新鋼大線能量焊接石油儲(chǔ)罐用12MnNiVR鋼板的研制

劉勝赫，董富軍，胡振平，熊慎凱

（新余鋼鐵股份有限公司，江西 新余338001）

1 前 言

2004年以來(lái)，石油儲(chǔ)備成為保證國(guó)家能源安全的重要措施之一。據(jù)預(yù)測(cè)，大型石油儲(chǔ)罐用鋼板每年的消耗量約十幾萬(wàn)噸［1］。國(guó)外大型石油儲(chǔ)罐用鋼板的開(kāi)發(fā)以日本為主，武鋼率先在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度不低于610 MPa 級(jí)高強(qiáng)度大線能量焊接鋼板的開(kāi)發(fā)，為該鋼板的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，國(guó)產(chǎn)大線能量焊接儲(chǔ)罐用鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用需迫切解決。石油儲(chǔ)備油罐的制造向高強(qiáng)度，大型化方向發(fā)展，要求鋼材不但要有高的強(qiáng)度和韌性，還要具有良好的焊接性能。大線能量焊接對(duì)傳統(tǒng)低合金鋼焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度和韌性會(huì)造成惡化，其強(qiáng)度和韌性隨焊接能量的提高而大幅下降，通過(guò)氧化物冶金技術(shù)及提高軋后冷卻速度，控制高熔點(diǎn)第二相粒子的尺寸和分布，抑制HAZ 區(qū)域奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，減少M(fèi)-A 組織，改善焊后韌性［2-6］。新鋼借助多年的技術(shù)進(jìn)步和設(shè)備改造成果，2009年XG610E大線能量焊接調(diào)質(zhì)壓力容器鋼板通過(guò)容標(biāo)委技術(shù)評(píng)審，鋼板市場(chǎng)認(rèn)可度逐漸提高。

2 成分設(shè)計(jì)與物理冶金性能研究

2.1 成分設(shè)計(jì)

大型原油儲(chǔ)備用鋼需要良好的強(qiáng)韌性匹配、焊接性能、模擬焊后熱處理性能等。采取低碳當(dāng)量，是確保鋼板焊接性優(yōu)異的根本條件；合金化目的在于控制組織結(jié)構(gòu)的預(yù)期轉(zhuǎn)變，奠定鋼板的強(qiáng)韌性基礎(chǔ)，適量Nb、V、Ti、Mo、Ni系合金元素的添加已成為主要的合金化方式；不使用對(duì)淬透性影響特別顯著的元素，如B和Cr等，采用較低的Mo含量和碳含量用于減少熱影響區(qū)上貝氏體及M-A 島的生成趨向，提高韌性；低N 高Al 微量Ti 合金化處理方法，形成高溫析出的氮化物，細(xì)化焊接熱影響區(qū)組織，增加形成的針狀鐵素體含量，保證熱影響區(qū)的強(qiáng)度和韌性，能徹底解決大線能量焊接對(duì)熱影響區(qū)韌性惡化的問(wèn)題［7］；提高鋼水純凈度、降低有害元素含量，有益于鋼板塑性、韌性和焊接性的改善。根據(jù)設(shè)計(jì)思路，具體成分見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.2 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

了解相變點(diǎn)和鋼在冷卻條件下的組織轉(zhuǎn)變行為是制定軋制工藝的基礎(chǔ)。采取熱模擬試驗(yàn)機(jī)Gleeble-3800對(duì)鋼種進(jìn)行CCT和SHCCT曲線測(cè)定，為成功開(kāi)發(fā)鋼板提供依據(jù)。

CCT 曲線測(cè)得的鋼板AC1=705 ℃，AC3=865 ℃，從圖1 可以看出，在較寬的冷卻速度范圍內(nèi)（冷卻速度約為20～0.28 ℃/h）均得到鐵素體＋珠光體＋貝氏體的顯微組織。冷卻速度較快（冷速＞20 ℃/s）時(shí)得到完全的貝氏體組織，冷速較慢（＜0.28 ℃/h）時(shí)得到完全的鐵素體＋珠光體組織。

圖1 試驗(yàn)鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT曲線

試驗(yàn)測(cè)定的SHCCT 曲線如圖2 所示。從SHCCT 曲線可以看出，t8/5較小時(shí)，主要得到貝氏體組織，此類貝氏體主要為板條狀貝氏體。當(dāng)t8/5＞30 s時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)少量針狀鐵素體組織，此時(shí)貝氏體組織仍然占據(jù)較多含量。當(dāng)t8/5＞90 s時(shí)，組織中開(kāi)始出現(xiàn)少量珠光體組織，此時(shí)針狀鐵素體數(shù)量增多。當(dāng)t8/5=500 s 時(shí)，組織中貝氏體含量較少，主要為針狀鐵素體和珠光體組織。

圖2 鋼的SHCCT曲線

3 工藝控制技術(shù)

大型石油儲(chǔ)罐用鋼板的冶煉連鑄生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預(yù)處理（脫硫脫磷）—轉(zhuǎn)爐熔煉—吹氬攪拌—LF 爐精煉—真空處理（VD 或RH）—連鑄（全程保護(hù)澆注）—鑄坯坑冷。提高細(xì)小均勻分布的高熔點(diǎn)析出相、鋼水純凈度，對(duì)硫化物夾雜進(jìn)行變形處理，是成功冶煉大線能量焊接12MnNiVR 的關(guān)鍵。通過(guò)精煉過(guò)程中氧活度的控制，可以實(shí)現(xiàn)凝固過(guò)程中Al2O3和 Ti2O3析出尺寸的控制［8］。Ti 的氧化物很容易在鋼液中聚集長(zhǎng)大，甚至上浮，凝固過(guò)程中，這種較大尺寸的氧化鈦聚合體多會(huì)殘留在鋼中，對(duì)大熱輸入焊接性能產(chǎn)生不利影響，所以不能單純地采用所謂Ti 的脫氧方法來(lái)生產(chǎn)大熱輸入焊接用鋼。轉(zhuǎn)爐出鋼按金屬錳-硅鐵-硅鋁鋇鐵-鋼芯鋁順序加入脫氧；鋼包出精煉爐前定氧，當(dāng)氧含量≤5×10-6時(shí)，加入鈦鐵；真空脫氣后，喂鈣線，進(jìn)行夾雜物改性處理，同時(shí)做好全程保護(hù)澆注。

大型原油儲(chǔ)罐用鋼板的軋制及熱處理工藝流程為：加熱—控軋控冷（TMCP）—熱處理—發(fā)運(yùn)?？剀埧乩涔に囀且环N有效改善產(chǎn)品最終組織和性能的方法，配合合理的成分設(shè)計(jì)和焊接工藝，可得到以針狀鐵素體為主的具有優(yōu)良綜合力學(xué)性能的HAZ 混合型細(xì)晶組織［9］。大型原油儲(chǔ)罐用鋼板的調(diào)質(zhì)處理包括在線和離線兩種熱處理方式，涉及的工藝：直接淬火-回火工藝（DQ+FT），直接淬火-在線熱處理工藝（DQ+HOP），離線淬火-回火工藝等。

4 冷卻速度對(duì)力學(xué)性能影響

國(guó)內(nèi)外部分企業(yè)相繼開(kāi)發(fā)了在線冷卻+離線回火工藝，替代傳統(tǒng)的離線淬火+回火工藝，節(jié)省了重新加熱奧氏體化過(guò)程，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，降低制造成本［10］。安排不同軋制和軋后冷卻工藝對(duì)厚度20 mm 鋼板組織和性能的影響試驗(yàn)，試驗(yàn)工藝如表2所示。

表2 鋼板軋制和冷卻工藝

對(duì)熱軋鋼板進(jìn)行金相組織分析，如圖3所示。

圖3 不同冷卻下鋼板的基體組織

1號(hào)鋼板冷卻速度小，組織為鐵素體、貝氏體和少量珠光體；2號(hào)鋼板組織為少量鐵素體和貝氏體；3 號(hào)鋼板冷卻速度21.0 ℃/s，組織出現(xiàn)貝氏體和共析鐵素體，出現(xiàn)較多共析鐵素體組織，原因是鋼板使用軋機(jī)平整時(shí)，壓下量小，鋼板弛豫時(shí)間長(zhǎng)，超過(guò)了孕育時(shí)間，發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變。4 號(hào)鋼板組織為貝氏體和馬氏體。鋼板經(jīng)相同的調(diào)質(zhì)工藝處理后，鋼板性能見(jiàn)表3。從表3看出，隨著冷卻速度的提高，鋼板調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度略微增加，沖擊值由243 J 提高到281 J。當(dāng)冷卻速度大于30 ℃/s 時(shí)，熱軋鋼板主要為貝氏體和馬氏體組織，鋼板離線調(diào)質(zhì)后，屈服強(qiáng)度提高8.72%，抗拉強(qiáng)度提高5.70%，伸長(zhǎng)率降低2.78%，沖擊值降低。控制熱軋鋼板組織形態(tài)對(duì)調(diào)質(zhì)鋼板性能有一定的影響。

表3 鋼板力學(xué)性能

5 鋼板認(rèn)證實(shí)物性能

新鋼在對(duì)大線能量焊接12MnNiVR 鋼板進(jìn)行容標(biāo)委技術(shù)評(píng)審過(guò)程中，除常規(guī)力學(xué)性能檢測(cè)外，還進(jìn)行了全面系統(tǒng)的物理參數(shù)檢測(cè)。

5.1 不同厚度鋼板韌性特征值

對(duì)不同厚度鋼板進(jìn)行系列溫度沖擊試驗(yàn)，分別按沖擊吸收功及沖擊試樣的纖維斷面率確定的不同厚度鋼板的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，具體見(jiàn)表4。

表4 不同厚度鋼板的韌性特征值

從表4數(shù)據(jù)可以看出，鋼板不同部位取樣的VTE和VTS均低于-45 ℃，表明不同厚度的鋼板具有良好的低溫韌性。

5.2 鋼板Z向性能

從表5 檢測(cè)結(jié)果表明，XG610E 鋼板具有良好的抗層狀撕裂性能。

表5 32 mm鋼板Z向斷面收縮率 %

5.3 鋼板高溫性能

對(duì)XG610E的21、32、40 mm規(guī)格的鋼板進(jìn)行了系列溫度的高溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。500 ℃的屈服強(qiáng)度依然保持了室溫屈服的80%以上，鋼板具有良好的高溫性能。

圖4 不同厚度規(guī)格鋼板高溫強(qiáng)度

5.4 鋼板應(yīng)用性能

鋼板經(jīng)過(guò)2.5%變形+250 ℃時(shí)效或5%變形+250 ℃時(shí)效的試驗(yàn)后，時(shí)效敏感小，沖擊依然保持良好，鋼板變形后再經(jīng)過(guò)580 ℃消除應(yīng)力熱處理后，依然保持了很好的沖擊韌性。

5.5 鋼板的焊接性能

在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行了焊接線能量為100 kJ/cm和120 kJ/cm的不同最高加熱溫度的焊接熱模擬試驗(yàn)，試樣的沖擊韌性如表6所示。從表6數(shù)據(jù)看，焊接線能量為100 kJ/cm下鋼板-15 ℃橫向沖擊值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具備良好的焊接性。

表6 不同焊接能量下試樣的-15 ℃橫向沖擊值/J

經(jīng)檢測(cè)，鋼板無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度NDTT 低于-35 ℃。鋼板經(jīng)過(guò)低溫（-20 ℃）的裂紋尖端張開(kāi)位移CTOD試驗(yàn)，鋼板具有良好的抗裂性能。鋼板經(jīng)過(guò)560~620 ℃保溫2 h 的模擬焊后，鋼板屈服強(qiáng)度稍有下降，抗拉強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化，伸長(zhǎng)率和-20 ℃低溫韌性無(wú)大的變化，其他性能良好，可見(jiàn)鋼板可經(jīng)過(guò)多次焊后熱處理。

5.6 批量生產(chǎn)實(shí)物質(zhì)量

隨著新鋼公司多輪設(shè)備改造，技術(shù)升級(jí)，產(chǎn)品實(shí)物控制水平逐漸提高，12MnNiVR 的Pcm 值范圍0.17%～0.20%，平均值0.185%。對(duì)鋼板力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)如表7 所示，由數(shù)據(jù)可見(jiàn)，產(chǎn)品的力學(xué)性能優(yōu)良。

表7 鋼板的力學(xué)性能情況

6 結(jié) 論

6.1 新鋼生產(chǎn)的石油儲(chǔ)罐用12MnNiVR 鋼板性能穩(wěn)定，完全可服務(wù)于10～15 萬(wàn)m3大型石油儲(chǔ)備罐建設(shè)的用鋼需求。

6.2 通過(guò)控軋控冷工藝，當(dāng)軋后冷卻速度＞30 ℃/s，熱軋鋼板組織為貝氏體+馬氏體，可以提高調(diào)質(zhì)12MnNiVR鋼板強(qiáng)度。