一种适用于FPSO系泊吸力锚铸件吊耳的冶炼工艺

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，具体而言，特别是涉及一种适用于FPSO系泊吸力锚铸件吊耳的冶炼工艺。

背景技术

FPSO(Floating Production Storage and Offloading)，即海上浮式生产储油卸油船。FPSO是对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原油产品的储存和运输，集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性的大型海上石油生产基地。与其他形式石油生产平台相比，FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储卸油能力大，以及可转移、重复使用的优点，广泛适合于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，已成为海上油气田开发的主流生产方式。与常规浮式生产储卸油装置船型相比，圆筒型浮式生产储卸油装置生产工艺更复杂、空间布置更紧凑、集成化程度更高、施工技术要求更严格。

国内某深水油气田开发项目建造亚洲第一艘6万吨级圆筒型FPSO，此FPSO通过锚链，与12个吸力锚多点系泊，吸力锚铸件吊耳作为系泊节点，单根锚链承受系泊力达到24105KN，对-20℃低温冲击要求高，后续将在南海深海区域入泥21米，服役25年，期间无检修，工况苛刻恶劣，是项目成败的关键。考虑6万吨级圆筒形FPSO系泊采用吸力锚锚链系泊，深水恶劣海况对6万吨级圆筒形FPSO系泊要求严苛，此铸件吊耳通常采用ASTM A148 90-60材质，抗疲劳性能优，但是与海洋钢结构焊接性能难保证；吊耳连接系泊锚链处结构为圆柱体结构，直径达到395mm厚，尺寸厚大以及圆柱体结构导致芯部的机械性能强度难以达到设计值，以往项目均国际采办此类型铸件吊耳，购置费用为国产化的3倍，供货周期为一年以上，为深水油气田开发关键产品，其国产化成功研发应用至关重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种满足铸件吊耳的力学性能和检验要求的国产化材料适用于FPSO系泊吸力锚铸件吊耳的冶炼工艺。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于FPSO系泊吸力锚铸件吊耳的冶炼工艺，包括以下步骤：

S1：确定铸件吊耳材料的化学内控成分；

S2：将上述成分采用电弧炉进行初炼；

S3：进行AOD炉精炼；

S4：精炼完毕进行取样化验；

S5：根据化验结果微调成分并取样全面分析；

S6：分析结果及温度达到要求后进行出钢浇注。

根据本发明优选的一个实施例，所述步骤S1中，化学内控成分中各成分的最大占比分别为：C：0.18％；Si：0.60％；Mn：1.70％；P：0.02％；S：0.01％；Nb：0.03％；V：0.08％；Mo：0.20％；Ni：1.20％；Cu：0.25％；Ti：0.02％；Cr：0.15％；AL：0.05％；N：0.01％；Cev：0.50％。

根据本发明优选的一个实施例，所述Si的最小占比分别为0.90％。

根据本发明优选的一个实施例，所述步骤S2中，应优选控制含碳量，其它化学成分依据内控要求的中下限配制。

根据本发明优选的一个实施例，所述步骤S2中，电弧炉熔炼时采用三根直径390-410mm的石墨电极加热，电极行程2900-3100mm。

根据本发明优选的一个实施例，所述步骤S2中，开炉前应检查炉衬、供电供水系统和机械系统并保证完好。

根据本发明优选的一个实施例，所述步骤S3中，应预先将AOD炉衬用煤气烘烤器进行烘烤，再加入适量优质石灰把AOD炉衬和石灰一起烘烤到750-850℃。

根据本发明优选的一个实施例，所述AOD炉衬材料为镁钙质。

根据本发明优选的一个实施例，所述步骤S3中，用氩气和氧气比例为1：4的混合气体进行吹氧去碳。

根据本发明优选的一个实施例，所述步骤S6中，浇注温度是1530 -1560℃。

本发明的技术效果在于：

本发明一种适用于FPSO系泊吸力锚铸件吊耳的冶炼工艺，通过对化学元素的控制，采用电弧炉和AOD精炼炉双炉联法冶炼，AOD精炼大大降低氧化物和硫化物多种非金属杂质物，控制氮元素，有效改善铸钢件裂纹和气孔这些铸造缺陷，最终研制出满足铸件吊耳的力学性能和检验要求的国产化材料，实现深海圆筒形FPSO系泊的工程应用。

附图说明

图1是本发明一种适用于FPSO系泊吸力锚铸件吊耳的冶炼工艺的铸件吊耳的结构示意图；

图2是本发明一种适用于FPSO系泊吸力锚铸件吊耳的冶炼工艺的铸件吊耳晶相组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对发明的限定。

如图1至图2所示，一种适用于FPSO系泊吸力锚铸件吊耳的冶炼工艺，包括以下步骤：

S1：确定铸件吊耳材料的化学内控成分；

S2：将上述成分采用电弧炉进行初炼；

S3：进行AOD炉精炼；

S4：精炼完毕进行取样化验；

S5：根据化验结果微调成分并取样全面分析；

S6：分析结果及温度达到要求后进行出钢浇注。

本发明铸件吊耳材料标准ASTM A148中对90-60材质化学成分给出最大限制，为满足相关要求，实际铸造生产需制定合理的内控化学成分以达到相关力学性能，并减少铸件产生裂纹的倾向。内控化学成分分别对碳、硅、锰、钼、镍元素进行了不断调整试验，最终在满足材料标准的前提下调配出符合高强度机械性能的90-60材料，考虑到此铸件吊耳需要跟吸力锚筒体焊接，严格控制碳当量不超过0.53，保证铸件吊耳低合金钢和碳钢的可焊性，本国产化铸件吊耳需具有更严格的基体组织和致密度，生产过程及完成后，要求对产品执行严格的检验要求，在冶炼过程中，为提高钢液纯净度，本铸件吊耳采用30吨电弧炉初炼和AOD炉双联炉精炼，冶炼过程吹氧除碳，加入石灰造渣，纯氩气搅拌，大大降低氧化物、硫化物等非金属杂质物，控制氮元素，保证钢水的纯净度，有效改善铸钢件裂纹、气孔等铸造缺陷，最终研制出满足铸件吊耳的力学性能和检验要求的国产化材料，实现深海圆筒形FPSO系泊的工程应用。

具体地，本发明通过冶炼过程合理的化学内控成分，化学元素严格控制，避免产生铸造和淬火裂纹的倾向性，以防降低厚大铸件吊耳后期热处理空冷时的韧性，并进行机械性能试验和晶相分析，同时考虑到此铸件吊耳需要跟吸力锚筒体焊接，严格控制碳当量不超过0.53，保证铸件吊耳低合金钢和碳钢的可焊性。

对于铸件吊耳直径高达395mm的把手芯部，其屈服强度芯部要求415Mpa、抗拉强度550Mpa、延伸率20％和断面收缩率40％，考虑淬透深度，此要求是极其高的，通过冶炼方面等关键技术难点的控制，形成一套可靠的冶炼工艺，满足吸力锚25年入泥无检修的力学性能要求。此系泊吸力锚铸件吊耳为深水项目关键设备材料，铸钢材料国产化研制至关重要。

C和Si含量增加，提高强度，但太高的含量会降低韧性。Mn能提高强度，同时不显著降低塑性和冲击韧性，但含量达到1％以上时，对塑性和冲击韧性影响明显。Mo元素能细化晶粒，提高钢强度。Ni能提高钢强度，并能提高低温冲击韧性。化学成分决定组织，组织决定性能。调配化学成分以研制满足机械性能的铸件吊耳是基础。

考虑到此铸件吊耳需要跟吸力锚筒体焊接，严格控制碳当量，保证铸件吊耳低合金钢和碳钢的可焊性是难点。冶炼采用电弧炉和AOD精炼炉双炉联法冶炼，冶炼过程吹氧除碳，加入石灰造渣，纯氩气搅拌，大大降低氧化物、硫化物等非金属杂质物，控制氮元素，保证钢水的纯净度，有效改善铸钢件裂纹、气孔等铸造缺陷。最终研制出满足铸件吊耳的力学性能和检验要求的国产化材料，实现深海圆筒形FPSO系泊的工程应用。

具体地，铸件吊耳技术要求：

铸件吊耳作为重要的受力核心部件，结构复杂、受力大，材料采用结构用高强度钢铸件标准规范ASTM A148，以往项目国际采办吊耳材料为90-60级，化学内控成分中各成分的最大占比分别为：C：0.18％；Si：0.60％；Mn：1.70％；P：0.02％；S：0.01％；Nb：0.03％；V：0.08％；Mo：0.20％；Ni：1.20％；Cu：0.25％；Ti：0.02％；Cr：0.15％；AL：0.05％；N：0.01％；Cev：0.50％；Si的最小占比分别为0.90％。

力学性能见下表1：

表1

具体地，熔炼：对标以往工程项目国际化采办吊耳材料特征，开展国产化材料研制。

化学成分：

上述化学成分仅仅是成分最大限制，为满足相关要求，实际铸造生产需制定合理的内控化学成分以达到相关力学性能，并减少铸件产生裂纹的倾向。内控化学成分分别对碳、硅、锰、钼、镍元素进行了不断调整，并进行机械性能试验和晶相分析。

化学元素严格控制，避免产生铸造和淬火裂纹的倾向性，以防降低厚大铸件吊耳后期热处理空冷时的韧性，同时考虑到此铸件吊耳需要跟吸力锚筒体焊接，需保证铸件吊耳低合金钢和碳钢的可焊性。最终试验结果表明：C和Si含量增加，提高强度，但太高的含量会降低韧性。Mn能提高强度，同时不显著降低塑性和冲击韧性，但含量达到1％以上时，对塑性和冲击韧性影响明显。Mo元素能细化晶粒，提高钢强度。Ni能提高钢强度，并能提高低温冲击韧性。

电弧炉初炼：

国产化吸力锚铸件吊耳机械性能详见表1，对于铸件吊耳直径高达395mm的把手芯部，考虑淬透深度，其屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率要求是极其高的，本国产化铸件吊耳需具有更严格的基体组织、致密度，生产过程及完成后，要求对产品执行严格的检验要求，在冶炼过程中，为提高钢液纯净度，本铸件吊耳采用30吨电弧炉初炼和AOD炉双联炉精炼，而铸钢一般采用电弧炉熔炼出钢直接进行浇注。

电弧炉初炼：电弧炉熔炼时采用三根直径400mm的石墨电极加热，电极行程3000mm。考虑到此铸件吊耳材料含碳量需控制在0.18％以下，远远小于普通碳钢含碳量，因此熔炼金属要求采用优质废钢、铁合金、造渣石灰等，并严格控制残余元素含量，在电弧炉初炼时完成脱磷工作，开炉前检查炉衬、供电供水系统、机械系统等是否完好。初炼钢液，控制含碳量、其它化学成分依据内控要求的中下限配制，控制电弧炉的出钢温度，进入AOD炉采用的中间包提前预热烘烤，并进行钢水包样分析。

AOD炉精炼：

AOD炉精炼：本国产化铸件吊耳为高机械性能低合金钢，采用电弧炉初炼钢水，后通过30吨AOD炉精炼钢水，炉衬材料为镁钙质，冶炼时炉嘴冲上，添加合金时，将AOD炉放平或用行车吊装料斗添加。

为了减少初炼钢液的降温，预先将AOD炉衬用煤气烘烤器进行烘烤，再加入适量优质石灰把AOD炉衬和石灰一起烘烤到800度左右，入炉后用氩气和氧气比例为1：4的混合气体进行吹氧去碳，增碳质配比0.8％，通过向钢液中吹氧，脱碳反应是C与O化学反应生成CO，最终将含碳量控制在0.18％以下，又通过吹氩，降低CO分压，促进反应彻底进行。同时，气体以高速吹入熔池深处，用纯氩气搅拌，进入还原期，能使钢液和炉渣充分混合，增加熔池中的反应速度，从而可以快速降碳到0.01％以下，AOD还原过程中，在氩气强烈搅拌下，钢渣混合脱硫效果佳，有效降低有害元素的含量，保证铸造质量。还原期根据氧化期的用氧量和钢液重量来计算所需的铝量所需的石灰量，氩气搅拌时间应根据炉内钢液的质量而定，此阶段任务是提温化渣搅拌，随后逐渐调整氩气和氧气比例，

经过AOD精炼的钢液，由于有氩气的搅拌，精炼过程中始终有无数的氩气泡，等同于钢液真空室，钢液中的氮、氢、一氧化碳扩散进入氩气泡中，氩气泡上升搅动了钢液，钢液中的夹杂物也上浮进入炉渣，从而达到纯净钢液的目的，提高钢液流动性，适当降低浇注温度。

在AOD精炼过程中各元素控制是关键点。比如N元素，N含量过高铸件会产生孔隙缺陷，N含量过低会导致铁素体过高，在AOD精炼时可以直接向炉内吹入氮气，操作简单，也有效降低成本。

精炼完毕对钢包进行取样化验，根据化验结果，按要求微调成分并取样全面分析，温度达到要求出钢，浇注温度应根据铸件的结构、大小、壁厚等具体情况而定。我们此铸件吊耳设计浇注温度是1530 -1560℃，取中限值。

具体地，熔炼结果：

统计不同炉号、化学成分、力学性能如下表2：

表2

对晶粒度进行测试，测试标准为ASTM E112,晶粒度数为11.5级，平均铁素体含量为49％-58％，如图2为放大倍数500倍的晶相组织。经百分百磁粉、超声和射线检验，无裂纹和气孔等缺陷。

具体地，结论：

铸造工艺中首要最关键的是控制化学成分，化学成分决定组织，组织决定性能。国产化铸件吊耳通过对碳、硅、锰、钼、镍化学元素的控制，采用电弧炉和AOD精炼炉双炉联法冶炼，AOD精炼大大降低氧化物、硫化物等非金属杂质物，控制氮元素，有效改善铸钢件裂纹、气孔等铸造缺陷，最终研制出满足铸件吊耳的力学性能和检验要求的国产化材料，实现深海圆筒形FPSO系泊的工程应用。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。