芮曉龍 習(xí)天輝 郭 斌

(武鋼研究院 湖北 武漢:430080)

正火高強(qiáng)度壓力容器用鋼的研究進(jìn)展

芮曉龍 習(xí)天輝 郭 斌

(武鋼研究院 湖北 武漢:430080)

對國內(nèi)外正火型高強(qiáng)度壓力容器用鋼的發(fā)展情況進(jìn)行了調(diào)研,分析了國內(nèi)正火高強(qiáng)度壓力容器用鋼的研制思路,并對國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解析,提出了新一代高韌性正火高強(qiáng)度壓力容器用鋼的研制構(gòu)想。同時(shí)對新鋼材的市場應(yīng)用前景及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了初步的探討。

正火;高強(qiáng)度鋼;壓力容器;二甲醚

我國常溫(設(shè)計(jì)溫度>-20℃)球形壓力容器用低合金鋼基本上可分成兩大類:非調(diào)質(zhì)鋼和調(diào)質(zhì)鋼[1]。微合金非調(diào)質(zhì)鋼是一種高效節(jié)能鋼,經(jīng)熱鍛或熱軋后其力學(xué)性能即達(dá)到中碳調(diào)質(zhì)鋼的水平,由于取消了淬火、高溫回火工序,從而簡化了生產(chǎn)工藝,降低了能耗,提高了材料利用率,改善了零件質(zhì)量,降低了制造成本(25%～38%),具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[2]。正火高強(qiáng)度壓力容器用鋼是一種鐵素體+珠光體型的非調(diào)質(zhì)鋼,隨著石油、石化、化工、能源、交通、城建等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軌毫θ萜饔娩摰氖袌鲂枨?國內(nèi)正火高強(qiáng)度壓力容器用鋼已形成了系列產(chǎn)品,一定程度上頂替了進(jìn)口,為國家大型成套工程用鋼國產(chǎn)化做出了突出貢獻(xiàn),企業(yè)效益和社會效益十分顯著。

1 正火高強(qiáng)度壓力容器用鋼的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)概況

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中的正火型壓力容器鋼主要有原國標(biāo)GB 6654-1996《壓力容器用鋼板》中的16MnR、15MnNbR兩個牌號,2008年GB 6654被GB 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》所取代,其中的正火型高強(qiáng)鋼的牌號也相應(yīng)的變更為Q345R、Q370R。表1為一些國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中對常用的正火型低合金高強(qiáng)鋼(以下簡稱正火高強(qiáng)鋼)的化學(xué)成分要求,表2為其力學(xué)性能要求。

表1 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中正火高強(qiáng)鋼化學(xué)成分要求/(wt%)

從表1、表2中可以看出,目前國內(nèi)還沒有屈服強(qiáng)度大于420MPa或同級別的正火高強(qiáng)鋼,WH590D鋼對于CE無要求,這就使其在壓力容器制造和使用過程的焊接性能得不到保障。

目前國外生產(chǎn)屈服強(qiáng)度高于420MPa、抗拉強(qiáng)度高于570MPa的正火高強(qiáng)鋼的只有日本和歐洲(德國)[3]。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有日本JIS G 3115-1990《壓力容器用鋼板》,代表鋼號為SPV450和SPV490,以及德國DIN EN 10028-3:1993《壓力容器扁用鋼第3部分焊接用細(xì)晶粒正火結(jié)構(gòu)鋼》,代表鋼號為P460N。表3、表4為國外標(biāo)準(zhǔn)中屈服強(qiáng)度高于420MPa、抗拉強(qiáng)度高于570MPa的正火型高強(qiáng)鋼代表鋼種的化學(xué)成分和力學(xué)性能要求。

從表3和表4中可看出,SPV450和P460N的屈服強(qiáng)度要求分別為不小于450MPa和不小于460MPa,抗拉強(qiáng)度不小于570MPa,在開發(fā)我國新一代屈服強(qiáng)度420MPa級正火高強(qiáng)鋼時(shí)可參考以上兩個鋼種的相關(guān)指標(biāo)。

表2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中正火高強(qiáng)鋼力學(xué)性能要求

表3 國外標(biāo)準(zhǔn)中正火高強(qiáng)鋼化學(xué)成分要求/(wt%)

表4 國外標(biāo)準(zhǔn)中正火高強(qiáng)鋼力學(xué)性能要求

2 正火高強(qiáng)度壓力容器用鋼國內(nèi)外產(chǎn)品體系

由于非調(diào)質(zhì)鋼在生產(chǎn)上有很大的優(yōu)勢。美國、日本和歐洲開發(fā)出了大量采用非調(diào)質(zhì)技術(shù)生產(chǎn)的壓力容器用鋼[3]。表5列出了國外開發(fā)的非調(diào)質(zhì)壓力容器鋼所對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度級別分布情況。從表5可以看出,現(xiàn)在國外的非調(diào)質(zhì)壓力容器鋼的抗拉強(qiáng)度已經(jīng)從300MPa一直延伸到570MPa。在分布上可以看出日本JIS標(biāo)準(zhǔn)劃分得較為細(xì)致,從400MPa到570MPa的每個級別上都有對應(yīng)的鋼種。

表5 國外非調(diào)質(zhì)壓力容器鋼抗拉強(qiáng)度級別分布表

國內(nèi)生產(chǎn)情況方面,武鋼于“九五”期間已成功自主開發(fā)了四大系列(調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼、正火高強(qiáng)度鋼、低溫鋼、中溫抗氫鋼)十余個品種的高性能壓力容器用鋼,年供貨量均在40000t。目前除調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼外的其余鋼種主要采用正火或正火+回火的工藝進(jìn)行生產(chǎn)。國內(nèi)其他鋼廠也對壓力容器用鋼進(jìn)行開發(fā)研究。舞陽鋼鐵公司的研究人員按照CF62鋼的技術(shù)要求,設(shè)計(jì)了一種620MPa級非調(diào)質(zhì)壓力容器鋼,鋼種牌號為WDB620。

60年代中期至80年代中期,我國公稱容積50m3以上的球形儲罐用正火型低合金高強(qiáng)度壓力容器鋼板有16MnR、15MnVR和15MnVNR三個鋼號[7]。其中16MnR(含16MnDR)雖在壓力容器行業(yè)廣泛使用,但強(qiáng)度級別較低,冶金質(zhì)量普遍較差,鋼板性能不夠穩(wěn)定,而15MnVNR雖強(qiáng)度級別較高,但焊接性差,15MnVR的沖擊韌性和焊接性亦不理想,故不能滿足國內(nèi)壓力容器制造的要求。因此,九十年代初,武鋼根據(jù)市場需求研制開發(fā)了一種MnNb系列低合金高強(qiáng)度鋼板15MnNbR,武鋼企業(yè)牌號為WH530。該種鋼板的強(qiáng)度和沖擊韌性優(yōu)于16MnR鋼板,焊接性能和抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能與16MnR相近。且其沖擊性能實(shí)驗(yàn)性能優(yōu)于國內(nèi)15MnVR,也優(yōu)于日本SPV355和歐洲P355N;WH530鋼板也具有良好的抗拉強(qiáng)度,厚度大于36mm鋼板的抗拉強(qiáng)度下限值較相應(yīng)厚度的15MnVR、16MnR鋼板分別高出6.1%和10.6%[7]。目前,WH530鋼已廣泛應(yīng)用于制造氧氣球罐、丙烯球罐和液化石油氣球罐的制造中,WH530已基本取代16MnR(Q345R)鋼,成為制造液化石油氣球罐的主流鋼種。

在石油化工的介質(zhì)中,H2S是比較常見的氣體。由于存在H2S應(yīng)力腐蝕的原因,化工容器用低合金鋼(包括焊接接頭)的強(qiáng)度需符合要求[8]:ReL≤355MPa,Rm≤630MPa。雖然近年來隨著低合金鋼冶煉水平的提高和石油化工介質(zhì)中H2S含量的控制,對鋼材強(qiáng)度的限制有所放松,但是WH530鋼的強(qiáng)度級別已達(dá)到了液化石油氣球罐所能選擇材料的極限值。若想開發(fā)更高強(qiáng)度級別的正火高強(qiáng)鋼,開拓新的市場,就必須尋求新的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 正火高強(qiáng)度壓力容器鋼成分與工藝研究

歐美和日本等國以低C及Mn-Nb元素為基本成分,采用控制軋制和控制加速冷卻的方法開發(fā)了一系列控軋鋼。20世紀(jì)70年代許多國家對一些重要用途的壓力容器鋼,則致力于提高鋼的冶金質(zhì)量,在冶煉上十分重視控制鋼中的微量雜質(zhì),從而提高壓力容器的安全可靠性。在微合金元素的利用上,主要是利用Nb和V來細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化,其中特別注意Ti的利用,在Ti處理鋼(0.01～0.02 wt%Ti)和含Ti鋼(0.1wt%Ti)上下了不少功夫。另外采用Nb、V、Ti及其他元素的復(fù)合微合金化上,充分發(fā)揮各元素的特點(diǎn),獲得最佳效果。微量B在鋼中的作用日益受到重視[10]?？刂坪屠娩撝械腘以充分發(fā)揮氮化物的有利作用已被提到相當(dāng)高度。Ti-Nb及Ti-Nb-N復(fù)合合金化還能改善鋼的焊接性能,改善大熱輸入焊接后的沖擊韌性[11]。

控制軋制過程中廣泛使用的Nb、V、Ti等微合金元素主要起到細(xì)化晶粒及析出強(qiáng)化作用。主要體現(xiàn)在[12]:1)在鋼的加熱過程中,隨著加熱溫度的提高及保溫時(shí)間的延長,奧氏體晶粒變得粗大,而粗大的奧氏體晶粒對鋼材的機(jī)械性能不利。加入Nb、V、Ti等微合金元素后,由于微量元素形成高度彌散的碳氮化合物顆粒,可以對奧氏體晶界起“釘扎”作用,從而阻止奧氏體晶界遷移,阻止奧氏體晶粒長大;2)微合金元素(尤其是Nb和V)能夠影響奧氏體再結(jié)晶的臨界變形量、再結(jié)晶溫度、再結(jié)晶速度以及再結(jié)晶的晶粒大小,對奧氏體再結(jié)晶起抑制作用;3)由于微合金元素的加入,一方面阻止奧氏體晶粒長大,另一方面又能阻止奧氏體再結(jié)晶的發(fā)生,因而細(xì)化了鐵素體晶粒。Nb細(xì)化鐵素體晶粒的效果最為明顯,Ti次之,V最差。而且隨Nb含量的增加,開始時(shí)效果顯著,當(dāng)Nb含量達(dá)到0.04%以后,隨含Nb量的增加鐵素體晶粒基本不變;4)細(xì)化晶粒是唯一可以同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性的方式,其它如沉淀強(qiáng)化、相變強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化等機(jī)制使強(qiáng)度提高的同時(shí)韌性降低,Nb、V、Ti的加入可獲得很好的細(xì)晶強(qiáng)化效果。另外,微合金元素的強(qiáng)化效果還與它的元素種類、含量及冷卻速度有關(guān)。在一定成分下有一個能最有效發(fā)揮沉淀強(qiáng)化的最佳冷卻速度。

Ni在結(jié)構(gòu)鋼中是輔助元素,它能細(xì)化晶粒,對鐵素體有較好的強(qiáng)化作用。Ni的主要作用是擴(kuò)大奧氏體區(qū),降低鋼的臨界冷卻速度,提高鋼的淬透性,提高鋼的強(qiáng)度,而不降低其塑性,改善鋼的韌性。Ni本身具有一定耐蝕性,對一些還原性酸類有良好的耐蝕能力。在正火型低合金高強(qiáng)鋼中,稀土元素也是重要的微合金化元素[13]。稀土元素可固溶于鐵素體中,它可使CCT曲線右移,提高過冷奧氏體穩(wěn)定性。稀土元素還可降低鋼的馬氏體點(diǎn)。

通過以上對分析可以看出,正火高強(qiáng)鋼研制的一般思路為:在鋼中選擇性地添加Nb、Ti、V、Ni、稀土等微合金元素,選擇合適的元素組合控制含量范圍,采用適當(dāng)?shù)恼馃崽幚砉に?研究鋼的強(qiáng)韌性機(jī)理,得到所需性能的鋼材。

4 正火高強(qiáng)度壓力容器鋼新的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著國際石油價(jià)格的不斷攀升,以及大規(guī)模低成本二甲醚生產(chǎn)工藝的日趨成熟,二甲醚(Dimethyl ether,簡稱DME)這種環(huán)境友好型物質(zhì),由于其良好的產(chǎn)品性能及優(yōu)越的環(huán)保性能,越來越為人們所接受,作為新型能源的替代優(yōu)勢日趨明顯[14]。

目前,世界上絕大部分的二甲醚生產(chǎn)裝置建在亞洲地區(qū)。近十年來亞洲地區(qū)新增投產(chǎn)的DME產(chǎn)能已達(dá)100萬噸/年,幾乎全在中國。表7為亞洲地區(qū)2010～2020年二甲醚消費(fèi)市場的需求預(yù)測。

表7 亞洲地區(qū)2010～2020年二甲醚消費(fèi)市場需求預(yù)測 單位:100萬噸/年

從表7中可以看出,中國對DME的需求是非常大的。國內(nèi)已有數(shù)套十萬噸級規(guī)模裝置建成,并有向百萬噸級發(fā)展的趨勢。二甲醚大型反應(yīng)器技術(shù)將成為二甲醚發(fā)展需重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)二甲醚的生產(chǎn)、儲存和運(yùn)輸過程中的儲罐的制造基本上采用的是16MnR(Q345R)鋼[15],因該鋼強(qiáng)度較低,所制造容器的壁厚較厚,雖然可以采用儲存和運(yùn)輸LPG的Q370R(WH530)鋼進(jìn)行替代,但由于二甲醚生產(chǎn)、儲運(yùn)領(lǐng)域的介質(zhì)中沒有H2S的存在,減少了對材料強(qiáng)度的限制,因而可以考慮開發(fā)同系列屈服強(qiáng)度420MPa級以上,抗拉強(qiáng)度570MPa以上,延伸率、沖擊韌性更加優(yōu)良,且具有同樣焊接性能的鋼種進(jìn)行逐步替代,對裝置進(jìn)行升級,提高生產(chǎn)和儲運(yùn)過程中的安全性和可靠性。

5 結(jié)束語

逐步提高鋼板強(qiáng)度,降低容器壁厚,提高鋼板韌性是壓力容器的設(shè)計(jì)、制造和使用部門對壓力容器用鋼提出的基本要求。隨著多年來國內(nèi)各個研究部門以及生產(chǎn)廠的共同努力,目前我國正火高強(qiáng)度壓力容器用鋼材已逐步形成系列。但與國外同類鋼種相比,我國的正火高強(qiáng)度壓力容器用鋼的強(qiáng)度級別仍較低。因此,出于鋼種系列化的考慮,開發(fā)一種屈服強(qiáng)度420MPa級的新型正火鋼是非常有必要的。同時(shí),隨著二甲醚等新能源市場的逐步發(fā)展,相應(yīng)生產(chǎn)、儲運(yùn)設(shè)備的不斷改進(jìn),裝置大型化發(fā)展趨勢的需要,新開發(fā)的正火高強(qiáng)度壓容器用鋼也將有著十分光明的市場應(yīng)用前景。

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Research on Normalizing High Strength Steel for Pressure Vessels

RUI Xiaolong XI Tianhui GUO Bin

The development of normalizing high strength steel for pressure vessels at home and abroad is investigated,its development mentality is analyzed and the relative home and abroad standards are probed.The idea of developing a new generation of high tenacity normalizing high strength steel for pressure vessels is put forward.Market prospect and application fields of the new type steel are also studied.

normalizing;high strength steel;pressure vessel;DME

T-19

A

1671-3524(2010)04-0004-04

(責(zé)任編輯:栗 曉)

2010-08-22

芮曉龍(1983～),男,助理工程師.E-mail:ruixiaol@wisco.com.cn