海洋平台爬升齿轮轴的开发与研究

海洋平台爬升齿轮轴的开发与研究

唐亚宁

韶关市中机重工股份有限公司广东韶关512000

摘要：自升式海洋平台爬升装置系统是钻井平台设备装置中的关键组成部分。本文主要阐述了平台升降装置中关键部件爬升齿轮轴的产品研发、生产工艺中关键问题的解决方案、材料性能与制造工艺的对应关系及实现路线。

关键词：爬升齿轮轴研发、技术工艺与材料性能指标的相互影响、解决方案

1.概述

自升式平台是海洋工程装备最重要的装备.随着能源的发展、海洋石油天然气的钻探、海洋施工等,需要大量的自升式平台。平台的发展衡量了一个国家海洋工程装备的水平。目前，海洋平台分为石油钻井平台、采油平台、修井平台、施工工程平台、生活服务平台等。近年来，随着我国装备制造业的发展,在平台制造技术上取得了突飞猛进的进步，我国现已成为世界上最主要的平台制造国和供应国。

2.项目要求

从上世纪90年代以来,爬升装置由以前的插销式进步为桁架式的齿轮齿条式。桁架式自升平台依靠爬升装置进行上下运动，以达到钻井、工程施工的目的。爬升齿轮轴是升降装置中最关键的零部件，每个齿轮最大工作载荷为600吨，并需要通过风暴试验，其许用应力要达到工作应力的2.5倍以上，所以对爬升齿轮轴材料要求性能比较苛刻,需要材料具有高强度、高耐疲劳性、高低温冲击韧性、高可靠性等特点；例如JU2000E平台(400英尺)的爬升齿轮轴的性能要求如下:

按照船级社要求，该零部件均为本体取样，所以对部件的制造工艺和设计提出了新的要求。针对该材料的高性能要求，我公司于2007年开始进行研制开发，开发的产品已成功取代韩国、德国进口。

3.研发方案

3.1.原料的制备

综合使用性能，一般选择材质为40CrNiMo、34CrNiMo6以及4340V。我公司选取40CrNiMo作为基础钢种，进行成分调整及优化设计，将C、Ni、Mo进行了调整。在提高低温冲击强度的情况下,增加Ni的含量是最有效的。所以我们将Ni提高到上限，在保证强度的情况下，将C含量调整到下限，然后专攻本体低温冲击韧性。保证淬透性跟强度的情况下，对成分进行重新的优化设计。具体见表2：

控制原料五害元素之和≤0.030%,气体成分[H]≤1.5ppm、[O]≤15ppm、[N]≤80ppm，P和S的含量之和≤0.015%。

冶炼工艺采取电炉+LF+RH+电渣重熔。采用电渣重熔钢锭，可以提高钢的纯洁度，明显改善钢的塑性及韧性，减少枝晶偏析，组织均匀，杜绝了疏松和缩孔的产生。因此，电渣重熔钢锭可以明显改善锻件的等向性。

3.2.锻造生产工艺

3.2.1加热

我公司选则室式加热炉，采用阶梯式加热的工艺进行钢锭升温加热，以减轻钢锭组织热应力，使加热均匀，组织转变均匀。正常情况下可稍微提高加热温度，并延长加热时间，以使原料中心的金属碳化物偏析进行均匀扩散。

3.2.2锻造方式的改进

传统锻造方式是采取自由锻成型，该种锻造方式有以下缺点：金属流线不合理；各部位变形不均匀，是通过圆棒压台的方式来进行生产。

我公司采取锻造前开坯的方式，过程中采取小十字交叉的开坯锻造法，锻造比达到6以上，可最大程度的改善原料原始的成分不均匀、枝晶偏析等缺陷；成型锻造采用专用的模具进行锻造成型；合理控制各部位的变形比，其中齿缘部位的变形比≥7；满足了产品等向性能及晶粒度的要求。通过两种方式的结合,使锻件达到了组织均匀,流线合理,变形比均匀、提高了产品的等向性能

3.2.3锻后热处理

锻后快速冷却至300℃-400℃左右装电炉进行正火回火。

锻造是基础性的关键工序，它直接影响晶粒度、偏析结构、流线结构、变形是否均匀，是热处理之前重要的基础阶段。锻后合理的正火+回火可获得良好的组织晶粒度,而只有均匀细化的晶粒组织才能使锻件在调质后获得好的机械性能指标，满足产品要求。

3.3热处理

爬升齿轮轴的直径厚度大小不一,根据不同的产品规格,采用不同的调质热处理工艺。特别是大型爬升齿轮轴,由于本体取样，取样部位截面较大，要求在调质过程中淬透层深度达到200mm以上。根据CCT曲线，我们通过调整时间及转变温度曲线，及控制冷却方式，主要是控制工件的前期及后期的冷却速度，减少残余奥氏体、避免贝氏体出现,以达到我们需要的细小屈氏体,同时做到亚晶细化；以达到晶粒细化的综合目的。

综合机械性能比较高的关键点是高强度和高的低温冲击韧性，但是抗拉强度与冲击功是相互矛盾的两个性能指标，解决这种矛盾的出发点就是细化晶粒、亚晶结构均匀化，只有这样才能综合平衡两个性能的相互制约。

3.4性能检验

我司产品检验数据如下：

针对超高强度性能的要求，也可以采用分阶段二次淬火，如4340V通过分阶段二次淬火，其抗拉强度可达1240Mpa以上,冲击功AKv≥69J(-40℃)。

在正确的锻造和热处理工艺下,强度值和低温冲击功有一定的相关性，也就是说强度越高，低温冲击功在一个范围内可以达到一个最高值，其原因就是细小的屈氏体组织和亚晶结构均匀化。

4.结束语

通过爬升齿轮轴的开发与研究，为达到高的综合机械性能值，有下列技术关键点：

4.1.钢的纯净化是基础，采用国内先进钢铁企业宝钢的原料，严格控制钢中的气体及五害元素，再进行进一步提纯制备，电渣重熔，获得纯净的原材料；

4.2.锻造工艺要进行大的变形比，并通过自由锻与模锻相结合，控制流线及锻造变形比。尤其关键部位（齿缘）的变形比，以获得良好的锻件产品；

4.3.分阶段的淬火或者两次淬火，分阶段的回火或者三次回火，以达到比较均匀、细化的组织，明显提高产品整体综合性能，满足材料使用要求。

参考文献

[1]合金钢钢种手册.第一册冶金工业出版社,1983.

[2]张丽颖付学义闫俊萍冷却速度对等温转变孕育期的影响[J].包头钢铁学院学报,2001.

[3]中国机械工程协会热处理协会.热处理手册：第1卷［M］．4版．北京：机械工业出版社，2008：163-165.