俞 揚(yáng)
(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院宜興分院,江蘇宜興 214206)
GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》[1]標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱GB 713—2008)于2008年9月1日起實施。2012年7月1日,國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)了GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》國家標(biāo)準(zhǔn)第1號修改單[2](以下簡稱GB 713第1號修改單),并于2012年10月1日起實施。
歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 10028—2009《壓力容器用鋼板》中提高了鍋爐及壓力容器用鋼的技術(shù)要求,特別 是 EN 10028.2:2009[3]和 EN 10028.3:2009[4]中大大降低鋼中 S,P元素含量,提高沖擊功要求;在國內(nèi),鍋爐容器行業(yè)對鋼板的成分控制、性能水平等要求越來越高。隨著國內(nèi)鋼廠冶金裝備水平和產(chǎn)品開發(fā)實力的提高,新產(chǎn)品不斷出現(xiàn),在不同領(lǐng)域、關(guān)鍵設(shè)備等實現(xiàn)了應(yīng)用,并取得了良好的效果,有的達(dá)到了國際先進(jìn)水平。因此,對GB 713—2008進(jìn)行修改勢在必行[5]。2013年12月4日,國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會向WTO/TBT通報了GB 713《鍋爐和壓力容器用鋼板》(報批稿)[6](以下簡稱 GB 713(報批稿))。
從已發(fā)布的GB 713(報批稿)內(nèi)容來看,標(biāo)準(zhǔn)修訂的主要內(nèi)容為:
(1)擴(kuò)大鋼板厚度范圍;
(2)納入新牌號:Q420R,07Cr2AlMoR和12Cr2Mo1VR;
(3)降低各牌號的S,P含量上限;
(4)提高各牌號的夏比V型沖擊功指標(biāo);
(5)規(guī)定鋼錠、電渣重熔坯壓縮比;
(6)規(guī)定大單重鋼板組批原則。
近年來,承壓設(shè)備的設(shè)計、建造在不斷向高參數(shù)化方向發(fā)展[7],從而使材料規(guī)格也趨于大型化。GB 713(報批稿)適用的鋼板厚度范圍為:3~250 mm,相關(guān)牌號厚度變化見表1。
GB 713(報批稿)中牌號的表示方法與GB 713—2008保持一致,即碳素鋼或碳錳鋼和不含鉻、鉬的低合金高強(qiáng)度鋼,用“Q+屈服強(qiáng)度+R”來表示。其中,GB 713第1號修改單中加入的17MnNiVNbR牌號,由于其屈服強(qiáng)度為420 MPa級且未有意添加鉻、鉬元素,所以在GB 713(報批稿)中,牌號改為:Q420R;鉬鋼、鉻-鉬鋼的牌號表示方法與GB 713—2008保持一致,未作改動。
表1 GB 713(報批稿)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)牌號厚度變化
GB 713(報批稿)增加了鋼板厚度可按C類偏差供貨的要求。GB/T 709—2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》[8]標(biāo)準(zhǔn)要求,厚度C類偏差為:固定負(fù)偏差為零,按公稱厚度規(guī)定正偏差。按C類厚度偏差供貨的鋼板要求高于按B類厚度偏差供貨的鋼板。這也與GB 19189—2011《壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板》和GB 3531《低溫壓力容器用鋼板》(報批稿)等標(biāo)準(zhǔn)要求相一致。刪去GB 713—2008中“根據(jù)需方要求,經(jīng)供需雙方協(xié)議,可供應(yīng)減小負(fù)偏差且公差不變的鋼板”的要求。此項規(guī)定中的厚度偏差在GB/T 709—2006標(biāo)準(zhǔn)中未提出,鋼廠不好組織生產(chǎn),用戶不好進(jìn)行驗收,操作性也不強(qiáng)。
GB 713(報批稿)中共納入12個鋼牌號,較GB 713—2008增加3個牌號。新納入了武鋼研制的600 MPa級正火型鋼Q420R、抗H2S腐蝕壓力容器用鋼07Cr2AlMoR和舞陽鋼廠研制的12Cr2Mo1VR鋼。
GB 713(報批稿)中相關(guān)鋼牌號簡介如表2所示。
表2 GB 713(報批稿)中相關(guān)鋼牌號簡介
3.4.1 Q420R(17MnNiVNbR)
Q420R(GB713第1號修改單以17MnNiVNbR牌號加入)具有高強(qiáng)度、高韌性及良好的焊接性能,是汽車罐車罐體專用低合金鋼。國外一般采用Rm≥610 MPa級的高強(qiáng)度鋼,其罐體壁厚較小,自重系數(shù)相應(yīng)降低,從而提高了槽車的容重比和運(yùn)載效率,并為槽車向大型化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
由于原15MnVR和15MnVNR鋼的沖擊韌性和焊接性能均不理想,導(dǎo)致我國的液化石油氣和液氨等槽車的罐體材料幾乎全部采用16MnR鋼,致使罐體壁厚較大,自重系數(shù)相應(yīng)加大,容重比小,運(yùn)載效率低。由合肥通用機(jī)械研究院提出,并與武漢鋼鐵(集團(tuán))公司等單位共同開發(fā)了600 MPa級的正火型17MnNiVNbR鋼板,2009年,通過全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會技術(shù)評審,明確了17MnNiVNbR鋼板可以適用于移動壓力容器的制造[11]。
3.4.2 07Cr2AlMoR
此牌號鋼板為抗H2S應(yīng)力腐蝕壓力容器用鋼板。在12Cr2AlMoV的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),去掉釩,一般添加適量稀土元素。稀土對鋼中殘留的有害非金屬元素具有極大的親和力,不僅可以進(jìn)一步脫除鋼材中殘留的O,S,P等有害成分,而且還可以改變鋼中的硫化物和氧化物的形態(tài),在降低鋼中夾雜物總數(shù)量的同時,也使鋼中大塊的條狀硫化物改變成為球狀和細(xì)小的硫化物,從而提高材料的韌性,并改善材料的焊接性能、提高鋼材的耐腐蝕性能。在氫腐蝕環(huán)境中,鋼材當(dāng)中的夾雜物尺寸越小,其抗氫滲透的可能性越低[12]。此牌號在被列入 GB713(報批稿)前為07Cr2AlMoRE,由武鋼集團(tuán)公司和武漢市潤之達(dá)石化設(shè)備有限公司聯(lián)合開展研制,并經(jīng)全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會進(jìn)行了技術(shù)評審,列為GB 150—1998《鋼制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)案例(案例編號:CC-P007-1),成功應(yīng)用于一批大型塔器、塔盤和換熱器產(chǎn)品。此牌號鋼板產(chǎn)品可與已列入GB 150.2—2011《壓力容器 第 2 部分:材料》[13]標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱 GB 150.2—2011)附錄 A中08Cr2AlMo換熱管配套使用,兩牌號實屬同一鋼品種。
3.4.3 12Cr2Mo1VR
此牌號為改進(jìn)型2.25Cr-1Mo-0.30V 中溫用鋼板,常用于重質(zhì)油裂化和煤液化等工藝的設(shè)備(設(shè)計溫度需達(dá)482℃)上。在傳統(tǒng)的2.25Cr-1Mo抗氫鋼中加入 0.25% ~0.35%V,同時調(diào)整其他微量元素,大幅度降低鋼材中S,P等雜質(zhì)和Sn,Sb等有害元素。比傳統(tǒng)的2.25Cr-1Mo抗氫鋼提高了強(qiáng)度和韌性、抗高溫氫腐蝕性能、抗氫脆性能和抗回火脆化性能等。此牌號已列入GB 150.2—2011附錄A中。
近年來,冶金技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,承壓設(shè)備用鋼材的純凈化程度不斷提升。鋼材的純凈化,不僅可以改善承壓設(shè)備的制造工藝性(如焊接性),更重要的是能顯著改善承壓設(shè)備用鋼材的使用性能,從而大大提高了承壓設(shè)備的使用安全性[14]。GB 713(報批稿)以提高鋼材的純凈度為基礎(chǔ),對標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分作了相關(guān)規(guī)定。
3.5.1 降低相關(guān)牌號的 P,S含量,嚴(yán)格控制12Cr2Mo1VR的P,S成品化學(xué)成分允許偏差
隨著國內(nèi)冶金裝備脫磷、脫硫能力的提高,GB 713(報批稿)參考了 EN 10028-2:2009和EN 10028-3:2009中大大降低 P235,P265,P355,P460鋼中 S,P含量的要求,調(diào)整 Q245R,Q345R,Q370R 鋼中 S,P含量范圍。Q245R,Q345R鋼中 S含量要求由 S≤0.015%降低到S≤0.010%,Q370R鋼中S,P含量要求由原來的S≤0.015%,P≤0.025% 降低到 S≤0.010%,P≤0.020%。
GB/T 222—2006《鋼的成品化學(xué)成分允許公差》表2中規(guī)定P,S元素的成品化學(xué)成分允許偏差均為“+0.005%”,而 P元素對 12Cr2Mo1VR的回火脆化敏感度很大,12Cr2Mo1VR一般用在高設(shè)計參數(shù)加氫反應(yīng)器等重要裝備上,所以必須嚴(yán)格控制P,S等元素的成品化學(xué)成分允許偏差。GB 713(報批稿)規(guī)定:“12Cr2Mo1VR鋼成品化學(xué)分析允許偏差:這一規(guī)定與GB 150.2—2011附錄A一致。
3.5.2 對化學(xué)成分表及相關(guān)規(guī)定作一定調(diào)整
對GB 713—2008化學(xué)成分表作了調(diào)整。將殘余元素、Alt等元素含量、總量等要求納入化學(xué)成分表中。原標(biāo)準(zhǔn)中,Q245R和Q345R在化學(xué)成分表中只規(guī)定 C,Si,Mn,P,S,Alt等元素成分。GB 713(報批稿)的化學(xué)成分表列出了包括Cr,Ni,Cu,Mo,Nb,V,Ti及其他元素在內(nèi)的 14 項元素成分(見表 3)。Cr,Ni,Cu,Mo 元素為煉鋼殘余元素,另外,用文字規(guī)定了它們的含量要求;Nb,V,Ti為微合金化元素,化學(xué)成分表中規(guī)定了它們單個元素成分含量上限,在標(biāo)準(zhǔn)附加文字條款中也規(guī)定了它們的總量上限要求。Q245R和Q345R等鋼可以利用微合金化元素Nb,V,Ti的碳氮化物的析出強(qiáng)化,使原始奧氏體晶粒充分細(xì)化,提高鋼的韌性。
表3 Q245R和Q345R化學(xué)成分 %
由于板厚效應(yīng)(鋼板的 ReL或 Rp0.2和 Rm一般隨鋼板厚度增加而減小)的原因,GB 713(報批稿)對厚度大于 60 mm的 Q345R,Q370R和Q245R作出了調(diào)整C或Mn元素含量上限的規(guī)定,使上述三牌號的厚鋼板的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
GB 713(報批稿)將規(guī)定碳當(dāng)量(CEV)列為協(xié)議項目,與GB 713—2008相比,增加了對新納入牌號Q420R的要求。對碳素鋼和碳錳系低合金鋼作碳當(dāng)量要求與承壓設(shè)備的建造過程有著密切聯(lián)系。承壓設(shè)備通常需要通過焊接來建造,確定承壓設(shè)備安全性和焊接預(yù)熱水平,以避免氫劣化,關(guān)鍵取決于精確的母體金屬成分、碳當(dāng)量(CEV),并取決于焊接金屬成分[15]。在承壓設(shè)備建造和焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中,通常推薦焊接最低預(yù)熱溫度,而在這些標(biāo)準(zhǔn)中,碳素鋼和碳錳系低合金鋼的預(yù)熱溫度一般都比較低,所以,在鋼材訂貨時對碳當(dāng)量(CEV)作出協(xié)議要求,為重要承壓設(shè)備的建造,特別是為制定焊接工藝(確定預(yù)熱溫度),提供了較為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
3.6.1 增加了爐外精煉要求
為進(jìn)一步加強(qiáng)承壓設(shè)備用鋼的質(zhì)量,確保承壓設(shè)備本體安全,GB 713(報批稿)增加了鋼材爐外精煉的要求。爐外精煉能提高鋼的純凈度,我國壓力容器專用鋼板標(biāo)準(zhǔn)均已要求采用爐外精煉的冶煉技術(shù)。
3.6.2 增加了電渣重熔坯壓縮比要求
GB 713(報批稿)擴(kuò)大了鋼板厚度范圍。近年來,國內(nèi)部分鋼廠已采用電渣重熔坯軋制厚鋼板。電渣重熔坯組織致密,成分均勻,在寬闊的溫度區(qū)間內(nèi),具有良好的加工塑性,可以生產(chǎn)高性能特厚板,所以,相應(yīng)允許更小的加工壓縮比。
GB 713(報批稿)對交貨狀態(tài)的相關(guān)技術(shù)要求,基本是針對錳鉬和錳鎳鉬系低合金鋼板與鉻鉬系和鉻鉬釩系中溫用鋼板提出的。
對部分鉻鉬系鋼板的回火溫度作了調(diào)整。調(diào)整15CrMoR和14Cr1MoR鋼板的最低回火溫度,由原來的620℃調(diào)整到650℃。15CrMoR和14Cr1MoR鋼板中,含有較多中等碳化物形成元素,因此其回火抗力較大,所以,在回火工藝中,適當(dāng)提高回火溫度,能使得鋼中貝氏體得到充分分解,得到較為理想的“鐵素體+珠光體+少量細(xì)小彌散分布的回火貝氏體”組織。提高回火溫度,也可改善碳化物的穩(wěn)定性,增加穩(wěn)定碳化物的析出量。碳化物的穩(wěn)定性特別是鋼中晶界處碳化物的穩(wěn)定性決定了氫腐蝕反應(yīng)的進(jìn)程,所以適當(dāng)提高回火溫度還能提高鋼板抗氫腐蝕的能力[16]。NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》中表5列出了焊后熱處理推薦規(guī)范,其中Fe-4鋼的最低焊后熱處理溫度為650℃,15CrMoR和14Cr1MoR鋼板制壓力容器建造過程中,一般都需進(jìn)行多次焊后熱處理,且標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定焊后熱處理的溫度一般不得高于鋼板的回火溫度。鋼廠實際生產(chǎn)過程中的回火溫度也高于650℃,如15CrMoR鋼板,有的鋼廠采用740℃進(jìn)行回火[17]。所以對以上兩種鉻鉬鋼板的回火溫度的調(diào)整是合理的。
隨著國內(nèi)各鋼廠生產(chǎn)的鍋爐和壓力容器用鋼的實物質(zhì)量及性能水平的提高,參考EN 10028-2:2009標(biāo)準(zhǔn)要求,進(jìn)一步提高國內(nèi)鍋爐和壓力容器用鋼的沖擊功指標(biāo),從GB 713第1號修改單開始,標(biāo)準(zhǔn)提高了 Q245R,Q345R,Q370R,18MnMoNbR,13MnNiMoR,15CrMoR,14Cr1MoR,12Cr2Mo1R,12Cr1MoVR鋼的沖擊功指標(biāo),如表4所示。
表4 標(biāo)準(zhǔn)修訂前后相關(guān)牌號夏比(V型缺口)沖擊吸收能量
碳鋼或低合金鋼在濕H2S環(huán)境(H2S濃度大于55 ppm,溫度:0~150℃,尤以室溫最為敏感,pH值較低)下可能發(fā)生氫致開裂現(xiàn)象。GB 713(報批稿)以規(guī)范性附錄A的形式提出了抗氫致開裂(HIC)試驗要求。如需方需要鋼廠提供抗氫致開裂(HIC)鋼板,則鋼廠需按附錄A要求進(jìn)行抗氫致開裂試驗,并明確級別。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8650—2006《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評定方法》修改采用了美國腐蝕工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NACE TM0284—2003,標(biāo)準(zhǔn)給出了試驗及評定的方法。GB 713(報批稿)規(guī)范性附錄A中明確了試驗評定的驗收級別,與EN 10028-2:2009規(guī)范性附錄D驗收級別判定數(shù)據(jù)一致。
GB 713(報批稿)中增加了按 GB/T 28297《厚鋼板超聲自動檢測方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鋼板超聲檢測的要求。
GB 713(報批稿)在附加要求中以協(xié)議項目提出:“可規(guī)定臨氫用途鉻鉬鋼板的附加技術(shù)要求”。臨氫用途鉻鉬鋼板一般用于重要的承壓設(shè)備(如加氫反應(yīng)器等設(shè)備)上,所以一般均在訂貨時提出附加要求。諸如:加嚴(yán)化學(xué)成分、為超純凈鋼指定J和X因子、對晶粒度提出要求、硬度要求、指定步冷試驗、附加高溫拉伸試驗以及指定低溫條件下且經(jīng)過焊后熱處理(PWHT)后的沖擊試驗值等要求。
3.12.1 規(guī)定大單重鋼板組批原則
由于鋼板厚度范圍擴(kuò)大,目前國內(nèi)部分鋼廠已供貨重量超過30 t的超重鋼板,而GB 713—2008中未明確單重超過30 t的鋼板組批要求,參考GB 3531的要求,增加“單張重量超過30 t的鋼板按軋制張組批”。
3.12.2 增加“正火后加速冷卻加回火狀態(tài)交貨的鋼板,按熱處理張組批”的要求
隨著連鑄連軋工藝的發(fā)展,軋制張鋼板一般都很長,受熱處理設(shè)備限制,一張原軋制鋼板不可能同時同爐進(jìn)行熱處理,即熱處理工藝不完全相同,所以組織性能不可能完全相同。厚度大于60 mm的鉻鉬鋼板正火后加速冷卻加回火熱處理,是為了保證經(jīng)熱處理后,厚板的心部能得到貝氏體和貝氏體回火組織,從而保證力學(xué)性能。為檢驗熱處理效果,GB 713(報批稿)明確要求按熱處理張組批更合理。
從制定GB 713—2008標(biāo)準(zhǔn)開始,我國承壓設(shè)備專用鋼板標(biāo)準(zhǔn)就一直以國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 9328-2)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)(如:EN 10028-2等國外標(biāo)準(zhǔn))為參考采標(biāo)對象。相關(guān)技術(shù)要求(如P,S含量,鋼的純凈度指標(biāo)等)已與國際和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)接軌。我國與國外標(biāo)準(zhǔn)之間的互認(rèn)工作也有了最新進(jìn)展。GB 150.2—2011標(biāo)準(zhǔn)列入了 ISO(EN)標(biāo)準(zhǔn)中的P265GH和P355GH兩個鋼板牌號,間接表達(dá)了我國壓力容器行業(yè)將GB 713納入相應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)的愿望[10]。2013版的ASME BPVC規(guī)范第II卷已經(jīng)增補(bǔ)了新的材料牌號標(biāo)準(zhǔn),將GB 713—2008的材料納入了ASME規(guī)范,標(biāo)準(zhǔn)號為SA/GB 713,并提出了相應(yīng)的附加技術(shù)要求[18]。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化加速發(fā)展,我國承壓設(shè)備專用鋼板標(biāo)準(zhǔn)必將在國際范圍內(nèi)得到認(rèn)可。
(1)修訂后的GB 713《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大了鋼板厚度范圍、增加了新牌號、提高了鋼板的韌性指標(biāo)和冶煉的純凈度等要求,使標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平進(jìn)一步得到提高;
(2)我國承壓設(shè)備專用鋼板標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步與國際和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)接軌,同時在國際范圍內(nèi),已逐漸被認(rèn)可。
[1] GB 713—2008,鍋爐和壓力容器用鋼板[S].
[2] GB 713—2008,《鍋爐和壓力容器用鋼板》國家標(biāo)準(zhǔn)第1號修改單[S].
[3] EN 10028 - 2:2009,F(xiàn)lat Products Made of Steels for Pressure Purposes Part 2:Non-alloy and Alloy Steels with Specified Elevated Temperature Properties[S].
[4] EN 10028 - 3:2009,F(xiàn)lat Products Made of Steels for Pressure Purposes Part 3:Weldable Fine Grain Steels,Normalized[S].
[5] 《鍋爐和壓力容器用鋼板》國家標(biāo)準(zhǔn)起草組.《鍋爐和壓力容器用鋼板》GB 713-XXXX送審稿編制說明[EB/OL].[2012 -11 -28]http://www.cmsi.org.cn/zxzx/201211/t20121128_192049.htm.
[6] GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》(WTO/TBT報批稿)[EB/OL].[2013-12-04]http://members.wto.org/crnattachments/2013/tbt/CHN/13_4718_00_x.pdf
[7] 陳學(xué)東,崔軍,范志超,等.我國高參數(shù)壓力容器的設(shè)計、制造與維護(hù)[C]//壓力容器先進(jìn)技術(shù)——第八屆全國壓力容器學(xué)術(shù)會議.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.
[8] GB/T 709—2006,熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差[S].
[9] 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB 150—89鋼制壓力容器(三)標(biāo)準(zhǔn)釋義[M].北京:學(xué)苑出版社,1989.
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