09MnNiDR钢板产品性能与材料标准指标符合性分析

郭志芳

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

某海上油气处理项目2台摇摆塔器原设计标准为 ASMEⅧ-1（2021）《Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1》［1］, 制 造材料为SA537 CL1。为实现该塔器的国产化设计制造，计划依据GB/T 3531—2014《低温压力容器用钢板》［2］进行设计，采用国产 09MnNiDR 钢板［3］进行制造。

目前国内有数十家供应09MnNiDR钢板的钢厂，均可保证钢板产品满足标准要求，但有应用表明09MnNiDR钢板经容器厂加工制造后性能与钢板质保书不一致［4-5］。此外，塔体用材属于厚壁（最大壁厚超过 60 mm）、低温（-70℃、）钢板，已有海洋平台上厚壁09MnNiDR高压容器应用表明原材料或加工成形后钢板心部的低温冲击吸收能量不满足 GB/T 3531—2014中材料标准要求［6-7］。这些都说明部分钢厂的供货能力及产品质量与事实存在一定的差异，要保障本项目顺利实施，有必要开展09MnNiDR钢板订货前的工厂供货能力及产品质量考察评估。

文中介绍了对国内某大型钢厂09MnNiDR钢板产品进行的分析过程和评估结果，同时探讨了09MnNiDR厚板心部低温冲击吸收能量不合格问题，分析了影响钢板低温性能的因素及改进措施。相关研究结果将为后续工程实践中厚壁09Mn-NiDR高压容器的设计制造选择合格供应商、制定符合市场实际情况的09MnNiDR订货技术条件提供指导和参考。

1 09MnNiDR钢板产品技术数据统计分析

1.1 化学成分

从国内某大型钢厂生产的130个批次09MnNiDR钢板产品化学成分分析数据中，抽取对钢板性能有重要影响的主要合金元素 C、Mn、Ni以及主要有害元素P、S数据制成含量分布柱状图，见图1～图5。

图1 130个批次09MnNiDR钢板C质量分数分布

图2 130个批次09MnNiDR钢板Mn质量分数分布

图3 130个批次09MnNiDR钢板Ni质量分数分布

图4 130个批次09MnNiDR钢板P质量分数分布

图5 130个批次09MnNiDR钢板S质量分数分布

由图1～图5可以看出，钢板中C元素质量分数在0.053%～0.080%，平均值为 0.067%；钢板中Mn元素质量分数在1.45%～1.588%，平均值为1.531%；钢板中Ni元素质量分数在 0.507%～0.777%，平均值为0.539%；钢板中P元素质量分数在0.002 8%～0.009 3%，平均值为0.005 1%；钢板中S元素质量分数在0.000 3%～0.002 1%，平均值为0.000 81%。

将图1～图5中各个元素的最小值、最大值、平均值以及GB/T 3531—2014中09MnNiDR钢中相应元素质量分数指标（简称指标1）制成表格，见表1。

由表1可以看出，C元素质量分数分布相对集中，远低于GB/T3531—2014规定的指标。Mn元素质量分数基本呈正态分布，接近指标上限值。Ni元素质量分数95%置信区间0.533%～0.545%，绝大多数数据分布于平均值附近，仅个别接近指标上限值。P元素质量分数远小于该上限，最大值仅为上限值的46.5%。S元素质量分数多集中于平均值附近，95%置信区间0.000 77%～0.000 86%，平均值为标准指标上限的10%。

此外，除表1所列的主要化学元素成分外，09MnNiDR钢板产品中还含有少量Cu、Cr、V、Ti、Mo等残余合金元素。这些元素主要由铁矿石与废钢等原材料带入，在钢板中质量分数相对少，与钢板性能相关性较弱，这里不做讨论。

表1 130个批次09MnNiDR钢板产品化学成分分布特征值及标准指标（质量分数） %

总之，统计分析结果表明，钢厂130个批次09MnNiDR钢板产品主要合金元素C、Mn、Ni以及主要有害元素P、S质量分数均满足GB/T 3531—2014中的相应指标，产品化学成分稳定而且对P、S有害杂质做到了严格控制。

1.2 力学性能

1.2.1 整体情况

对收集到的573组09MnNiDR钢板产品力学性能数据进行统计分析。每组力学性能参数类别包括屈服强度ReL、抗拉强度Rm、断后伸长率A以及-70℃冲击吸收能量，涉及的钢板厚度在12～99 mm。提取各组数据中最小值、最大值、平均值，将提取值与GB/T 3531—2014中09MnNiDR钢材的相应力学性能指标（简称指标2）制成表格，见表2。

由表2可以看出，钢板产品屈服强度数据在321～434 MPa，平均 382 MPa，大于 260～300 MPa，满足GB/T 3531—2014中指标且存在较大强度裕量。钢板产品屈服强度数据较为分散，这种分布是不同板厚钢板所致，属于正常现象。钢板产品抗拉强度数据分布在455～533 MPa，平均为498 MPa，大于420～570 MPa，达到GB/T3531—2014中钢板抗拉强度指标。钢板产品断后伸长率在26.0%～39.5%，平均为 31.39%，大于 23%，达到 GB/T 3531—2014中规定钢板断后伸长率指标。钢板产品T/4取样位置-70℃冲击吸收能量在 177～415 J，平均为319 J，远大于60 J，满足GB/T 3531—2014中指标；T/2取样位置 -70℃冲击吸收能量在205～363 J，平均为296 J，远大于 60 J，满足 GB/T 3531—2014中指标，而且低温性能富裕量大。

表2 573组09MnNiDR钢板产品力学性能数据特征值与标准指标

1.2.2 专项分析

据了解，针对实际工程曾出现的厚板09MnNiDR心部-70℃冲击吸收能量不合格问题，钢厂采取了提高钢材纯净度、优化轧制工艺措施。实地考察时，对其厚板产品进行了低温冲击性能专项分析。

对板厚在56～99 mm的1 074个T/4取样位置-70℃冲击吸收能量数据进行的专项分析结果表明，钢板冲击吸收能量总体在226～400 J，平均为332 J，这表明09MnNiDR特厚板同样具有优秀的低温冲击韧性。

对钢厂提供的45块钢板的135个T/2取样位置试样-70℃冲击吸收能量数据进行的专项分析表明，钢板产品T/2试样位置-70℃冲击吸收能量总体在205～363 J，平均为296 J，该结果与T/4试样位置-70℃冲击吸收能量数总体范围及平均值基本相当，说明钢板心部低温冲击韧性优良。

2 09MnNiDR厚钢板技术数据实验室抽样检测

2.1 化学成分

在实验室测定09MnNiDR钢板材料化学成分，钢板供货状态为正火加回火。分别用70 mm和100 mm厚度09MnNiDR钢板进行试验，化学成分分析按GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》［8］的有关规定 进行光谱分析，测定结果见表3。该结果表明，样品化学成分达到GB/T 3531—2014中09MnNiDR成分指标，同时与钢材化学成分统计结果吻合。

表3 09MnNiDR钢板化学成分实测数据（质量分数） %

2.2 拉伸性能

在实验室测定09MnNiDR钢板材料拉伸性能。采用圆棒拉伸试样标据50 mm，直径10 mm，取样位置包括T/4及T/2，取样方向分为横向和纵向，每个测试点重复3根试样。参考GB/T 228.1—2010《金属材料 室温拉伸试验方法》［9］在WE-30液压式万能材料试验机上进行钢板室温拉伸性能测定，结果见表4。

表4 70 mm与100 mm厚09MnNiDR钢板拉伸性能测试结果

表4表明，钢板屈服强度总体在325～385 MPa，抗拉强度在465～495 MPa，断后伸长率在34.0%～38.5%，测定结果均达到GB/T 3531—2014中规定的拉伸性能指标，钢板厚度、取样位置、取样方向对测定结果影响不大。

2.3 低温冲击性能

进行-70℃冲击试验。试验参考GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》［10］，试样取样位置为T/4及T/2，取样方向为横向和纵向,每个测试点重复3个试样。试验设备为PIT452D示波式夏比冲击试验机。试验低温环境为酒精加液氮调制的低温溶液，低温仪型号为3102-1，试验测定结果见表5。

表5表明，-70℃冲击吸收能量均显著大于GB/T3531—2014中冲击吸收能量最低60 J的指标。而且，在相同取样位置与取样方向条件下，70 mm与100 mm厚钢板-70℃冲击吸收能量基本一致。相同板厚与取样位置条件下，纵向取样试样冲击吸收能量稍高于横向取样。相同板厚与取样方向条件下，除70 mm板横向取样T/4试样冲击吸收能量略高于T/2冲击吸收能量外，其余T/4试样冲击吸收能量明显高于T/2冲击吸收能量，可见09MnNiDR厚板具备优秀的低温冲击韧性。

表5 70 mm与100 mm厚09MnNiDR钢板-70℃冲击吸收能量 J

2.4 落锤试验

落锤试验按照GB/T 6803—2008《铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法》［11］进行，试验机型号为ZCJ2203，试验打击能量为350 J，试样为P2型，表层和心部横向取样。试验低温介质为液氮加酒精，试验时试样过冷度为1～2℃，试验温度下保温40 min，试验结果见表6（○表示试样未断裂，×表示试样断裂）。

表6表明，相同板厚下，钢板表层无塑性转变温度（NDTT）低于心部，显示钢板表层具备更优的低温抗脆断能力，该趋势与冲击试验结果一致。落锤试验结果表明70 mm与100 mm厚09MnNiDR钢板具有较低的无塑性转变温度，满足-70℃低温服役要求。

表6 70 mm和100 mm厚09MnNiDR钢板落锤试验结果

3 09MnNiDR厚钢板心部低温冲击吸收能量不合格问题探讨

3.1 检验要求变化

以往塔器设计制造中，对09MnNiDR钢板冲击韧性提出的检验要求为T/4处冲击韧性达标。近些年大型塔器不断得到推广应用，国内工程界出于压力容器的服役安全性考虑，提出检验T/2处冲击韧性要求，发现时有09MnNiDR厚板心部被检出-70℃冲击吸收能量不合格［12］。

某二氧化碳吸收塔产品封头先后进行6次模拟热压及热处理试验，材料性能试验分别在3家实验室进行，结果显示每次试验板厚T/2处的-70℃冲击吸收能量均出现低值［13］。某50 mm厚的09MnNiDR钢制锥体在920℃热成形后空冷，随后进行660℃回火处理，复验钢材-70℃冲击性能不合格。

3.2 不合格案例分析

以上案例发生后进行的相关检验检查表明，二氧化碳吸收塔产品封头低值冲击试样断口存在带状组织，裂纹源区存在MnS夹杂物和NbC析出。50 mm厚的09MnNiDR钢制锥体的热成形和热处理符合工艺要求，钢板化学成分满足相关标准规定，金相组织以铁素体加珠光体为主，但存在明显组织偏析［14］。09MnNiDR厚板心部的冲击吸收能量存在较大的分散性，3个试验结果包含1个或2个低值。这些09MnNiDR厚板心部低温冲击吸收能量不合格问题均与钢板组织偏析有关，但是钢板组织偏析一般源于钢坯的成分偏析，同时采用常规加工制造过程也无法改变钢板组织偏析的状态。

换言之，钢板供货态也存在组织偏析，这一点钢材质保书中分散的冲击吸收能量数据可以证实。钢材供货态低温冲击吸收能量合格，但经过热加工/热成形后低温冲击无法达标，这表明组织偏析不是导致钢板低温冲击吸收能量不合格的根本原因。

3.3 处理措施讨论

GB/T 3531—2014允许对厚度超过60 mm的09MnNiDR钢板采用正火处理后加快速冷却工艺，钢厂一般利用此工艺解决09MnNiDR厚板心部组织粗大、钢板拉伸和冲击性能不易保证问题［15］。丛轶等［14］采用正火后加速冷却的方法，具体工艺为锥体在（910±15）℃加热，保温60 min后浸水冷却，之后进行（660±15）℃回火。经该工艺处理后09MnNiDR钢板原铁素体加珠光体组织产生大量细小粒状贝氏体，晶粒较之前明显细化，钢板-70℃冲击吸收能量大幅提高，尽管3个冲击数值仍存在一定分散性，但冲击吸收能量均明显高于标准要求。

笔者认为，钢厂可结合工厂实际情况从两个方面着手提高钢板心部的冲击性能，首先优化冶炼以及控轧工艺，提高钢材纯净度，从而减轻铸坯中心偏析，消除或者减少带状组织，从源头上提升钢板性能。其次针对09MnNiDR厚板制定合理可行的热成形、热处理工艺，必要时监控试件金相组织，以保证热加工后钢板性能恢复至供货状态。

4 结语

大型工程项目用钢安全性要求高，订货时仅有产品质量保证书是不够可靠的，应在订货前有步骤地展开实地考察，从厂家获取第一手产品技术数据，同时委托有资质的检验检测单位对厂家产品抽样检验，结合具体项目要求进行数据的对比、分析和研究。对国内某大型钢厂进行的实地考察结果表明，钢厂生产的09MnNiDR厚板产品总体质量稳定、技术成熟，测试结果与统计结果相符，能够满足海洋平台项目塔器制造使用厚壁09MnNiDR钢板的需求。文中的评估方法和实施过程可为同类订货实地考查提供参考。