09MnNiDR鋼板產(chǎn)品性能與材料標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)符合性分析

郭志芳

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

某海上油氣處理項(xiàng)目2臺(tái)搖擺塔器原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為 ASMEⅧ-1（2021）《Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1》［1］, 制 造材料為SA537 CL1。為實(shí)現(xiàn)該塔器的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)制造，計(jì)劃依據(jù)GB/T 3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》［2］進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用國(guó)產(chǎn) 09MnNiDR 鋼板［3］進(jìn)行制造。

目前國(guó)內(nèi)有數(shù)十家供應(yīng)09MnNiDR鋼板的鋼廠，均可保證鋼板產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但有應(yīng)用表明09MnNiDR鋼板經(jīng)容器廠加工制造后性能與鋼板質(zhì)保書(shū)不一致［4-5］。此外，塔體用材屬于厚壁（最大壁厚超過(guò) 60 mm）、低溫（-70℃、）鋼板，已有海洋平臺(tái)上厚壁09MnNiDR高壓容器應(yīng)用表明原材料或加工成形后鋼板心部的低溫沖擊吸收能量不滿足 GB/T 3531—2014中材料標(biāo)準(zhǔn)要求［6-7］。這些都說(shuō)明部分鋼廠的供貨能力及產(chǎn)品質(zhì)量與事實(shí)存在一定的差異，要保障本項(xiàng)目順利實(shí)施，有必要開(kāi)展09MnNiDR鋼板訂貨前的工廠供貨能力及產(chǎn)品質(zhì)量考察評(píng)估。

文中介紹了對(duì)國(guó)內(nèi)某大型鋼廠09MnNiDR鋼板產(chǎn)品進(jìn)行的分析過(guò)程和評(píng)估結(jié)果，同時(shí)探討了09MnNiDR厚板心部低溫沖擊吸收能量不合格問(wèn)題，分析了影響鋼板低溫性能的因素及改進(jìn)措施。相關(guān)研究結(jié)果將為后續(xù)工程實(shí)踐中厚壁09Mn-NiDR高壓容器的設(shè)計(jì)制造選擇合格供應(yīng)商、制定符合市場(chǎng)實(shí)際情況的09MnNiDR訂貨技術(shù)條件提供指導(dǎo)和參考。

1 09MnNiDR鋼板產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

1.1 化學(xué)成分

從國(guó)內(nèi)某大型鋼廠生產(chǎn)的130個(gè)批次09MnNiDR鋼板產(chǎn)品化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)中，抽取對(duì)鋼板性能有重要影響的主要合金元素 C、Mn、Ni以及主要有害元素P、S數(shù)據(jù)制成含量分布柱狀圖，見(jiàn)圖1～圖5。

圖1 130個(gè)批次09MnNiDR鋼板C質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖2 130個(gè)批次09MnNiDR鋼板Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖3 130個(gè)批次09MnNiDR鋼板Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖4 130個(gè)批次09MnNiDR鋼板P質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖5 130個(gè)批次09MnNiDR鋼板S質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

由圖1～圖5可以看出，鋼板中C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.053%～0.080%，平均值為 0.067%；鋼板中Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.45%～1.588%，平均值為1.531%；鋼板中Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 0.507%～0.777%，平均值為0.539%；鋼板中P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.002 8%～0.009 3%，平均值為0.005 1%；鋼板中S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.000 3%～0.002 1%，平均值為0.000 81%。

將圖1～圖5中各個(gè)元素的最小值、最大值、平均值以及GB/T 3531—2014中09MnNiDR鋼中相應(yīng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)（簡(jiǎn)稱(chēng)指標(biāo)1）制成表格，見(jiàn)表1。

由表1可以看出，C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布相對(duì)集中，遠(yuǎn)低于GB/T3531—2014規(guī)定的指標(biāo)。Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本呈正態(tài)分布，接近指標(biāo)上限值。Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%置信區(qū)間0.533%～0.545%，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)分布于平均值附近，僅個(gè)別接近指標(biāo)上限值。P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于該上限，最大值僅為上限值的46.5%。S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)多集中于平均值附近，95%置信區(qū)間0.000 77%～0.000 86%，平均值為標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)上限的10%。

此外，除表1所列的主要化學(xué)元素成分外，09MnNiDR鋼板產(chǎn)品中還含有少量Cu、Cr、V、Ti、Mo等殘余合金元素。這些元素主要由鐵礦石與廢鋼等原材料帶入，在鋼板中質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)少，與鋼板性能相關(guān)性較弱，這里不做討論。

表1 130個(gè)批次09MnNiDR鋼板產(chǎn)品化學(xué)成分分布特征值及標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

總之，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，鋼廠130個(gè)批次09MnNiDR鋼板產(chǎn)品主要合金元素C、Mn、Ni以及主要有害元素P、S質(zhì)量分?jǐn)?shù)均滿足GB/T 3531—2014中的相應(yīng)指標(biāo)，產(chǎn)品化學(xué)成分穩(wěn)定而且對(duì)P、S有害雜質(zhì)做到了嚴(yán)格控制。

1.2 力學(xué)性能

1.2.1 整體情況

對(duì)收集到的573組09MnNiDR鋼板產(chǎn)品力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。每組力學(xué)性能參數(shù)類(lèi)別包括屈服強(qiáng)度ReL、抗拉強(qiáng)度Rm、斷后伸長(zhǎng)率A以及-70℃沖擊吸收能量，涉及的鋼板厚度在12～99 mm。提取各組數(shù)據(jù)中最小值、最大值、平均值，將提取值與GB/T 3531—2014中09MnNiDR鋼材的相應(yīng)力學(xué)性能指標(biāo)（簡(jiǎn)稱(chēng)指標(biāo)2）制成表格，見(jiàn)表2。

由表2可以看出，鋼板產(chǎn)品屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)在321～434 MPa，平均 382 MPa，大于 260～300 MPa，滿足GB/T 3531—2014中指標(biāo)且存在較大強(qiáng)度裕量。鋼板產(chǎn)品屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)較為分散，這種分布是不同板厚鋼板所致，屬于正?，F(xiàn)象。鋼板產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布在455～533 MPa，平均為498 MPa，大于420～570 MPa，達(dá)到GB/T3531—2014中鋼板抗拉強(qiáng)度指標(biāo)。鋼板產(chǎn)品斷后伸長(zhǎng)率在26.0%～39.5%，平均為 31.39%，大于 23%，達(dá)到 GB/T 3531—2014中規(guī)定鋼板斷后伸長(zhǎng)率指標(biāo)。鋼板產(chǎn)品T/4取樣位置-70℃沖擊吸收能量在 177～415 J，平均為319 J，遠(yuǎn)大于60 J，滿足GB/T 3531—2014中指標(biāo)；T/2取樣位置 -70℃沖擊吸收能量在205～363 J，平均為296 J，遠(yuǎn)大于 60 J，滿足 GB/T 3531—2014中指標(biāo)，而且低溫性能富裕量大。

表2 573組09MnNiDR鋼板產(chǎn)品力學(xué)性能數(shù)據(jù)特征值與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)

1.2.2 專(zhuān)項(xiàng)分析

據(jù)了解，針對(duì)實(shí)際工程曾出現(xiàn)的厚板09MnNiDR心部-70℃沖擊吸收能量不合格問(wèn)題，鋼廠采取了提高鋼材純凈度、優(yōu)化軋制工藝措施。實(shí)地考察時(shí)，對(duì)其厚板產(chǎn)品進(jìn)行了低溫沖擊性能專(zhuān)項(xiàng)分析。

對(duì)板厚在56～99 mm的1 074個(gè)T/4取樣位置-70℃沖擊吸收能量數(shù)據(jù)進(jìn)行的專(zhuān)項(xiàng)分析結(jié)果表明，鋼板沖擊吸收能量總體在226～400 J，平均為332 J，這表明09MnNiDR特厚板同樣具有優(yōu)秀的低溫沖擊韌性。

對(duì)鋼廠提供的45塊鋼板的135個(gè)T/2取樣位置試樣-70℃沖擊吸收能量數(shù)據(jù)進(jìn)行的專(zhuān)項(xiàng)分析表明，鋼板產(chǎn)品T/2試樣位置-70℃沖擊吸收能量總體在205～363 J，平均為296 J，該結(jié)果與T/4試樣位置-70℃沖擊吸收能量數(shù)總體范圍及平均值基本相當(dāng)，說(shuō)明鋼板心部低溫沖擊韌性優(yōu)良。

2 09MnNiDR厚鋼板技術(shù)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室抽樣檢測(cè)

2.1 化學(xué)成分

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定09MnNiDR鋼板材料化學(xué)成分，鋼板供貨狀態(tài)為正火加回火。分別用70 mm和100 mm厚度09MnNiDR鋼板進(jìn)行試驗(yàn)，化學(xué)成分分析按GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》［8］的有關(guān)規(guī)定 進(jìn)行光譜分析，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。該結(jié)果表明，樣品化學(xué)成分達(dá)到GB/T 3531—2014中09MnNiDR成分指標(biāo)，同時(shí)與鋼材化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)結(jié)果吻合。

表3 09MnNiDR鋼板化學(xué)成分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 拉伸性能

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定09MnNiDR鋼板材料拉伸性能。采用圓棒拉伸試樣標(biāo)據(jù)50 mm，直徑10 mm，取樣位置包括T/4及T/2，取樣方向分為橫向和縱向，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)重復(fù)3根試樣。參考GB/T 228.1—2010《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》［9］在WE-30液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行鋼板室溫拉伸性能測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 70 mm與100 mm厚09MnNiDR鋼板拉伸性能測(cè)試結(jié)果

表4表明，鋼板屈服強(qiáng)度總體在325～385 MPa，抗拉強(qiáng)度在465～495 MPa，斷后伸長(zhǎng)率在34.0%～38.5%，測(cè)定結(jié)果均達(dá)到GB/T 3531—2014中規(guī)定的拉伸性能指標(biāo)，鋼板厚度、取樣位置、取樣方向?qū)y(cè)定結(jié)果影響不大。

2.3 低溫沖擊性能

進(jìn)行-70℃沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)參考GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》［10］，試樣取樣位置為T(mén)/4及T/2，取樣方向?yàn)闄M向和縱向,每個(gè)測(cè)試點(diǎn)重復(fù)3個(gè)試樣。試驗(yàn)設(shè)備為PIT452D示波式夏比沖擊試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)低溫環(huán)境為酒精加液氮調(diào)制的低溫溶液，低溫儀型號(hào)為3102-1，試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5。

表5表明，-70℃沖擊吸收能量均顯著大于GB/T3531—2014中沖擊吸收能量最低60 J的指標(biāo)。而且，在相同取樣位置與取樣方向條件下，70 mm與100 mm厚鋼板-70℃沖擊吸收能量基本一致。相同板厚與取樣位置條件下，縱向取樣試樣沖擊吸收能量稍高于橫向取樣。相同板厚與取樣方向條件下，除70 mm板橫向取樣T/4試樣沖擊吸收能量略高于T/2沖擊吸收能量外，其余T/4試樣沖擊吸收能量明顯高于T/2沖擊吸收能量，可見(jiàn)09MnNiDR厚板具備優(yōu)秀的低溫沖擊韌性。

表5 70 mm與100 mm厚09MnNiDR鋼板-70℃沖擊吸收能量 J

2.4 落錘試驗(yàn)

落錘試驗(yàn)按照GB/T 6803—2008《鐵素體鋼的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)方法》［11］進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為ZCJ2203，試驗(yàn)打擊能量為350 J，試樣為P2型，表層和心部橫向取樣。試驗(yàn)低溫介質(zhì)為液氮加酒精，試驗(yàn)時(shí)試樣過(guò)冷度為1～2℃，試驗(yàn)溫度下保溫40 min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6（○表示試樣未斷裂，×表示試樣斷裂）。

表6表明，相同板厚下，鋼板表層無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT）低于心部，顯示鋼板表層具備更優(yōu)的低溫抗脆斷能力，該趨勢(shì)與沖擊試驗(yàn)結(jié)果一致。落錘試驗(yàn)結(jié)果表明70 mm與100 mm厚09MnNiDR鋼板具有較低的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，滿足-70℃低溫服役要求。

表6 70 mm和100 mm厚09MnNiDR鋼板落錘試驗(yàn)結(jié)果

3 09MnNiDR厚鋼板心部低溫沖擊吸收能量不合格問(wèn)題探討

3.1 檢驗(yàn)要求變化

以往塔器設(shè)計(jì)制造中，對(duì)09MnNiDR鋼板沖擊韌性提出的檢驗(yàn)要求為T(mén)/4處沖擊韌性達(dá)標(biāo)。近些年大型塔器不斷得到推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)工程界出于壓力容器的服役安全性考慮，提出檢驗(yàn)T/2處沖擊韌性要求，發(fā)現(xiàn)時(shí)有09MnNiDR厚板心部被檢出-70℃沖擊吸收能量不合格［12］。

某二氧化碳吸收塔產(chǎn)品封頭先后進(jìn)行6次模擬熱壓及熱處理試驗(yàn)，材料性能試驗(yàn)分別在3家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，結(jié)果顯示每次試驗(yàn)板厚T/2處的-70℃沖擊吸收能量均出現(xiàn)低值［13］。某50 mm厚的09MnNiDR鋼制錐體在920℃熱成形后空冷，隨后進(jìn)行660℃回火處理，復(fù)驗(yàn)鋼材-70℃沖擊性能不合格。

3.2 不合格案例分析

以上案例發(fā)生后進(jìn)行的相關(guān)檢驗(yàn)檢查表明，二氧化碳吸收塔產(chǎn)品封頭低值沖擊試樣斷口存在帶狀組織，裂紋源區(qū)存在MnS夾雜物和NbC析出。50 mm厚的09MnNiDR鋼制錐體的熱成形和熱處理符合工藝要求，鋼板化學(xué)成分滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，金相組織以鐵素體加珠光體為主，但存在明顯組織偏析［14］。09MnNiDR厚板心部的沖擊吸收能量存在較大的分散性，3個(gè)試驗(yàn)結(jié)果包含1個(gè)或2個(gè)低值。這些09MnNiDR厚板心部低溫沖擊吸收能量不合格問(wèn)題均與鋼板組織偏析有關(guān)，但是鋼板組織偏析一般源于鋼坯的成分偏析，同時(shí)采用常規(guī)加工制造過(guò)程也無(wú)法改變鋼板組織偏析的狀態(tài)。

換言之，鋼板供貨態(tài)也存在組織偏析，這一點(diǎn)鋼材質(zhì)保書(shū)中分散的沖擊吸收能量數(shù)據(jù)可以證實(shí)。鋼材供貨態(tài)低溫沖擊吸收能量合格，但經(jīng)過(guò)熱加工/熱成形后低溫沖擊無(wú)法達(dá)標(biāo)，這表明組織偏析不是導(dǎo)致鋼板低溫沖擊吸收能量不合格的根本原因。

3.3 處理措施討論

GB/T 3531—2014允許對(duì)厚度超過(guò)60 mm的09MnNiDR鋼板采用正火處理后加快速冷卻工藝，鋼廠一般利用此工藝解決09MnNiDR厚板心部組織粗大、鋼板拉伸和沖擊性能不易保證問(wèn)題［15］。叢軼等［14］采用正火后加速冷卻的方法，具體工藝為錐體在（910±15）℃加熱，保溫60 min后浸水冷卻，之后進(jìn)行（660±15）℃回火。經(jīng)該工藝處理后09MnNiDR鋼板原鐵素體加珠光體組織產(chǎn)生大量細(xì)小粒狀貝氏體，晶粒較之前明顯細(xì)化，鋼板-70℃沖擊吸收能量大幅提高，盡管3個(gè)沖擊數(shù)值仍存在一定分散性，但沖擊吸收能量均明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

筆者認(rèn)為，鋼廠可結(jié)合工廠實(shí)際情況從兩個(gè)方面著手提高鋼板心部的沖擊性能，首先優(yōu)化冶煉以及控軋工藝，提高鋼材純凈度，從而減輕鑄坯中心偏析，消除或者減少帶狀組織，從源頭上提升鋼板性能。其次針對(duì)09MnNiDR厚板制定合理可行的熱成形、熱處理工藝，必要時(shí)監(jiān)控試件金相組織，以保證熱加工后鋼板性能恢復(fù)至供貨狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

大型工程項(xiàng)目用鋼安全性要求高，訂貨時(shí)僅有產(chǎn)品質(zhì)量保證書(shū)是不夠可靠的，應(yīng)在訂貨前有步驟地展開(kāi)實(shí)地考察，從廠家獲取第一手產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)委托有資質(zhì)的檢驗(yàn)檢測(cè)單位對(duì)廠家產(chǎn)品抽樣檢驗(yàn)，結(jié)合具體項(xiàng)目要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比、分析和研究。對(duì)國(guó)內(nèi)某大型鋼廠進(jìn)行的實(shí)地考察結(jié)果表明，鋼廠生產(chǎn)的09MnNiDR厚板產(chǎn)品總體質(zhì)量穩(wěn)定、技術(shù)成熟，測(cè)試結(jié)果與統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符，能夠滿足海洋平臺(tái)項(xiàng)目塔器制造使用厚壁09MnNiDR鋼板的需求。文中的評(píng)估方法和實(shí)施過(guò)程可為同類(lèi)訂貨實(shí)地考查提供參考。