正火高强度压力容器用钢的研究进展

芮晓龙 习天辉 郭 斌

(武钢研究院 湖北 武汉:430080)

正火高强度压力容器用钢的研究进展

芮晓龙 习天辉 郭 斌

(武钢研究院 湖北 武汉:430080)

对国内外正火型高强度压力容器用钢的发展情况进行了调研,分析了国内正火高强度压力容器用钢的研制思路,并对国内外相关标准进行解析,提出了新一代高韧性正火高强度压力容器用钢的研制构想。同时对新钢材的市场应用前景及应用领域进行了初步的探讨。

正火;高强度钢;压力容器;二甲醚

我国常温(设计温度>-20℃)球形压力容器用低合金钢基本上可分成两大类:非调质钢和调质钢[1]。微合金非调质钢是一种高效节能钢,经热锻或热轧后其力学性能即达到中碳调质钢的水平,由于取消了淬火、高温回火工序,从而简化了生产工艺,降低了能耗,提高了材料利用率,改善了零件质量,降低了制造成本(25%～38%),具有良好的经济效益和社会效益[2]。正火高强度压力容器用钢是一种铁素体+珠光体型的非调质钢,随着石油、石化、化工、能源、交通、城建等领域对高性能压力容器用钢的市场需求,国内正火高强度压力容器用钢已形成了系列产品,一定程度上顶替了进口,为国家大型成套工程用钢国产化做出了突出贡献,企业效益和社会效益十分显著。

1 正火高强度压力容器用钢的国内外标准概况

国内标准中的正火型压力容器钢主要有原国标GB 6654-1996《压力容器用钢板》中的16MnR、15MnNbR两个牌号,2008年GB 6654被GB 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》所取代,其中的正火型高强钢的牌号也相应的变更为Q345R、Q370R。表1为一些国内标准中对常用的正火型低合金高强钢(以下简称正火高强钢)的化学成分要求,表2为其力学性能要求。

表1 国内标准中正火高强钢化学成分要求/(wt%)

从表1、表2中可以看出,目前国内还没有屈服强度大于420MPa或同级别的正火高强钢,WH590D钢对于CE无要求,这就使其在压力容器制造和使用过程的焊接性能得不到保障。

目前国外生产屈服强度高于420MPa、抗拉强度高于570MPa的正火高强钢的只有日本和欧洲(德国)[3]。相关标准有日本JIS G 3115-1990《压力容器用钢板》,代表钢号为SPV450和SPV490,以及德国DIN EN 10028-3:1993《压力容器扁用钢第3部分焊接用细晶粒正火结构钢》,代表钢号为P460N。表3、表4为国外标准中屈服强度高于420MPa、抗拉强度高于570MPa的正火型高强钢代表钢种的化学成分和力学性能要求。

从表3和表4中可看出,SPV450和P460N的屈服强度要求分别为不小于450MPa和不小于460MPa,抗拉强度不小于570MPa,在开发我国新一代屈服强度420MPa级正火高强钢时可参考以上两个钢种的相关指标。

表2 国内标准中正火高强钢力学性能要求

表3 国外标准中正火高强钢化学成分要求/(wt%)

表4 国外标准中正火高强钢力学性能要求

2 正火高强度压力容器用钢国内外产品体系

由于非调质钢在生产上有很大的优势。美国、日本和欧洲开发出了大量采用非调质技术生产的压力容器用钢[3]。表5列出了国外开发的非调质压力容器钢所对应的抗拉强度级别分布情况。从表5可以看出,现在国外的非调质压力容器钢的抗拉强度已经从300MPa一直延伸到570MPa。在分布上可以看出日本JIS标准划分得较为细致,从400MPa到570MPa的每个级别上都有对应的钢种。

表5 国外非调质压力容器钢抗拉强度级别分布表

国内生产情况方面,武钢于“九五”期间已成功自主开发了四大系列(调质高强度钢、正火高强度钢、低温钢、中温抗氢钢)十余个品种的高性能压力容器用钢,年供货量均在40000t。目前除调质高强钢外的其余钢种主要采用正火或正火+回火的工艺进行生产。国内其他钢厂也对压力容器用钢进行开发研究。舞阳钢铁公司的研究人员按照CF62钢的技术要求,设计了一种620MPa级非调质压力容器钢,钢种牌号为WDB620。

60年代中期至80年代中期,我国公称容积50m3以上的球形储罐用正火型低合金高强度压力容器钢板有16MnR、15MnVR和15MnVNR三个钢号[7]。其中16MnR(含16MnDR)虽在压力容器行业广泛使用,但强度级别较低,冶金质量普遍较差,钢板性能不够稳定,而15MnVNR虽强度级别较高,但焊接性差,15MnVR的冲击韧性和焊接性亦不理想,故不能满足国内压力容器制造的要求。因此,九十年代初,武钢根据市场需求研制开发了一种MnNb系列低合金高强度钢板15MnNbR,武钢企业牌号为WH530。该种钢板的强度和冲击韧性优于16MnR钢板,焊接性能和抗硫化氢应力腐蚀性能与16MnR相近。且其冲击性能实验性能优于国内15MnVR,也优于日本SPV355和欧洲P355N;WH530钢板也具有良好的抗拉强度,厚度大于36mm钢板的抗拉强度下限值较相应厚度的15MnVR、16MnR钢板分别高出6.1%和10.6%[7]。目前,WH530钢已广泛应用于制造氧气球罐、丙烯球罐和液化石油气球罐的制造中,WH530已基本取代16MnR(Q345R)钢,成为制造液化石油气球罐的主流钢种。

在石油化工的介质中,H2S是比较常见的气体。由于存在H2S应力腐蚀的原因,化工容器用低合金钢(包括焊接接头)的强度需符合要求[8]:ReL≤355MPa,Rm≤630MPa。虽然近年来随着低合金钢冶炼水平的提高和石油化工介质中H2S含量的控制,对钢材强度的限制有所放松,但是WH530钢的强度级别已达到了液化石油气球罐所能选择材料的极限值。若想开发更高强度级别的正火高强钢,开拓新的市场,就必须寻求新的应用领域。

3 正火高强度压力容器钢成分与工艺研究

欧美和日本等国以低C及Mn-Nb元素为基本成分,采用控制轧制和控制加速冷却的方法开发了一系列控轧钢。20世纪70年代许多国家对一些重要用途的压力容器钢,则致力于提高钢的冶金质量,在冶炼上十分重视控制钢中的微量杂质,从而提高压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来细化晶粒和弥散强化,其中特别注意Ti的利用,在Ti处理钢(0.01～0.02 wt%Ti)和含Ti钢(0.1wt%Ti)上下了不少功夫。另外采用Nb、V、Ti及其他元素的复合微合金化上,充分发挥各元素的特点,获得最佳效果。微量B在钢中的作用日益受到重视[10]。控制和利用钢中的N以充分发挥氮化物的有利作用已被提到相当高度。Ti-Nb及Ti-Nb-N复合合金化还能改善钢的焊接性能,改善大热输入焊接后的冲击韧性[11]。

控制轧制过程中广泛使用的Nb、V、Ti等微合金元素主要起到细化晶粒及析出强化作用。主要体现在[12]:1)在钢的加热过程中,随着加热温度的提高及保温时间的延长,奥氏体晶粒变得粗大,而粗大的奥氏体晶粒对钢材的机械性能不利。加入Nb、V、Ti等微合金元素后,由于微量元素形成高度弥散的碳氮化合物颗粒,可以对奥氏体晶界起“钉扎”作用,从而阻止奥氏体晶界迁移,阻止奥氏体晶粒长大;2)微合金元素(尤其是Nb和V)能够影响奥氏体再结晶的临界变形量、再结晶温度、再结晶速度以及再结晶的晶粒大小,对奥氏体再结晶起抑制作用;3)由于微合金元素的加入,一方面阻止奥氏体晶粒长大,另一方面又能阻止奥氏体再结晶的发生,因而细化了铁素体晶粒。Nb细化铁素体晶粒的效果最为明显,Ti次之,V最差。而且随Nb含量的增加,开始时效果显著,当Nb含量达到0.04%以后,随含Nb量的增加铁素体晶粒基本不变;4)细化晶粒是唯一可以同时提高强度和韧性的方式,其它如沉淀强化、相变强化和位错强化等机制使强度提高的同时韧性降低,Nb、V、Ti的加入可获得很好的细晶强化效果。另外,微合金元素的强化效果还与它的元素种类、含量及冷却速度有关。在一定成分下有一个能最有效发挥沉淀强化的最佳冷却速度。

Ni在结构钢中是辅助元素,它能细化晶粒,对铁素体有较好的强化作用。Ni的主要作用是扩大奥氏体区,降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性,提高钢的强度,而不降低其塑性,改善钢的韧性。Ni本身具有一定耐蚀性,对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力。在正火型低合金高强钢中,稀土元素也是重要的微合金化元素[13]。稀土元素可固溶于铁素体中,它可使CCT曲线右移,提高过冷奥氏体稳定性。稀土元素还可降低钢的马氏体点。

通过以上对分析可以看出,正火高强钢研制的一般思路为:在钢中选择性地添加Nb、Ti、V、Ni、稀土等微合金元素,选择合适的元素组合控制含量范围,采用适当的正火热处理工艺,研究钢的强韧性机理,得到所需性能的钢材。

4 正火高强度压力容器钢新的应用领域

随着国际石油价格的不断攀升,以及大规模低成本二甲醚生产工艺的日趋成熟,二甲醚(Dimethyl ether,简称DME)这种环境友好型物质,由于其良好的产品性能及优越的环保性能,越来越为人们所接受,作为新型能源的替代优势日趋明显[14]。

目前,世界上绝大部分的二甲醚生产装置建在亚洲地区。近十年来亚洲地区新增投产的DME产能已达100万吨/年,几乎全在中国。表7为亚洲地区2010～2020年二甲醚消费市场的需求预测。

表7 亚洲地区2010～2020年二甲醚消费市场需求预测 单位:100万吨/年

从表7中可以看出,中国对DME的需求是非常大的。国内已有数套十万吨级规模装置建成,并有向百万吨级发展的趋势。二甲醚大型反应器技术将成为二甲醚发展需重点突破的关键技术。目前国内二甲醚的生产、储存和运输过程中的储罐的制造基本上采用的是16MnR(Q345R)钢[15],因该钢强度较低,所制造容器的壁厚较厚,虽然可以采用储存和运输LPG的Q370R(WH530)钢进行替代,但由于二甲醚生产、储运领域的介质中没有H2S的存在,减少了对材料强度的限制,因而可以考虑开发同系列屈服强度420MPa级以上,抗拉强度570MPa以上,延伸率、冲击韧性更加优良,且具有同样焊接性能的钢种进行逐步替代,对装置进行升级,提高生产和储运过程中的安全性和可靠性。

5 结束语

逐步提高钢板强度,降低容器壁厚,提高钢板韧性是压力容器的设计、制造和使用部门对压力容器用钢提出的基本要求。随着多年来国内各个研究部门以及生产厂的共同努力,目前我国正火高强度压力容器用钢材已逐步形成系列。但与国外同类钢种相比,我国的正火高强度压力容器用钢的强度级别仍较低。因此,出于钢种系列化的考虑,开发一种屈服强度420MPa级的新型正火钢是非常有必要的。同时,随着二甲醚等新能源市场的逐步发展,相应生产、储运设备的不断改进,装置大型化发展趋势的需要,新开发的正火高强度压容器用钢也将有着十分光明的市场应用前景。

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[11] 刘广斌,晋 卫,梅家农.铁路液化石油气罐车装运二甲醚的可行性分析[J].专业运输,2008,(3):37-39.

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

(责任编辑:栗 晓)

2010-08-22

芮晓龙(1983～),男,助理工程师.E-mail:ruixiaol@wisco.com.cn