大壁厚国产低温材料的实际应用

张宪州，毛向敏

（山东华鲁恒升化工股份有限公司，山东 德州 253024）

随着我国煤化工和石油化工行业的持续发展，国内对低温容器钢的需求增加。08Ni3DR 钢亦称为3.5Ni 钢，是含镍量为3.5%的超低温钢，在-101℃具有优良低温韧性和较高的强度，因此成为-100℃级低温设备和容器的最重要结构材料，广泛应用于制造煤化工行业的低温设备。08Ni3DR 钢是舞钢公司与合肥通用机械研究院联合研发的钢种，于2008 年6 月通过全国锅炉压力容器标准技术委员会组织的技术评审。该钢种磷、硫含量很低：磷（0.007%）、硫（0.003%），钢板-101℃低温冲击功达150J 以上，远高于美国ASME SA203 的技术指标。但该钢种在前期的应用厚度不大，均在70mm 以下。我公司近期某项目的一台低温设备，设计温度-75℃，设计压力6.5MPa，直径4500mm，高度74m，原设计为不锈钢，为降低设备投资，我们开始考虑用08Ni3DR 代替，经计算厚度为100mm。业内还没有此厚度的使用业绩。为此我们在材料的成分性能指标考核及制造工艺（成型，检验，热处理）等多个方面进行了调查研究，并进行了相关试验，最终成功的将厚壁的08Ni3DR 钢板应用在了设备上。

1 材料的熔炼分析

钢的化学成分（熔炼分析wt%）应符合下表的规定（GB150。2 附表A.5）。

表1 钢的化学成分含量

08Ni3DR 钢的低温韧性是通过较低的碳含量，以及极低的有害元素（S、P），同时添加镍来降低钢的韧脆转变温度以及合理的组织控制来实现的。但碳当量较低，厚板热处理时间将延长，且为保证强度，还要要增加碳含量。故为保证钢板成品的性能，建议对S、P、Ni、Mn 等元素提成品分析要求。

表2 钢中S、P、Ni、Mn 元素的提取要求

2 材料的力学性能

本设备用08Ni3DR 钢板的机械性能应符合GB150.2-2011以及附录A.2.3 的规定。板材以正火+回火状态供货，并按NB/T47013.3 逐张进行超声波无损检查，质量等级应符合II 级要求合格。应逐张对钢板热处理并进行拉伸、弯曲和-100℃夏比（V型缺口）冲击试验，试验方向取为横向，三个试件的平均冲击功值KV2 ≥47J，允许其中一个冲击功值小于47J，但不能小于33J，拉伸性能要求：Rel ≥300MPa，480 ≤Rm ≤610MPa，A ≥21%。

但由于设备壁厚较厚，为保证板材芯部性能，建议对100mm厚钢板增加1/2 厚度处进行取样分析，-100℃进行冲击试验，冲击功≥分别为60J。

同时按照GB6803 在-100℃进行进行落锤试验，试样均未断裂，说明钢板的韧脆转变温度至少≤-105℃。

3 材料的热处理

对于厚度大的低合金钢，热处理问题一直在困扰着设计和制造单位。按照标准要求：钢板以正火、正火（允许加速冷却）加回火状态，或离线淬火加回火状态交货，回火温度不低于620℃。但对于厚板来说，正火的冷却速度根本无法保证板芯部的材料性能。经过多次试验研究，最终决定采用淬火加回火。

首先将材料加热到850℃，快速水冷到300℃以下，为保证芯部的冷却速度要求冷却水的水温不得高于30℃，保证材料的冷却速度高于15℃/S。之后加热到650℃进行回火处理后，晶粒细小均匀，表面组织为回火索氏体（见图1），1/2 处为回火贝氏体+铁素体（见图2），综合力学性能良好。

材料热处理后进行相应性能检测，均满足要求：1/2 厚度处-100℃进行冲击试验，冲击功分别为：221J，176J，186J，平均值为194J，远大于60J。

图1 100mm 钢板组织；500×；表面、贝氏体+铁素体

图2 100mm 钢板组织；500×；板厚1/2 处、贝氏体+铁素体

4 结论

通过对08Ni3DR 100mm 厚钢板的性能进行充分的调研与试验，发现该材料的厚钢板完全满足使用要求，性能表现良好。但在实际应用或设计中应注意以下问题：

（1）该材料的厚板在使用时为保证芯部的性能，热处理应该采用淬火+回火的热处理形式，并应保证一定的降温速度，可减小板厚效应。

（2）对影响材料的性能的关键因素应提出明确要求，来保证材料的力学性能、热处理性能等。

（3）材料的复验应增加板厚1/2 处的冲击试验，建议不小于60J。

（4）建议按GB6803 的要求，提在-100℃提落锤试验要求。