提高大型厚壁容器16MnR及16MnR(HIC)钢力学性能的研究

杜军毅 曹晨思

(二重集团(德阳)重型装备股份有限公司，四川618013)

近年来，冷高压分离器作为加氢装置的重要设备，向着大型化、厚壁化方向发展。其反应器仍然采用能抗氢诱导裂纹(HIC)和硫化氢应力腐蚀裂纹(SSCC)的16Mn R(HIC)钢，反应器壁厚已达到260 mm～280 mm。同时，为防止冷高压分离器氢脆、氢腐蚀、硫化氢腐蚀等严重损伤，并预防突发事件造成的材料破坏，国外制造商不断吸收世界最新研究成果，对大型压力容器材料的纯洁度、均质性和综合力学性能等提出极为苛刻的高标准要求[1,2]。这无疑给锻件制造厂家提出一项紧迫而重大的课题。

为了满足用户苛刻的技术条件，找出影响大型厚壁容器16MnR(HIC)钢性能的主要因素，本文对16MnR(HIC)钢的化学成分、热处理制度、截面与力学性能进行了研究。

1 大型加氢精制反应器的主要制造要求

1.1 大型加氢精制反应器的主要技术参数和结构

1.1.1 主要技术参数

冷高压分离器当有堆焊时一般采用16MnRx钢，无堆焊时则采用16MnR(HIC)钢。200万t/年重油加氢装置冷高压分离器为锻焊结构。设备轮廓尺寸∅内3 600 mm×δ267 mm×13 953 mm，总重277.36 t，设计温度230℃，工作压力16.9 MPa，工作介质为油、油气、H2S，外壳材料：16MnR钢。二重负责整台设备材料和制造。设备结构简图见图1。

1.1.2 大型冷高压分离器的结构

大型加氢精制反应器主要由上球形封头、上过渡段、多节筒体、下过渡段、下球形封头、顶部入口大法兰、进口弯管、出口弯管、接管法兰、进料口、油水出口装置、裙座等组成。其中，大型筒节、上下过渡段是最关键和最重要的部件。

1.2 16MnR(HIC)钢大型冷高压分离器反应器主要制造技术要求

1.2.1 化学成分要求

16MnR(HIC)钢筒体锻件的化学成分要求见表1。

1.2.2 力学性能要求

图1 200万吨/年重油加氢装置冷高压分离器Figure 1 The cold high-pressure separator of 2 million tons/year heavy oil hydrogenation equipment

CSiMnSPCuCrNiOCeq熔炼分析成品分析≤0.20≤0.200.20～0.400.20～0.401.20～1.301.15～1.35≤0.005≤0.005≤0.008≤0.0080.20～0.300.20～0.30≤0.30≤0.30≤0.20≤0.20≤0.004≤0.004-≤0.43

注：(1) Ceq =C+Mn/6+(Cr+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5；(2)钢中Cr、 Ni 、Cu含量之和不大于0.60%；(3)最高S≤0.002%。

表2 16MnR(HIC)钢筒体锻件的力学性能要求Table 2 Mechanical properties requirements of 16MnR(HIC) steel cylinder forgings

注：一组试样包括1个常温拉伸试样和3个-30℃夏比冲击试样。

表2规定。

(2)锻件晶粒度应符合GB6394—1986金属平均晶粒度测试法的规定，晶粒度不大于5级。

(3)每件锻件进行抗氢诱导裂纹(HIC)试验：裂纹敏感率CLR≤5%，裂纹长度率CTR≤1.5%，裂纹厚度率CSR≤0.5%，抗硫化物应力开裂性：σth≥275 MPa。

2 主要制造难点

由于用户要求16MnR(HIC)钢锻件心部必须有良好的强韧性，这就造成以下制造难题：

(1)为保证大型厚壁容器锻件的心部-30℃Akv≥27 J， 在标准成分不变的情况下， 要保证低温冲击值， 就必须降低 C、Si、Cr、P、S、O、N 等对冲击不利的元素含量， 而增加 Mn、Ni等有利元素含量，但这又会导致强度指标的下降。

(3)为防止氢致裂纹(HIC)和硫化氢应力腐蚀裂纹(SSCC)，用户技术条件对钢的碳当量(Ceq)和主加合金元素(Mn)进行了限制。为满足16MnR(HIC)钢强度，可以提高碳当量和提高Mn元素含量来满足。但内控C：0.17%～0.19%(标准上限)，Mn：1.20%(标准中上限)，二者之和已达0.37%～0.39%，而标准要求Ceq≤0.43%，这就必然要求Ni、Cu、Cr、Mo、V元素只能达到0.05%以下。一般废钢Ni、Cu≤0.10%已很困难，更何况Cr、Mo、V元素的整体要求[3]就更难满足了。

这就要求：必须在不降低材料焊接性能、不助长产生氢致裂纹(HIC)和硫化氢应力腐蚀裂纹(SSCC)并全面满足其他指标的基础上进行化学成分、热处理工艺优化。

3 材料研究

3.1 锻件厚度与冷却速度的关系试验

16MnR(HIC)钢属C-Mn型铁素体钢，资料表明：冷却速度从12℃/min提高至42℃/min时，铁素体量变化仅从80%F减少到76%F，其淬透能力较弱。当达到70℃/min后，材料强度才会有较大提高。

一般情况下，工件的冷却能力随着冷却介质强度的增加而增大，但是当工件厚度达到一定时，冷却速度与工件厚度成反比，如图 2所示。16MnR(HIC)钢生产数据表明，在通常情况下，

图2 不同冷却条件下冷却速度与锻件厚度的关系Figure 2 The relationship between cooling rates and forging thicknesses under different cooling conditions

150 mm厚的该钢种可以保证有良好的组织和性能均匀性，但当锻件厚度达到180 mm～300 mm时，锻件淬透性受到限制。同时厚壁锻件的高蓄热量也影响锻件与冷却介质之间的热交换，在可调节的20%左右的强化组织份数中产生不良的组织结构，造成锻件的强度、韧性下降。单纯的空冷正火和常规方式的淬火都难以满足强度和低温韧性指标要求。

3.2 16MnR 钢热处理工艺与力学性能关系

表3表明，增加冷却速度将大幅提高钢的索氏体含量，而16MnR(HIC) 钢淬火的强、韧化又主要来自于索氏体量的增加，因此钢的调质必不可少。图3进一步证实：钢的韧脆转变温度随冷却速度提高呈现下降趋势。

同时，890～970℃温度区间内，钢的力学性能、显微组织、晶粒度变化趋势试验表明，一方面显微组织、晶粒度对奥氏体化温度不敏感，变化不大；另一方面进一步印证，当索氏体份数没有改变时，采用提高奥氏体温度的固溶强化方式效果不大；再者，910℃×3 h +610℃×5 h钢的强度、-30℃Akv已接近较为理想的要求值，这可能与910℃后冷却时索氏体弥散分布、呈小团絮和610℃后回火时碳化物析出不大有关。

另外，16MnR(HIC) 钢以30℃/min左右速度冷却时，在锻件一定部位易于得到魏氏组织。一旦得到魏氏组织将使低温冲击值大大降低，这就是16MnR(HIC) 钢冲击韧性易于波动的根本原因。结合实际工艺，要提高16MnR(HIC) 钢的性能，必须进一步提高锻件的淬透性。

表3 16MnR(HIC) 钢不同奥氏体化温度下的试验结果Table 3 Test results of 16MnR(HIC) steel under different austenitizing temperatures

表4 16MnR(HIC) 钢不同回火温度下的试验结果Table 4 Test results of 16MnR(HIC) steel under different tempering temperatures

图3 钢的韧脆转变温度随冷却速度间关系Figure 3 The relationship between ductile-brittle transition temperatures of steel and cooling rates

表4数据表明，16MnR钢强度随回火参数增大而下降，610～630℃回火时材料的强度下降不大，但回火温度达到630℃以后，材料的强度将大幅度下降。因此，钢的回火温度必须控制在

630℃以下。

3.3 厚壁16MnR钢的成分设计与优化

如上所述，通过调节热处理参数来提高16MnR钢的力学性能有一定限制。另外，随着壁厚增大，锻件的冷速降低，同时也加大了实际锻件的回火参数值，使得可调的冷速、回火参数范围进一步变小。因此对厚壁锻件进行成分设计与优化以获得优良的强度、韧性指标，就显得十分的必要。

试料取自采用双真空冶炼、强冷淬火工艺生产的纯净钢筒体的水口端，并在筒节T×T/2处制取□30 mm×30 mm的试环，其化学成分见表5。采用标准的热处理制度，即900～950℃奥氏体化加热后冷却，之后在600～630℃温度下回火。

不同厚度16MnR钢碳当量与规定塑性延伸强度和抗拉强度的关系见图4～图9。

表5 试验用钢的化学成分(质量分数，%)Table 5 Chemical compositions of steels for tests (mass fraction,%)

图4 306.5 mm厚度16MnR钢碳当量与规定塑性延伸强度间关系Figure 4 The relationship between carbon equivalents and specified plastic elongation strengths of 306.5 mm thickness 16MnR steel

图5 306.5 mm厚度16MnR钢碳当量与抗拉强度之间关系Figure 5 The relationship between carbon equivalents and stensile strengths of 306.5 mm thickness 16MnR steel

图6 280 mm厚度16MnR钢碳当量与规定塑性延伸强度之间关系Figure 6 The relationship between carbon equivalents and specified plastic elongation strengths of 280 mm thickness 16MnR steel

实验表明，单纯进行调碳，不但不能最有效的提高16MnR(HIC)钢的强度，同时由于碳当量的限制，一味提高碳含量还使得其他元素因要求高等级废钢而难以满足。16MnR钢的强度与碳当量有较大的对应关系，其强度可以通过调整碳当量满足，这样既可以确保碳含量不超上限，冶炼时易于控制，也可以发挥其他元素的优势。为满足280 mm厚16MnR(HIC)钢力学性能要求，碳当量应当达到0.39%以上；当达到306.5 mm厚截面时，碳当量应当达到0.42.5%以上，才能稳定确保钢的强度。这说明，随着锻件厚度的增加和钢芯部冷却能力的下降，其可强化的相份数减少，强度降低。如果要满足其原有的力学性能，必须提高碳当量以增加钢的淬透性。

图7 280 mm厚度16MnR钢碳当量与抗拉强度之间关系Figure 7 The relationship between carbon equivalents and stensile strengths of 280 mm thickness 16MnR steel

图8 不同厚度16MnR钢与规定塑性延伸强度间关系Figure 8 The relationship between 16MnR steels of different thicknesses and specified plastic elongation strengths

图9 不同厚度16MnR钢与抗拉强度之间关系Figure 9 The relationship between 16MnR steels of different thicknesses and stensile strengths

从图4～图7可以看出，Rp0.2与碳当量有较强的对应关系，不合适的碳当量可能造成强度不合格；而Rm与碳当量有一定的对应关系，二者随着厚度的增加其对应关系增强。图8～图9表明，当壁厚在230 mm时，钢的Rp0.2具有较大的调节范围，可通过调整碳当量和热处理两种手段进行调节；而壁厚在306.5 mm时，钢的冷却速度受到限制，Rp0.2可调节范围大大减少。

生产发现，Mn是16MnR钢提高强度最有效的元素之一，除了起强化基体的作用外，还能有效提高钢的淬透性。当Mn达到1.20%～1.30%时，才能保证Rp0.2≥275 MPa的要求。

研究还将表5中的材料参照美国腐蚀工程师协会NACE标准TM0284—2003进行HIC试验。试验初始时H2S饱和0.5%冰醋酸+5%NaCL混合溶液的pH值为2.8，试验后溶液的pH值为3.6。温度为25±3℃，实验时间720 h。试验结果表明，16MnR(HIC)筒体锻件抗氢、抗硫化氢环境氢致腐蚀性能良好，HIC试验的三项指标(CSR、CLR、CTR)均为零，试样外表面未发现鼓泡现象。

依据国标GB4157—2006进行SSCC试验。试验初始时H2S饱和0.5%冰醋酸+5%NaCL混合溶液的pH值为2.7，试验后溶液的pH值为3.8。温度为24±3℃，平行试样数目3件，实验时间720 h。结果显示，所有试样均未发生开裂，16MnR(HIC)筒体锻件抗氢、抗硫化物应力腐蚀门槛应力大于248 MPa。

以上实验说明，尽管提高了钢的碳当量(见表5试料4)，但大幅度降低了钢的S含量(达到0.001%)，钢水达到纯净钢时仍能满足材料的硫化氢环境抗氢致裂纹和应力腐蚀开裂试验要求。这与文献中HIC和SSCC产生机理和解决措施的观点一致。

4 结论

(1) 16MnR及16MnR(HIC)钢属C-Mn型铁素体钢，其淬透能力较弱。当增加冷却速度时，将大幅度提高钢的索氏体含量，为满足16MnR(HIC) 钢的强度和低温冲击功要求，必须采用调质工艺。

(2)890～970℃温度区间内，钢的显微组织、晶粒度对奥氏体化温度不敏感。由于索氏体份数没有改变，采用提高奥氏体温度的固溶强化方式效果不大。同时，16MnR钢强度随回火参数增大而下降，610～630℃回火时材料的强度下降不大，但回火温度达到630℃以后，材料的强度将大幅度下降。因此，钢的回火温度必须控制在630℃以下。

(3)16MnR及16MnR(HIC)的强度与碳当量有较大的对应关系，且随着厚度的增加其对应关系增强，特别是Rp0.2可以通过调整碳当量满足。但单纯进行调碳不能最有效的提高16MnR(HIC)钢的强度，应通过调整碳当量来满足。

(4)研究还发现，尽管提高了钢的碳当量，但大幅度降低了钢的S含量(达到0.001%)，使钢水达到纯净钢时仍能满足材料的硫化氢环境抗氢致裂纹和应力腐蚀开裂试验要求。

[1] 兰石集团有限公司. 兰石科技[J]. 兰州：2011年专刊，43-49.

[2] 《压力容器实用技术丛书》编写委员会. 压力容器制造和修理[M]. 2004，8：5-11.

[3] 杜军毅，孙嫘，鞠庆红. 冷高压分离器16Mn(HIC)抗氢钢超大型筒体研制[J]. 大型铸锻件, 2004，4：15-21.

[4] 佑藤新吾，等. 压力容器用碳素钢和Cr-Mo钢的材料特性. 大型铸锻件文集, 1988，6：246-2574.