原油儲(chǔ)罐用國產(chǎn)高強(qiáng)鋼性能分析與工程實(shí)踐

謝 兵 彭 典 羅林林 何玉洪

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國水利水電第七工程局有限公司第二分局, 四川 成都 610017

0 前言

原油儲(chǔ)罐采用國產(chǎn)化高強(qiáng)度鋼板已有20余年的歷程。1999年武鋼生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼板(WH 610 D 2)首次應(yīng)用于北京燕山石化公司4臺(tái)10×104m3浮頂式原油儲(chǔ)罐上,雖然當(dāng)時(shí)鋼板的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)能滿足設(shè)計(jì)要求;但由于武鋼受制于當(dāng)時(shí)軋機(jī)的限制,鋼板表面質(zhì)量、板形控制等不如進(jìn)口鋼板,性能穩(wěn)定性稍差,生產(chǎn)成本較高,和進(jìn)口鋼板相比,技術(shù)價(jià)格優(yōu)勢不明顯,影響了儲(chǔ)罐用高強(qiáng)度鋼板的國產(chǎn)化進(jìn)程。

國產(chǎn)高強(qiáng)度鋼板真正得到全面推廣是在2004年以后。2004年3月,國家發(fā)展和改革委員會(huì)正式啟動(dòng)國家石油儲(chǔ)備基地一期項(xiàng)目建設(shè)。2004年6月,為打破國外企業(yè)壟斷,國家發(fā)改委能源局、工業(yè)司在多次聽取了國內(nèi)主要鋼鐵企業(yè)、中國石化集團(tuán)公司、國家石油儲(chǔ)備基地公司等單位意見后,明確提出,大型儲(chǔ)罐用高強(qiáng)度鋼板必須走國產(chǎn)化道路,要充分利用國家石油儲(chǔ)備基地建設(shè)的契機(jī),推廣國產(chǎn)化鋼板,擺脫高強(qiáng)度鋼板依賴進(jìn)口的局面。2004年7月,國家發(fā)改委能源局(石油儲(chǔ)備辦公室)、工業(yè)司組織召開了大型儲(chǔ)罐建設(shè)用高強(qiáng)度鋼板國產(chǎn)化工作啟動(dòng)會(huì)。會(huì)議正式?jīng)Q定成立國產(chǎn)化聯(lián)合攻關(guān)組。聯(lián)合攻關(guān)組由中國石化聯(lián)合國內(nèi)主要鋼企、研究院、設(shè)計(jì)院、焊材廠組成。聯(lián)合攻關(guān)組內(nèi)各鋼鐵企業(yè)的高強(qiáng)度鋼板相繼通過技術(shù)評(píng)審。并在四個(gè)國家儲(chǔ)備基地中使用,其中鎮(zhèn)海國家石油儲(chǔ)備基地使用了28臺(tái),大連國家石油儲(chǔ)備基地使用了18臺(tái),舟山國家石油儲(chǔ)備基地使用了38臺(tái),黃島國家儲(chǔ)備基地使用了20臺(tái)。

目前,選用國產(chǎn)高強(qiáng)度鋼板建造或已定貨準(zhǔn)備建造的大型儲(chǔ)罐已接近400臺(tái)。國內(nèi)能生產(chǎn)大型儲(chǔ)罐用高強(qiáng)度鋼板并投入應(yīng)用的鋼鐵企業(yè)有武漢鋼鐵(集團(tuán))公司、舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司、鞍鋼新軋鋼股份有限責(zé)任公司、寶山鋼鐵股份有限公司、濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司和南京鋼鐵聯(lián)合有限公司等。這些鋼鐵企業(yè)的高強(qiáng)度鋼板合計(jì)月最大生產(chǎn)能力超過40 000 t,完全能滿足國內(nèi)建設(shè)的需求[1]。

1 國產(chǎn)高強(qiáng)度鋼板的技術(shù)性能

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

儲(chǔ)罐用高強(qiáng)度鋼板有兩個(gè)特性：一是適用于大線能量焊接,二是低焊接裂紋敏感性。

為達(dá)到以上共同的兩個(gè)特性,各鋼企使用的技術(shù)路線卻并不相同。從軋制工藝上說,有離線淬火+離線回火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝;有在線控制冷卻(TMCP)+離線回火的控軋工藝。武鋼、舞鋼、寶鋼應(yīng)用的是前者,鞍鋼、濟(jì)鋼和南鋼應(yīng)用的是后者。即使是相同的軋制工藝,各企業(yè)所倚重的微合金化參數(shù)也不盡相同。最終金相組織有回火索氏體、下貝氏體等[2-7]。

1.2 主要元素對(duì)鋼板性能的影響

C質(zhì)量百分比,C是鋼中不可缺少的提高鋼材強(qiáng)度的元素之一,隨著C含量的增加,鐵中Fe3C增加,淬硬性也增加,鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服極限會(huì)提高而延伸率、沖擊韌性下降。C含量的增加會(huì)加劇焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的傾向。

Si質(zhì)量百分比,Si主要以固溶強(qiáng)化形式提高鋼的強(qiáng)度,但含量過高,會(huì)降低鋼的韌性,增加焊接裂紋敏感性。

Mn質(zhì)量百分比,Mn能提高鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,Mn過大,則會(huì)增加焊接裂紋敏感性,而且，帶來過大的淬透性會(huì)使鋼材韌性和接頭韌性變差。

S、P是雜質(zhì)元素，應(yīng)盡量予以控制。

Al是鋼中主要脫氧元素,Al過高會(huì)引起鋼中夾雜增多,不利于鋼的韌性。

Ti,是碳化物和氮化物強(qiáng)烈形成元素,它能明顯地提高鋼的高溫強(qiáng)度。Ti和N結(jié)合形成TiN細(xì)粒狀彌散分布的粒子,可以減輕大線能量焊接熱影響區(qū)的脆化。利用TiN的沉淀物還可以抑制焊接時(shí)奧氏體的晶粒粗大,增加針狀鐵素體的沉淀核。Ti和N應(yīng)按一定比例存在,效果方能達(dá)到最佳。

B是強(qiáng)烈提高淬透性的元素,能提高鋼的強(qiáng)度,和N聯(lián)合作用還能提高鋼的低溫韌性。但B的含量過高會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。

Ni、Cr有利于提高母材和焊接接頭的強(qiáng)度,改善韌性。過量會(huì)使焊接性能變差。

Mo能提高鋼的高溫性能和淬透性,過量會(huì)增加冷裂紋的敏感性。某鋼廠的08 MnNiVR正是通過發(fā)現(xiàn)以前的08 MnNiMoVR的冷裂紋問題后降低Mo含量后得到的成熟產(chǎn)品。

V也能提高鋼材和焊接接頭強(qiáng)度,但它和某些元素聯(lián)合作用會(huì)降低鋼材和接頭的韌性,增加裂紋敏感性,特別是厚板的裂紋敏感性。

Ni能提高鋼的強(qiáng)度和韌性,特別是低溫韌性[8]。

1.3 典型高強(qiáng)鋼化學(xué)成分范圍

各種高強(qiáng)度鋼板根據(jù)壁厚范圍不同,軋制參數(shù)也有變化,化學(xué)成分控制也不盡相同。但各鋼企公開的元素范圍卻差不多[9-11],見表1～3。

表1武鋼公開的元素范圍和性能參數(shù)

牌號(hào)CSiMnPSNiCrMoVPcmCeq12 MnNiVR≤0.150.15～0.401.20～1.60≤0.020≤0.0100.15～0.40≤0.30≤0.300.02～0.06≤0.23≤0.45

表2寶鋼公開的元素范圍和性能參數(shù)

牌號(hào)CSiMnPSNiCrMoVPcmCeq08 MnNiVR≤0.110.15～0.401.20～1.60≤0.015≤0.0050.15～0.40≤0.20≤0.300.02～0.06≤0.22≤0.44

表3日本新日鐵公開的元素范圍和性能參數(shù)

牌號(hào)CSiMnPSNiCrMoVPcmCeqSPV 490 Q0.08～0.140.15～0.551.10～1.60≤0.020≤0.010～≤0.10≤0.30≤0.08≤0.24≤0.45 注:Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B;Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14。

1.4 各標(biāo)準(zhǔn)高強(qiáng)鋼力學(xué)性能分析

隨著國內(nèi)裝備的不斷進(jìn)步和實(shí)物性能水平持續(xù)提高,大型原油儲(chǔ)罐用高強(qiáng)度鋼板因雜質(zhì)元素控制越來越嚴(yán)格,性能也越來越好。2011版GB 19189《壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板》(簡稱GB 19189-2011)相對(duì)于2003版就大大提高了沖擊功值。而中石化企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SHCG 51.1-2013《10萬立方米浮頂油罐用鋼板技術(shù)條件 第1部分:12 MnNiVR鋼板》,不但在GB 19189-2011基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了沖擊功值,還對(duì)各厚度范圍的延伸率作了明確要求,見表4。

表4各標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)罐用高強(qiáng)鋼力學(xué)性能要求

標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)厚度/mm拉伸試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)ReL/MPaRm/MPaA/(%)試驗(yàn)溫度/℃KV2/JGB 19189-200312 Mn-NiVR10～50≥490610-730≥17-20≥47GB 19189-201112 Mn-NiVR10～50≥490610-730≥17-20≥80Q/SHCG 51.1-201312 Mn-NiVR10～<2020～25>25～50≥490610-730≥17≥18≥19-20≥100JISG 3115-2010SPV 490 Q10～50≥490610-730注-10≥47 注:日本拉伸試驗(yàn)有關(guān)延伸率試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及要求與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不一致,此處不進(jìn)行對(duì)比。

1.5 焊接裂紋敏感性控制

根據(jù)以上三種鋼種化學(xué)成分和性能參數(shù)的比較,可發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)高強(qiáng)度鋼的焊接裂紋敏感性組成值Pcm控制要求比日本企業(yè)更加嚴(yán)格。

試驗(yàn)結(jié)果表明,該鋼板即使在0℃下施焊也可以不產(chǎn)生焊接冷裂紋。

國內(nèi)另外兩家某鋼企也做了斜Y坡口焊接冷裂紋試驗(yàn),見表6～7。

表5某鋼企甲鋼板斜Y坡口焊接冷裂紋試驗(yàn)結(jié)果

板厚/mmCeq/(%)預(yù)熱溫度/℃表面裂紋率/(%)斷面裂紋率/(%)320.41室溫0 0 00 0 0500 0 00 0 0750 0 00 0 01000 0 00 0 0 注:表中每預(yù)熱溫度為3件試件,每試件檢查5個(gè)剖面、10個(gè)斷面。

表6某鋼企乙鋼板斜Y坡口焊接冷裂紋試驗(yàn)結(jié)果

間隙/mm預(yù)熱溫度/℃表面裂紋率/(%)斷面裂紋率/(%)根部裂紋率/(%)2.0室溫05.002.0室溫03.602.05003.302.1500001.9750001.975000

表7某鋼企丙鋼板斜Y坡口焊接冷裂紋試驗(yàn)結(jié)果

間隙/mm預(yù)熱溫度/℃表面裂紋率/(%)斷面裂紋率/(%)根部裂紋率/(%)2.0750402.17504.52.01000001.910002.302.01250001.9125000

通過以上分析不難看出,在實(shí)際工程高強(qiáng)度鋼板焊接施工過程中,適當(dāng)降低焊前預(yù)熱溫度是可行的,但完全取消焊前預(yù)熱是值得商榷的。

1.6 再熱裂紋敏感性指數(shù)

日本伊藤等人采用Y型坡口拘束試板進(jìn)行研究,提出了再熱裂紋敏感性指數(shù)PSR的概念,并建立了公式[16]:

由此可見鋼材的化學(xué)成分中有較強(qiáng)的碳化物形成能力的元素對(duì)鋼材再熱裂紋敏感性是有影響的。

通過研究,當(dāng)PSR≥0時(shí),則易發(fā)生再熱裂紋。在工程應(yīng)用中,通常我們要求有開口接管焊接,需要作整體退火熱處理的SR鋼板PSR小于0.00。目前,國內(nèi)鋼企通過調(diào)整元素比值,均能讓這一指標(biāo)達(dá)到要求。

1.7 適合大線能量焊接

大線能量、自動(dòng)化、強(qiáng)迫成型是大型儲(chǔ)罐氣電立焊的基本特點(diǎn)。大線能量焊接可使焊接接頭奧氏體晶粒粗化和韌性損失。某鋼企甲對(duì)厚度為32 mm的鋼板進(jìn)行氣電立焊后力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表8。某鋼企乙對(duì)厚度為32、40 mm鋼板進(jìn)行氣電立焊后力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表9[17-18]。

表8某鋼企甲鋼板氣電立焊接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

線能量/(kJ·cm-1)拉伸試驗(yàn)-10℃ AKV/Jσb/MPa斷裂位置焊縫HAZ88.2～98.4640 670均為母材65 60 92177 177 198

表9某鋼企乙鋼板氣電立焊接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

板厚/mm取樣部位狀態(tài)試驗(yàn)溫度/℃AKV/J32焊縫焊態(tài)熱影響區(qū)焊態(tài)20116,112,117(115)0104,98,98(100)-1092,93,89(91)-2088,74,81(81)-4056,52,70(59)20108,126,99(111)072,92,93(86)-1077,81,72(77)-2066,51,57(58)-4026,24,28(26)40焊縫焊態(tài)熱影響區(qū)焊態(tài)20125,115,121(120)0102,86,106(98)-1072,82,77(77)-2076,55,70(67)-4036,38,52(42)20157,106,192(152)0116,99,81(99)-10113,61,73(82)-2071,64,70(68)-4020,37,41(26)

從上述實(shí)際施焊焊接接頭試驗(yàn)結(jié)果可以看出,鋼板在很大的焊接線能量范圍內(nèi),焊接接頭的沖擊韌性下降明顯,HAZ的沖擊韌性均保持與母材相當(dāng)?shù)乃?完全能滿足工程大線能量焊接需要。

2 工程中對(duì)高強(qiáng)度鋼板的技術(shù)要求

2.1 對(duì)板形的要求

鋼板尺寸、外形、質(zhì)量及其允許偏差按GB 19189-2011的規(guī)定。其中鋼板沿寬度方向的不平度不超過6/1 000。

2.2 力學(xué)和冷彎性能

鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)(橫向取樣)和冷彎試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合表10規(guī)定。

2.3 焊后性能的要求

全部鋼板應(yīng)保證油罐經(jīng)過氣電立焊(線能量70～100 kJ/cm)、埋弧焊、手工焊、氣保焊后,焊接接頭的熱影響區(qū)夏比V形缺口-20℃沖擊功平均值不低于47 J,單個(gè)值不低于33 J,試驗(yàn)方法及要求按NBT 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的規(guī)定進(jìn)行。沖擊試樣的取樣位置從焊縫上表面刨掉1～2 mm做為沖擊試樣上表面,沖擊試樣的缺口劃線位置為斷面浸蝕出熔合線(FL)中點(diǎn)向焊接熱影響區(qū)方向外推1 mm,或緊靠熔合線(FL)最上方,最大限度地通過焊接熱影響區(qū)[19]。

表10拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)(橫向取樣)和冷彎試驗(yàn)

力學(xué)性能12 MnNiVR/08 MnNiVR(包括SR板)抗拉強(qiáng)度Rm/(N·mm-2)或σb 610～730屈服點(diǎn)Rel(N/mm2)或σs ≥490伸長率A(%)或δ5厚度<20 mm A≥17厚度為33、27 mm A≥19注1厚度為21.5、21、18 mm A≥18注1屈強(qiáng)比厚度≥20 mm屈強(qiáng)比≤0.91;厚度<20 mm屈強(qiáng)比≤0.93冷彎試驗(yàn) b=2a 180°d=3a低溫夏比(V形缺口)-20℃沖擊試驗(yàn)注2/J 三個(gè)平均 ≥100 1個(gè)最低 ≥70 注:1.厚度為21.5、21、18 mm的鋼板允許有10 % 的量17≤A<18,厚度為33、27 mm的鋼板允許有5 % 的量18≤A<19;2.首批供貨時(shí)提供每種厚度規(guī)格系列溫度下的沖擊功值;3.提供鋼板尾部的拉伸性能試驗(yàn)值。

3 存在的問題及發(fā)展建議

3.1 抗大線能量焊接能力問題

目前,按GB 19189-2011規(guī)定,高強(qiáng)度鋼板12 MnNiVR的焊接線能量要求必須在100 KJ/cm以下。根據(jù)計(jì)算,大線能量的氣電立焊最大允許厚度須小于23 mm。以10×104m3原油儲(chǔ)罐為例,第一和第二圈壁板立縫就必須開X型坡口,采取雙面焊。這樣勢必大大降低焊接效率,焊接質(zhì)量也較單面焊低,增大返修幾率。

如果能發(fā)展出可抗150 kJ/cm線能量級(jí)的鋼板,則厚度為26～27 mm,也就是10×104m3原油儲(chǔ)罐的第二圈壁板,其立焊縫也可以采用開V型坡口的單面焊。如果發(fā)展出可抗180 KJ/cm線能量級(jí)的鋼板,則厚度為32～33 mm,也就是10×104m3原油儲(chǔ)罐的第一圈壁板,其立焊縫也可以采用開V型坡口的單面焊。我們可喜地看到,目前有些國內(nèi)企業(yè),如湘鋼生產(chǎn)的高強(qiáng)鋼(XG 610 D),其實(shí)物值已經(jīng)可以達(dá)到抗180 KJ/cm線能量焊接的要求。如果在適當(dāng)成本范圍內(nèi)能保證其性能穩(wěn)定,則原油儲(chǔ)罐用高強(qiáng)鋼取得新的技術(shù)突破將大為可期。

3.2 抗腐蝕問題

原油中大多含有酸、鹽、硫等腐蝕性物質(zhì),原油儲(chǔ)罐罐底水區(qū)部分的油水混合物中腐蝕介質(zhì)則更為集中,一般有含量不等的H2S、SO2、CO2等腐蝕性較強(qiáng)的物質(zhì)。工程檢修中發(fā)現(xiàn),原油儲(chǔ)罐的腐蝕部位主要集中在罐底部2 m以下的罐壁板及罐底板。腐蝕形態(tài)主要表現(xiàn)是坑蝕。如果檢修不及時(shí)或防腐涂層質(zhì)量原因,致使腐蝕程度逐漸加深,則會(huì)大大降低儲(chǔ)罐的使用年限或增加儲(chǔ)罐的檢修成本。

所以在大型原油儲(chǔ)罐用高強(qiáng)度鋼板解決了高強(qiáng)度、高韌性、低裂紋敏感性和抗大線能量焊接等機(jī)械性能后,適當(dāng)往抗腐蝕性能上延伸,進(jìn)一步提高此種鋼板的品質(zhì),不無是一種好的選擇。

3.3 交貨狀態(tài)問題

標(biāo)準(zhǔn)GB 19189-2011明確規(guī)定12 MnNiVR只有一種交貨狀態(tài),就是淬火+回火。但從第一批試制成功的鋼企來看,交貨狀態(tài)就不統(tǒng)一。目前更是各自為戰(zhàn),淬火+回火,DQ+回火,TMCP+回火三種工藝并存,且都各自在工程實(shí)踐中成功應(yīng)用。因此,國家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)跟進(jìn)就顯得尤為重要,否者難免會(huì)給設(shè)計(jì)人員和用戶帶來不必要的困擾。

4 結(jié)論

大型儲(chǔ)罐用國產(chǎn)高強(qiáng)度鋼板具有高強(qiáng)度,高沖擊韌性、適合大線能量焊接、低焊接裂紋敏感性,低再熱裂紋敏感性等特性。該型鋼板的跨行業(yè)聯(lián)合研制和迅速推廣,是一件非常鼓舞人心,長民族志氣的大事。目前先進(jìn)的控軋控冷+在線回火(HOP)工藝等新技術(shù)的應(yīng)用,使高強(qiáng)度鋼板的生產(chǎn)不但速度更快、生產(chǎn)周期更短,且成本得到了較大的降低?；仡櫞笮蛢?chǔ)罐用高強(qiáng)度鋼板的研制歷程,仍有重要的借鑒意義。