further improve the material properties by optimizing the production process, 22MnCrNiMosteel is a new type of mooring chain steel, mainly used tomanufactureR4 mooring chain. in order to explore t

23、he potential of thematerial to reach the requirement of R4S mooring chain, Cyclic heat treatment was applied as a method of grain refinement, The cyclic heat treatment was consisted of double quenching and tempering (DQT). Focus on the effects of quenching and tempering temperature on microstructure

24、 and mechanical properties of base metal and welding joint. The mechanism of grain refinement 、tempering stability and temper brittles were also investigated.The results showed that, compared with quenching and tempering(QT), using the double quenching and tempering(DQT) can effectively refine the g

25、rain, the grain can not only bee n refi ned to about 10pm, and elim in ate of aquenching non-uniform grain size caused by quenching and tempering(QT), under quenched at 930 Cfor 30 minutes,the best comprehensiveperformance can been obtained, and without loss of strength, the toughness increased by n

26、early 40%, the technical criteria of R4S mooring chain can be meet finely. With the double quenching temperature increased from 910C to990 C , the grain size decreases firstly and then increases, the strength and toughnessa increasefirstly and then decrease, With the temperingtemperatureincreasedfro

27、m 600 C to 640 C , the strength continued todecline, toughness continuously increased. The tempering stability ofAbstract22MnrNiMosteel was excellent, tempered at 620 C for 7h, recrystallizationhas not occurred. At the same time, temper brittleness appeared when cooled with slower speed, and using w

28、ater-cooling can effectively avoid the occurrence of temper brittleness.Key words: mooring chain; 22MnrNiMo steel ； double quenching ； mechanical properties; temper stability; temper brittleness第1章 緒論引言當今世界，越來越多的國家把發(fā)展目光轉向海洋，一場向海洋要食物、淡水、能 源的“藍色革命”浪潮席卷全球。世界各海洋大國之間在海洋經(jīng)濟、科技、資源、海 權力量等方面的競爭日益激烈。海洋資源的開發(fā)、保護

29、與利用已逐漸成為世界各國普 遍關注的問題。尤其是隨著陸上油氣資源的不斷枯竭，海洋油氣開發(fā)特別是深海油氣 開發(fā)已成為世界能源開發(fā)的主要領域。目前，海洋石油產(chǎn)量約占世界石油總產(chǎn)量的 35% ，預計2015 年該比例將進一步提高到 40%左右，海洋天然氣產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量 的比例也將從 29% 提高到 35% 左右。用于石油開采的海洋工程裝備市場目前主要由 新加坡、韓國、歐洲和美國等少數(shù)國家和地區(qū)的企業(yè)所占據(jù)，我國的市場份額尚不足 5%，還有很大的提升空間 1 。包括油氣鉆采平臺、存儲設施、工程船舶在內的海工裝 備 2007 年全球市場規(guī)模已超過 3000 億美元。中海油近期宣布，將在 20 年內投資

30、 2000 億元，到 2020 年在南海深水區(qū)的年產(chǎn)能力達到 5000 萬噸油當量。 十一五 期間，中海油建成投產(chǎn)的油氣田將達 50 個。在裝備需求方面，中海油的海工裝備需求江蘇科技大學工學碩士學位論文江蘇科技大學工學碩士學位論文將達 1000 億元。 巨大的國內需求使海洋工程成為船舶工業(yè)新的增長點 2 。用于石油 勘探和開采的海洋工程平臺、船舶與浮式儲油輪（FPSO）及半潛式鉆井船在海況十分 復雜，在深達數(shù)百米至數(shù)千米的海洋中固定，主要方式是系泊鏈系泊。由于鏈條長期 浸泡在海水中，作業(yè)環(huán)境條件惡劣，對它的要求不同于一般的工業(yè)用鏈條鋼、船舶用 錨鏈鋼和礦山用鏈條鋼，系泊鏈必須能經(jīng)得住深海海浪、

31、風力無規(guī)律變力作用，且使 用周期在二十年以上，因此要求系泊鏈用鋼不僅強度高，韌性好，而且還要求具有耐 海水腐蝕、抗疲勞、耐磨損及良好的焊口低溫韌性等特性。當前海洋資源開發(fā)的需求，海洋工程裝備制造業(yè)的高速發(fā)展，為研制與開發(fā)高質 量高級別系泊鏈提供了極大的發(fā)展空間和生機，展示了良好的發(fā)展前景，隨著海洋開 發(fā)的海洋航運的高速發(fā)展，海上安全的守護、護海護航的大型船舶也日益受到重視， 必將得到快速發(fā)展 3。加上國際上各國對石油等能源的強勁需求，海上石油工業(yè)的加 快發(fā)展，世界各國對高級系泊鏈的需求量日益增長。隨著海洋資源開發(fā)的深入發(fā)展，深海采油，海洋勘探，國防建設等海洋設施需要 使用大量的系泊鏈。由于海洋

32、特別是深海長期連續(xù)作業(yè)惡劣的環(huán)境條件，加之海洋設 施本身的大型化和集成化，同時為了應對能源工業(yè)及造船行業(yè)對安全性和高質量的需 求，研究開發(fā)具有更強的綜合性能和更先進的制造工藝的系泊鏈是今后的發(fā)展趨勢。系泊鏈的國內外發(fā)展狀況1.2.1 系泊鏈的制鏈工藝及性能要求由于惡劣的環(huán)境對系泊鏈鋼性能要求苛刻，使得生產(chǎn)系泊鏈鋼的技術要求高，生 產(chǎn)難度大。系泊鏈的制鏈工藝為：下料一電感應加熱一彎曲成鏈環(huán)一接頭閃光對焊一第1章緒論去毛刺f鏈條整體熱處理f成品鏈f拋丸f涂漆f磁粉探傷f檢驗f包裝出廠。對每 環(huán)尺寸精度、焊接、熱處理質量要求具有嚴格的一致性，因為一旦某一個環(huán)出現(xiàn)了問 題，其中有缺陷的鏈環(huán)必須從整個鏈

33、條中取掉而重新制作，這將大幅度地增加能耗， 降低生產(chǎn)效率。系泊鏈對機械、物理和化學性能技術指標要求高。其制造過程要經(jīng)數(shù) 十道工序，質量影響因素多，因系泊鏈“粗、長、重”，制造過程全面進行質量控制十 分困難。為了滿足對外開放及海洋工程發(fā)展的需要，根據(jù)國內實際情況開發(fā)高強韌性 系泊鏈鋼已迫在眉睫。系泊鏈的級別是根據(jù)不同的強度來劃分的。表1.1是著名的DNV 船級社對各個級別系泊鏈的性能要求。表1.1 DNV船級社對不同級別系泊鏈的最低性能要求Tablel.1 Minimum mecha ni cal properties for cha ins in DNV等級CTs/Mpab/Mpa &/%W/

34、%試驗溫度/ C母材沖擊值/J焊口沖擊值/JR3410690175006045-204030R3490770155006549S-204534R45808601250-205038R4S7009601250-205642R576010001250-205844江蘇科技大學工學碩士學位論文第 1 章 緒論國內系泊鏈的發(fā)展現(xiàn)狀系泊鏈鋼技術要求高，生產(chǎn)難度大，產(chǎn)品附加值高、需求量大，其中R4 、R4S、R5 是目前較常用的高級別系泊鏈用鋼。上世紀 70 年代以來，系泊鏈的制造只為少數(shù) 海洋業(yè)和遠洋運輸業(yè)發(fā)達的歐美國家所壟斷，國內近年才有少數(shù)幾家特鋼企業(yè)開始試 制研發(fā)，雖然歷經(jīng)艱難困苦，但碩果累累。

35、1996 年，正茂集團有限責任公司鎮(zhèn)江錨 鏈廠在國內近十家高校、 研究所、鋼廠支持與配合下，完成了 R3、R3S 級系泊鏈的研 制，R4級系泊鏈試制品已通過挪威 DNV ,美國ABS,法國BV船級社的認證。2003 年， R4 級系泊鏈形成批量生產(chǎn)。 此舉縮短了我國與發(fā)達國家海洋工程、 石油平臺高級 別系泊鏈技術的差距，其主要技術性能指標達到國際先進水平，具備與國內外名牌產(chǎn) 品相競爭抗衡的能力。與國內同類的技術和產(chǎn)品相比，在核心技術、產(chǎn)品的主要技術 參數(shù)和產(chǎn)業(yè)化等方面均有重大的突破， 產(chǎn)品的制造設備、 技術和質量均得到全面提升。 鎮(zhèn)江錨鏈廠生產(chǎn)的產(chǎn)品一直暢銷國內外，在國內外有很大的市場占有率，

36、有良好的高 級別系泊鏈的研制與開發(fā)的基礎， 但是要實現(xiàn)更高級別系泊鏈的產(chǎn)業(yè)化、 規(guī)?；a(chǎn)， 為我國船舶工業(yè)發(fā)展和國防提供現(xiàn)代化服務，還有一些技術難題需要克服。國內系泊鏈鋼材料生產(chǎn)商主要有大冶特鋼、興澄特鋼、寶鋼五廠三家。興澄牌78mm 四級系泊鏈鋼生產(chǎn)的系泊鏈，在英國北海油田使用 5 年后的定期例行檢查中， 被評定為“耐腐蝕性能等綜合指標高于歐洲企業(yè)，是世界上質量水平最高的，產(chǎn)品值 得信賴”。 興澄特鋼公司的四級系泊鏈鋼自 1998 年開始研發(fā)。當時，由于各國船級 社只規(guī)定性能要求，沒有統(tǒng)一的化學成分、工藝路線等標準，興澄進行了一年多的摸 索和調試，生產(chǎn)出了填補國內空白的高韌性、高強度四級海

37、洋系泊鏈鋼。當年，該產(chǎn) 品即被評為國家級新產(chǎn)品， 2003 年獲得國家發(fā)明專利的授權。興澄現(xiàn)已與國內最大 的錨鏈廠結成戰(zhàn)略合作伙伴關系， 正在聯(lián)合開發(fā)質量更優(yōu)、 檔次更高的新型系泊鏈鋼。大冶特鋼 2002 年上半年開發(fā)生產(chǎn)四級系泊鏈大規(guī)格鋼 1500 多噸，大冶特鋼是 國內首批試制該品種的幾家企業(yè)之一。其提供給正茂集團的新品種制成的鏈條首次在 美國墨西哥灣工程中一舉中標。大冶特鋼開發(fā)的四級系泊鏈用鋼擁有自主知識產(chǎn)權， 設計中元素 C、Mn 、Cr、Ni 等和 Mn、Cr 當量都有自身獨特的控制范圍 4,5 ，該產(chǎn)品 能在閃光焊接設備能力較差，沒有氬氣保護狀態(tài)下實施焊接時，焊縫在-20 C的V型

38、沖擊功可以達到 60J 以上，產(chǎn)品的各相關性能指標都非常優(yōu)良。2009 年，中國海洋石油總公司訂造的世界第六代 3000 米深水半潛式鉆井平臺， 將全部采用江蘇亞星錨鏈股份公司自主研發(fā)的 R5 超高級別海洋系泊鏈。此前，我國 海洋工程領域所需世界最高級別系泊鏈一直依賴進口，亞星錨鏈就此打破了歐洲企業(yè) 在這一領域的壟斷地位， 3000 米深水半潛式鉆井平臺代表當今世界鉆井平臺先進水 平，而將其固定在海洋上的系泊鏈需具備海洋惡況下的抗風浪、抗沖擊、抗變形、抗 斷裂、抗疲勞等綜合機械性能。由于這一產(chǎn)品技術難度大，生產(chǎn)和檢驗標準嚴格，僅 有瑞典、西班牙等歐洲國家的少數(shù)公司能夠批量生產(chǎn)，我國一直以來只能

39、依賴進口。 從 2007 年開始，亞星錨鏈投入數(shù)千萬元進行自主研發(fā)，最終成功研制出該產(chǎn)品，并 經(jīng)大量試驗證明了其技術可靠性， 最終在國際競爭中擊敗世界知名供貨商， 一舉中標。 亞星錨鏈在 R5 級系泊鏈這一產(chǎn)品的生產(chǎn)技術、生產(chǎn)設備方面均處于國際領先地位， 已具備批量制造該產(chǎn)品的條件。除中海油外，俄羅斯的一家主要石油公司也將采用亞 星錨鏈的 R5 級系泊鏈。亞星公司目前 75% 的產(chǎn)品出口到世界各地， 2008 年，亞星 錨鏈公司靖江本埠生產(chǎn)船用錨鏈、系泊鏈共 13 萬噸，完成銷售 13.5 億元，完成自營 出口 1.4 億美元，加上亞星公司在鎮(zhèn)江、馬鞍山的兩家企業(yè)，亞星公司去年的生產(chǎn)量 達 2

40、2 萬噸，總銷售額達 22 億元。國外系泊鏈的發(fā)展現(xiàn)狀國外系泊鏈的發(fā)展相對較先進，較成熟，世界范圍內比較著名的系泊鏈公司是： 西班牙的 Vicinay Cadenas S.A. 和瑞典的 Ramnas Bruk AB ，這兩家公司目前同國 內的亞星錨鏈一樣，均可以批量生產(chǎn) R5 級系泊鏈，生產(chǎn)的 R4 和 R5 級系泊鏈的熱處 理工藝都使用 Double quenching and tempering (DQT)。韓國的 DAI HAN 和日本的 Hamanaka 兩家錨鏈廠生產(chǎn)的最高級別系泊鏈是 R4 級，使用的熱處理工藝都為 que nching and temperi ng(QT)淬火+

41、回火的調質熱處理。各國的材料情況：目前各國使用的材料，內在物理、化學特性基本一致，區(qū)別不 大，但其外表質量國外強于國內。各國制鏈控制手段：國外自動控制水平比國內高，生產(chǎn)、檢測等主要靠計算機控 制，但國內生產(chǎn)主要由計算機控制，而產(chǎn)品質量檢測多采用人工檢測。國外對系泊鏈的基礎性研究較國內強，如腐蝕、疲勞、磨損、模擬實際使用狀態(tài) 的腐蝕疲勞以及每一鏈環(huán)的實際受力情況等，國內所作的基礎研究工作不系統(tǒng)，大多 錨鏈制造公司正在進行深入研究。系泊鏈的發(fā)展前景中國海洋石油工業(yè)是在 20世紀90年代初才發(fā)展起來的初具規(guī)模的新型工業(yè)。 國內 的市場主要集中在南海、 渤海灣。目前國內有海洋平臺或單點系泊單元大約 1

42、0 座左右， 而中國海洋礦產(chǎn)資源潛在量位居世界第三(見中國海洋 21世紀議程) 6 。世界上現(xiàn) 有海洋平臺或單點系泊單元大約 300 座左右。一般來說，石油鉆井平臺的使用年限為 2030 年，而現(xiàn)有的大量平臺大多建造于 20 世紀70年代中后期或 80年代初期。大多 數(shù)需要更換新設備。除了舊設備的更新，新建平臺數(shù)量也十分可觀。世界各國由于對 海洋資源的需求量猛增，以及海洋颶風、海嘯、頻繁的海洋地震等自然災害對現(xiàn)有海 洋平臺或單點系泊單元的毀壞，實際上這些海洋工程所需的高級別系泊鏈數(shù)量在不斷 地大幅度增長。海上油氣開采設備的增加，導致海上工程結構物也相應增多，而對作為海上工程 結構物固定連接器具

43、的系泊鏈，其需求將愈來愈大。系泊鏈作為海洋采油、采礦裝置 固定物，是不可或缺的安全保障部件，其廣泛應用于海上油氣開采及深海作業(yè)的浮式 生產(chǎn)儲油（FPSO）船79、半潛式平臺和豎筒式生產(chǎn)平臺（SPAR）等裝置，該產(chǎn)品 技術上世紀七十年代開始形成并被瑞典 Ramnas 、西班牙 Vicinay 以及后來的日本 HAMANAK 等少數(shù)國家的廠家壟斷， 30 年來沒有哪個國家能打破他們的市場壟斷地 位。這種系泊鏈既要能經(jīng)得住深海海浪、風力無規(guī)律變化作用，又要能達到 30 年不更 換的質量要求，其技術難度可想而知 10,11 。隨著海洋鉆探和開發(fā)工程技術的不斷進步， 深水的概念和范圍不斷擴大。 20 世

44、紀 90 年代末，水深超過 300 米的海域為深水區(qū)。目前，以大于 500 米為深水，大于 1500 米則為超深水。研究和勘探實踐表明，深水區(qū)油氣資源潛力大，勘探前景良好。據(jù)統(tǒng) 計， 2008 年全球儲量在 4 億桶油當量以上的重大油氣發(fā)現(xiàn)共有 14 個，主要來自海洋 區(qū)域尤其是深海。 14 個重大油氣發(fā)現(xiàn)中， 有 8 個來自深海區(qū)域。 海洋工程已開啟深海 時代，隨著海洋資源的開采向深海進行（目前已達 3800 米），其勘測、采集的平臺或 單點設施系泊所需的系泊鏈也越來越長，為了降低自身的重量，必須采用更高強度的 系泊鏈，這樣才能即降低重量，又不影響強度，因此用更加優(yōu)質的鋼和更先進的制造 工藝

45、制造更高級系泊鏈是系泊鏈產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。系泊鏈對相關產(chǎn)業(yè)的帶動隨世界各國對海洋開發(fā)、海洋航運等民用軍用高級別系泊鏈需求量的快速增長， 除給系泊鏈研制開發(fā)自身帶來巨大商機，產(chǎn)生較大社會效益和經(jīng)濟效益外，本項目的 實施對促進我國及本省的船舶工業(yè)、鋼鐵工業(yè)發(fā)展，提升系泊鏈產(chǎn)品的質量層次，及 國內國際市場的競爭力， 帶動我國鋼鐵工業(yè)及上、 下相關行業(yè)的發(fā)展有重要拉動作用：（1）高級別系泊鏈的研制開發(fā)有利于促進我國的造船工業(yè)發(fā)展。 我國到 2015 年 將成為世界造船大國、強國，系泊鏈的質量提升，產(chǎn)品上層次，系泊鏈的設計制造技 術水平、制造設備達到世界先進水平，將極大帶動全國船用錨鏈質量、制造技術水

46、平 的提升。（2）高級別系泊鏈研制開發(fā)將促進我國海洋資源的開發(fā) 12 。高質量高級別的系 泊鏈是海洋工程平臺與裝置的安全保障。已開發(fā)的 R4 型系泊鏈試驗產(chǎn)品已獲得國際 著名的挪威 DNV ，美國 ABS ，法國 BV ，英國 LR 等造船船級社認證和美國 API （美 國石油協(xié)會）標志使用權。 R4S、R5 高級別系泊鏈對海洋資源開發(fā)，特別是深?；虺?深海的油氣開發(fā)海洋資源的勘探都具有很大的促進和保障作用。（3）高級別系泊鏈的研制開發(fā)可以強有力地帶動我國及本省鋼鐵工業(yè)的發(fā)展。 高級別系泊鏈鏈環(huán)直徑幾十至 195mm ，每環(huán)重達幾十公斤至數(shù)百公斤，是高強度、 高韌性，抗疲勞，耐腐蝕的合金結構鋼

47、制造的，對鋼材的質量要求很高。（4）高級別系泊鏈研制可以促進我國錨鏈生產(chǎn)水平，促進我國的錨鏈工業(yè)的發(fā) 展，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益和社會效益。高級別系泊鏈研制開發(fā)是集材料、機械、自動 控制、焊接、鍛造、熱處理、無損檢測等各類學科與技術的系統(tǒng)工程。5）高級別系泊鏈的制造設備和制造技術將達到國際先進水平，高質量的系泊 鏈將打破國外公司長期的技術壟斷， 產(chǎn)品出口量將成倍增加， 將帶動國內， 船用錨鏈、 系泊鏈的出口，提高國際市場競爭力。合金元素在系泊鏈鋼中的作用實驗所用的 22CrMnNiMo 鋼在成分設計時應滿足如下的材料特性： (1)碳當量 13 應保證大于 1.4 ，以保證在鎮(zhèn)江錨鏈廠現(xiàn)有的工藝條件

48、下，鏈環(huán)焊縫處的抗拉強度及 沖擊韌性良好； (2) 冷裂紋敏感系數(shù) 14 應小于 0.4 ，同時馬氏體開始轉變溫度應大于 350 C,使之保證在制鏈熱處理過程中不產(chǎn)生淬火和回火裂紋。制造系泊鏈的棒材直 徑一般為 70-160mm ，其中 70% 以上都集中在 70-130mm ，所以還必須保證大直徑 鏈環(huán)有足夠的淬透性。碳的作用C 在鋼中與合金元素相互作用形成合金碳化物, 能顯著提高鋼的強度, 同時又可 以提高鋼的淬透性和淬硬性,但也使鋼的塑性降低,并會降低材料的焊接性能, C 也 是顯著提高鋼的脆性轉變溫度的元素之一。如果 C 含量低于 0.18% ,材料的強度和力 學性能指標達不到使用要求

49、，如果 C含量高于0.25%，材料的塑性指標，焊接性能及 低溫沖擊性能達不到使用要求,所以本鋼種 C 含量取在 0.18-0.25% 之間。硅的作用Si在鋼中能溶入鐵素體，能提高合金鋼的強度和硬度，降低鋼的塑性和韌性，但過高的 Si 含量，特別是與 Mn 和 Cr 元素共存時，容易引起鋼的晶粒粗化，增加鋼的 回火脆性，同時 Si 是顯著提高鋼的脆性轉變溫度元素之一。錳的作用Mn 是主加的固溶強化鐵素體元素，顯著提高鋼的強度。在鋼中能溶入鐵素體， 強化基體，在軋后冷卻時能細化珠光體且能相對提高珠光體含量，因此，能提高強度 和硬度，顯著提高淬透性，改善熱處理性能，且對材料的塑性影響較小，當含量過低

50、 時，材料的力學性能和淬透性均很難達到系泊鏈的使用要求，當 Mn 含量過高時，大 大增加了材料的淬火裂紋傾向，且加大了工件淬火后的變形趨勢，對系泊鏈整體淬火 工藝十分不利。鉻的作用Cr 能顯著提高材料的淬透性，同時能提高鋼的抗腐蝕性和耐磨性，能抑制和降低C 的擴散速度，減少鋼在焊接時 C 的燒損，提高焊縫處的力學性能， Cr 還有提高鋼的 淬火及回火穩(wěn)定性的作用， 綜合考慮， 如果含量低于 0.8%材料淬透性達不到要求， 同 時材料抗腐蝕性和耐磨性差， 如果高于 1.4% 材料的塑性指標將收到影響， 同時過高的 Cr 會形成氧化物夾雜，降低鋼的沖擊韌性，增加材料淬火變形。鉬的作用Mo 能提高鋼

51、的淬透性和熱強性， 并能提高鋼的抗腐蝕性和防止點蝕傾向等作用； 可以明顯地改善鋼材焊縫處的淬火特性，減少淬火裂紋，提高焊縫處的沖擊韌性；有 效的抑制鋼中有害元素的偏聚， 是消除或減輕鋼高溫 （第二類） 回火脆性的有效元素。鎳的作用Ni 與 Fe 以互溶的形式存在與鋼中，使之強化，并通過細化晶粒，改善鋼的低溫 性能，特別是韌性，可以明顯的改善鋼材焊縫處的沖擊性能，并提高鋼的淬透性和耐 腐蝕性能。但是，Ni在全世界范圍都是一種比較稀缺的元素， 是一種重要的戰(zhàn)略物資。 作為合金化元素，能不用的盡量不用，不能不用的盡量少用，同時，如果Ni含量過高 會造成氧化鐵皮不易脫落現(xiàn)象，給鏈環(huán)制造工序增加困難。鋁

52、和鈮的作用Al 和 Nb 可以強烈阻礙奧氏體晶粒的長大， Al 提高鋼的抗氧化性， 降低鋼中氣體 含量，提高鋼的耐磨性和疲勞強度，同時提高鋼的低溫性能和耐腐蝕性能，但如果含 量過高，容易形成硬的 Al2O3 夾雜，降低鋼的疲勞壽命，降低鋼的沖擊韌性。Nb 提高鋼的晶粒粗化溫度，降低鋼的過熱敏感性，同時， Nb 對降低鋼中的氣體含量及改 善鋼的低溫沖擊韌性有顯著作用。1.5 提高鋼鐵材料力學性能的方法鋼鐵材料綜合力學性能優(yōu)良、性能可靠、易于大規(guī)模生產(chǎn)，是當今社會建設和發(fā) 展的基礎材料。尤其是大型重工業(yè)機械、國家國防建設不可或缺的主要材料，現(xiàn)代社 會的進步與高新技術的發(fā)展也對傳統(tǒng)的鋼鐵材料領域提出

53、了嚴峻的挑戰(zhàn)，多年來學者 們?yōu)樘岣咪撹F材料的使用性能開展了廣泛的研究工作，研究和生產(chǎn)實踐表明，具有高 強度兼具高韌性的鋼鐵材料是最理想的材料。然而，一般情況下，這兩方面的性能是 相互矛盾的，提高強度的同時，韌性會降低，而韌性提高時也會伴隨著強度的損失。 研究表明，晶粒細化是能同時提高材料強度和韌性非常有效的途徑 15 。1997 年，日本通產(chǎn)省基礎產(chǎn)業(yè)局啟動了由日本五大鋼鐵公司為骨干的“超級金 屬”研究計劃，目標是通過新的工藝路線，把金屬組織控制在超細晶粒的界觀尺度。在日本超級鋼項目的影響下，韓國 1998 年也啟動了“ 21 世紀高性能結構鋼”的國家 項目。在 1998 年我國啟動了“新一代

54、鋼鐵材料的重大基礎研究” ，被列為“ 973 ”第 一批啟動的 10 個項目之一。為了滿足經(jīng)濟和社會發(fā)展的需求，也需要研究和開發(fā)出 高強度和長壽命的新一代鋼鐵材料 16,17 。其目的在于大幅度節(jié)約能源、節(jié)約資源和保 護環(huán)境的前提下研究新一代鋼鐵材料，鋼的晶粒細化研究是發(fā)展新一代鋼鐵材料的研 究重點之一。目前對晶粒細化的技術研究很多，比較成熟的工藝有：形變誘導相變 (deformationinduced transformation) 細化、形變熱處理 (deformation heatingtreatment) 細化、合金化 (alloying) 細化和循環(huán)加熱淬火 (circle heat

55、ing-treatment) 細化技術等等 18 。形變誘導相變細化晶粒形變誘導相變是將低碳鋼加熱到奧氏體相變溫度 Ac3 以上，保溫一段時間，使其 奧氏體化， 然后以一定速度冷卻到 Ar3 和 Ae3 之間，進行大壓下量變形， 從而獲得超 細鐵素體晶粒。在變形過程中，形變能的積聚使 Ar3 點溫度上升，在變形的同時發(fā) 生鐵素體相變，并且變形后進行快速冷卻，以保持在變形過程中形成的超細鐵素體晶 粒。在形變誘導相變細化晶粒中，形變量和形變溫度是兩個最為重要的參數(shù)，隨著形 變量的增加和形變溫度的降低，應變誘導鐵素體相變的轉變量增加，同時鐵素體晶粒 變細19 。形變誘導相變細化晶粒主要應用于鋼鐵材料

56、的控軋控冷生產(chǎn)過程中。在當今 世界該研究領域內也屬重大突破。但是形變誘導鐵素體相變細化晶粒技術的局限性在 于只適用于在相變過程中可發(fā)生奧氏體 - 鐵素體相變的低碳低合金鋼。形變熱處理細化晶粒形變熱處理是在金屬材料上有效地綜合利用形變強化(加工硬化)及相變強化， 將壓力加工與熱處理操作相結合，使成形工藝與獲得最終性能統(tǒng)一起來的一種工藝方法。它不但能夠獲得一般加工處理達不到的高強度與高塑性（韌性）的良好配合，而 且可以大大減化零件或鋼材的生產(chǎn)流程，降低成本，帶來好的經(jīng)濟效益，因而在各國 受到普遍重視， 得到較快的發(fā)展。 成熟的形變熱處理工藝有許多， 但大致可分為兩類： 一是將鋼在較低的奧氏體化溫度

57、進行變形， 然后淬火； 二是將淬火后的鋼進行冷變形， 然后奧氏體化再淬火。目前，鋼的高溫形變熱處理已發(fā)展成理論研究和實際應用都相 當成熟的工藝，在鋼材或零件的生產(chǎn)中得到廣泛的應用。合金化細化晶粒通過對鋼鐵材料微合金化可以有效地細化晶粒，其主要原因為：一是有些固溶合 金化元素（如 W 、Mo 等）的加入提高了鋼的再結晶溫度，同時可降低在一定溫度 下晶粒長大的速度；二是一些強碳氮化物形成元素（如V 、Ti、Nb 等）與鋼中的碳或氮形成尺寸為納米級的化合物，它們對晶粒的長大起強烈的阻礙作用，并且這種納 米級的化合物所占的體積分數(shù)為 2%時，對組織的細化效果最好 20 。但是單純的微合 金化細化晶粒對

58、鋼鐵材料組織超細化有較大的局限性，它往往是結合一定的熱加工工 藝進行綜合細化，才能得到較好的效果。循環(huán)加熱淬火細化晶粒本課題采用循環(huán)熱處理 + 奧氏體相變重結晶結合的熱處理工藝。所以以下重點介 紹循環(huán)淬火的過程原理。循環(huán)熱處理是一種行之有效的晶粒細化工藝，在提高材料綜 合機械性能的同時，在縮短熱處理周期、節(jié)省能耗、生產(chǎn)率高等方面也展示了良好的 前景。其細化原理在于每一次奧氏體化都要經(jīng)歷奧氏體重新形核和長大的過程。只要 加熱溫度不過高，保溫時間不過長，所得奧氏體晶粒比原來奧氏體晶粒就小一些，經(jīng) 過組織轉變保留到室溫的組織也就更加細小。國外在應用循環(huán)熱處理細化金屬合金方 面已取得了長足的進展，有的

59、已進入了生產(chǎn)實用階段。國內科技工作者也紛紛開展循 環(huán)熱處理的實際應用研究。謝艷峰、任學平 21 等對 32Cr2MoV 鋼采用兩次循環(huán)淬火 加熱處理后獲得的平均晶粒尺寸為 11.9阿，比常規(guī)的調質工藝獲得的28.3 口減小 了 60% 。綜合性能也有明顯的提高。當循環(huán)次數(shù)增加時，晶粒還進一步細化，韌性增 加，但強度與兩次加熱相比有一定的降低。英國學者 B.A. Stetsenko 22利用 double quenching and tempering(DQT) 技術對齒輪鋼進行熱處理，得出的結論是 DQT 是 提高強韌性的有效方法，但對于經(jīng)過第一次淬火發(fā)生強烈變形的工件不適宜進行第二 次循環(huán)加

60、熱淬火處理。 日本學者 Yoshihiko Kamada 、Kazushi ohnishi 23 等采用 DQT 熱處理技術對低碳超高強度鋼進行熱處理后，發(fā)現(xiàn)與一次淬火調質處理比較，晶粒從 50 pm細化到15 以下，強度變化不大，但韌性明顯提高，從 50J提高到約150J。1.6 本課題研究的重要意義及創(chuàng)新性課題研究的意義保障海上工程安全可靠，促進人類對海洋資源的開發(fā)。高質量系泊鏈是海洋工程 裝置及船舶安全保障生命線。生產(chǎn)高質量系泊鏈的三個最重要的影響因素是：原材料 的選擇、焊接工藝制定和鏈條的熱處理，隨著石油鉆井平臺等海洋工程領域向深海的 發(fā)展，必須通過增加系泊鏈的規(guī)格來滿足更好的力學性能