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      多功能儲罐用13MnNi6-3鋼的研制與開發(fā)

      2023-02-10 02:53:40謝章龍
      現(xiàn)代交通與冶金材料 2023年1期
      關(guān)鍵詞:弧焊屈服儲罐

      牟 毓, 謝章龍, 洪 君

      (南京鋼鐵股份有限公司,江蘇 南京 210035)

      引 言

      近年來碳排放管制和30.60戰(zhàn)略的實施,液氨作為未來潛在的清潔能源越來越被船舶等行業(yè)看重,造船廠已開始承接可以裝液氨、丙烷、丁烷、丙烯和LPG等多種低溫介質(zhì)的儲罐,實現(xiàn)單罐多功能化使用。而13MnNi6-3是0.5%鎳低溫容器用鋼,通常被廣泛用來制作丙烷等液化石油氣儲罐,因而在開發(fā)多功能低溫儲罐用13MnNi6-3鋼時,兼顧液氨儲罐的特性,控制鋼板的屈服強(qiáng)度上限,降低焊接接頭的裂紋敏感性;同時13MnNi6-3的服役條件通常在-42.09 ℃左右,鋼板母材性能與焊接接頭的性能在同等溫度條件下差異較大,為確保儲罐在服役條件下穩(wěn)定安全運行,對儲罐建造鋼材有更高要求,需在-60 ℃溫度下鋼板母材和焊接性能均具有良好的強(qiáng)韌性。因此,要求13MnNi6-3的力學(xué)性能及焊接接頭在-60 ℃時具有適中的強(qiáng)度,良好的低溫韌性和低裂紋敏感性[1-2]。

      為了滿足客戶需求,結(jié)合南鋼現(xiàn)有的設(shè)備裝備能力,成功開發(fā)了在-60 ℃條件下服役的多功能低溫儲罐用13MnNi6-3鋼。本文通過優(yōu)化13MnNi6-3鋼板的化學(xué)成分及各道生產(chǎn)工藝,評估了鋼板的內(nèi)部質(zhì)量、拉伸性能、低溫沖擊性能及焊接接頭力學(xué)性能,結(jié)果表明13MnNi6-3鋼板具有良好的綜合力學(xué)性能及優(yōu)良的焊接性能。

      1 材料設(shè)計

      因客戶要求13MnNi6-3鋼板的屈服強(qiáng)度≤450 MPa,同時為滿足鋼板的-60 ℃低溫沖擊韌性,≥12 mm鋼板沖擊均值≥80 J,8~12 mm鋼板沖擊均值≥60 J,所以要盡量減少組織中珠光體的含量,所以降低C含量,并通過增加適度的Mn含量提高強(qiáng)度,以滿足鋼板的強(qiáng)度要求,尤其是屈服強(qiáng)度要求,Ni是奧氏體相區(qū)元素,可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū),降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度,阻止奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變,降低鋼的臨界冷卻速率,提高鋼的淬透性,同時Ni的晶格常數(shù)與γ-Fe相近,可形成連續(xù)的固溶體,明顯降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度,添加Nb和V元素可起到細(xì)化晶粒的作用,對于低溫容器鋼,當(dāng)磷含量大于0.015%時,磷的偏析程度急劇增加,所以磷含量是越低越好,S在鋼中主要以MnS形式存在,MnS為塑性夾雜物,熱軋時MnS變形比與鋼相同,導(dǎo)致鋼板出現(xiàn)各向異性,即鋼板非軋制方向性能顯著低于軋制方向性能,氫在液態(tài)鋼中的溶解度比在固態(tài)鋼中的鋼大得多,隨著溫度的降低H的溶解度降低,氫原子向鑄坯或鋼板中某些缺陷區(qū)域聚集,并形成氫氣,一旦此處的氫分壓超過結(jié)合強(qiáng)度就會產(chǎn)生裂紋或者擴(kuò)展已有缺陷,所以為了提高鋼水的純凈度,提高鋼板內(nèi)部質(zhì)量,設(shè)計了低P、低S成分,13MnNi6-3內(nèi)控目標(biāo)成分如表1所示。

      表1 13MnNi6-3化學(xué)成分設(shè)計

      為確保13MnNi6-3具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的-60 ℃低溫沖擊韌性,采用控制軋制及正火加回火熱處理工藝,得到細(xì)小均勻的鐵素體+少量珠光體組織,以此來保證鋼板的-60 ℃低溫沖擊韌性以及焊接接頭的-60 ℃低溫沖擊韌性。根據(jù)E10028-4標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議對13MnNi6-3鋼的性能要求,13MnNi6-3鋼的性能指標(biāo)如表2所示。

      表2 13MnNi6-3力學(xué)性能要求

      2 工藝方案

      13MnNi6-3的主要工藝流程:轉(zhuǎn)爐→LF+RH→連鑄→加熱→軋制→控冷→矯直→剪切→探傷→拋丸→正火→回火→檢驗→入庫。

      通過嚴(yán)格控制P和S含量以提高鋼水的純凈度,需在鐵水預(yù)處理時控制S含量,減少精煉時脫S的任務(wù)。在煉鋼過程中采用轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹,控制P和C含量及出鋼溫度,尤其控制P的含量。在精煉過程中要采用大渣量操作,造白色泡沫渣深度脫S,同時要兼顧渣的堿度,保證渣的流動性,采用鋼包喂鈣線的操作,對MnS等夾雜物進(jìn)行球化處理,通過RH真空脫氣、喂絲后靜攪等工藝,保證鋼水中的H等有害氣體盡量被去除,鋼水中夾雜物充分上浮,減少夾雜物數(shù)量,尤其是大夾雜物的數(shù)量,為保證鋼水中的夾雜物充分上浮,在靜攪時延長靜攪時間,確保靜攪時間≥15 min。13MnNi6-3屬于包晶鋼,在澆鑄時保持結(jié)晶器液面穩(wěn)定,控制二冷水,避免13MnNi6-3出現(xiàn)鑄坯裂紋,尤其是角裂紋,同時采用保護(hù)澆注及輕壓下,減輕鑄坯偏析及疏松。

      13MnNi6-3鎳含量0.5%左右,鋼質(zhì)發(fā)粘,板坯在加熱時鋼板表面氧化鐵皮較多且難以去除,同時為了保證鋼板表面質(zhì)量及板型,要合理控制鑄坯均熱段溫度及總在爐時間,避免氧化鐵皮過厚不好去除,也為板坯除磷減輕壓力[4]。在軋制時通常采用兩道次除磷,去除板坯表面氧化皮,進(jìn)一步保證板坯表面質(zhì)量。采用兩階段控制軋制(奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制及奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制)工藝,在粗軋時保證大壓下,確保坯料心部有足夠變形量,在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行多道次軋制,二階段開軋溫度≤990 ℃,終軋溫度≤870 ℃,在保證板型的條件下終軋溫度盡量低,在冷卻時少量澆水,將返紅溫度控制在700 ℃以上,以得到細(xì)小均勻的軋態(tài)組織,軋制后的鋼板進(jìn)行溫矯以保證板型,≥25 mm鋼板后進(jìn)入緩冷坑進(jìn)行緩冷,消除鋼板內(nèi)應(yīng)力及擴(kuò)氫,使鋼板中的氫等有害氣體逸出,改善鋼板內(nèi)部質(zhì)量。

      通過正火+回火熱處理可進(jìn)一步改善鋼板組織,因客戶對13MnNi6-3的屈服強(qiáng)度上限有要求,需適當(dāng)提高回火溫度,同時有利于鋼板的低溫沖擊韌性。探傷后的鋼板進(jìn)行拋丸,然后正火熱處理,要嚴(yán)格控制正火溫度,以防止鋼板晶粒變大或出現(xiàn)晶粒不均勻現(xiàn)象,根據(jù)試驗性能結(jié)果,13MnNi6-3的正火溫度是870~920 ℃,空冷至室溫然后進(jìn)行回火熱處理,消除鋼板中的內(nèi)應(yīng)力[5]。為進(jìn)一步提高鋼板的-60 ℃沖擊性能及控制鋼板的屈服強(qiáng)度,對13MnNi6-3鋼的回火工藝進(jìn)行了優(yōu)化,回火溫度是590~630 ℃,最終得到鐵素體+珠光體組織,

      3 試制結(jié)果分析

      3.1 常規(guī)力學(xué)性能檢測結(jié)果

      對試制的10 mm和30 mm鋼板進(jìn)行力學(xué)性能檢驗,檢測結(jié)果如表3所示。10 mm鋼板的屈服強(qiáng)度 為400~410 MPa,抗 拉 強(qiáng) 度 為503~531 MPa,30 mm鋼板的屈服強(qiáng)度為378~395 MPa,抗拉強(qiáng)度是501~520 MPa,根據(jù)經(jīng)驗,薄板的強(qiáng)度較高,所以為保證屈服強(qiáng)度均<450 MPa,與30 mm鋼板相比,10 mm鋼板的回火溫度較高,回火時間較長;13MnNi6-3的-60 ℃低溫沖擊性能要求≥80 J,但為了儲罐能在服役條件下穩(wěn)定運行,設(shè)計材料時給低溫沖擊值留較大富余量, 10 mm鋼板(7.5 mm×10 mm×55mm沖擊試樣)的-60 ℃沖擊功平均值是189~203 J,30 mm鋼板(10 mm×10 mm×55 mm沖擊試樣的-60 ℃沖擊功平均值是297~314 J,10 mm和30 mm鋼板的冷彎試樣無裂紋,彎曲性能合格。試制的10 mm和30 mm規(guī)格的13MnNi6-3鋼的拉伸及沖擊指標(biāo)富余量充足,冷彎無裂紋,滿足EN10028-4標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求。

      表3 13MnNi6-3力學(xué)性能檢測結(jié)果

      3.2 低溫拉伸性能

      鋼板的服役溫度條件低于-43 ℃,同時根據(jù)客戶的需求,需評估30 mm厚度鋼板低溫性能,按照GB/T 13239—2006《金屬低溫拉伸試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行-60 ℃低溫拉伸試驗,鋼板取橫向試樣,結(jié)果如表4所示。

      表4 13MnNi6-3低溫拉伸性能檢測結(jié)果

      據(jù)文獻(xiàn)[4]所述,鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度降低而提高,而斷面纖維率隨溫度降低而降低,同時也說明了鋼板的塑性隨溫度降低而下降。所以與常溫拉伸性能相比,低溫拉伸鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有增加,即在使用條件下鋼板強(qiáng)度的余量更大,雖低溫拉伸鋼板的延伸率有所下降,但仍高于EN10028-4:2017標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求的22%。

      3.3 13MnNi6-3鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度

      為確保鋼板能夠在服役時安全運行,通過做13MnNi6-3鋼板在-80~20 ℃溫度區(qū)間的沖擊試驗,摸索出鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍,其韌脆性轉(zhuǎn)變曲線如圖1所示。從圖1(a)可以看出,當(dāng)溫度從20℃降至-60 ℃時,鋼板的沖擊功均在200 J,此時曲線較為平直,說明在此溫度范圍內(nèi)鋼板沖擊功波動不大;當(dāng)溫度降至-70 ℃時,鋼板沖擊功在180~200 J之間;當(dāng)溫度降到-80 ℃時,鋼板沖擊功突然降到40 J左右。從圖1(b)可以看出,當(dāng)溫度從20 ℃降至-60 ℃時,鋼板的沖擊功均在280 J以上;當(dāng)溫度降到-70 ℃時,鋼板沖擊功在200~250 J之間,當(dāng)溫度降到-80 ℃時,鋼板沖擊功在50 J左右。綜上所述,當(dāng)溫度≥-70 ℃時,鋼板的沖擊功遠(yuǎn)大于國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議中的要求,說明13MnNi6-3鋼板完全可以在-60 ℃的低溫溫度條件下服役,滿足多功能儲罐的設(shè)計和供貨要求。

      圖1 系列沖擊溫度的韌脆性轉(zhuǎn)變曲線

      3.4 探傷檢測結(jié)果

      采用間隙式探傷方法對試制的厚度為10 mm和30 mm 的13MnNi6-3鋼板進(jìn)行超聲波自動探傷,根據(jù)探傷結(jié)果顯示,鋼板內(nèi)部未見明顯缺陷,按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013評級均可達(dá)I級要求,說明試制的13MnNi6-3鋼板內(nèi)部無裂紋及大的夾雜等缺陷。

      3.5 金相檢測結(jié)果

      試制鋼板的光學(xué)顯微組織如圖2所示。13MnNi6-3鋼的室溫組織是鐵素體+少量珠光體組織,晶粒整體均勻細(xì)小,10 mm鋼板的偏析帶比30 mm鋼板的偏析帶嚴(yán)重,且偏析帶較寬,由于熱處理時10 mm鋼板的回火溫度比30 mm鋼板的回火溫度高,且回火時間長,10 mm鋼板中存在的析出碳化物較少,組織中存在大量白色塊狀鐵素體,有利于降低鋼板屈服強(qiáng)度,使10 mm鋼板的屈服強(qiáng)度≤450 MPa,同時為保證鋼板屈服強(qiáng)度≥355 MPa,組織中存在一定量的珠光體組織。

      圖2 鋼板金相組織

      按照GB/T10561 A法評級圖分別對試制的13MnNi6-3鋼板進(jìn)行評定,夾雜物檢測結(jié)果如表5所示。鋼板中存在B類(氧化鋁類)、D類(球狀氧化物類)的非金屬夾雜物,均是0.5級,鋼板中Ds類(單顆粒球狀類)夾雜物0.5級,說明試樣中均存在少量細(xì)小的夾雜物,完全滿足技術(shù)協(xié)議要求。

      表5 13MnNi6-3夾雜檢測結(jié)果

      4 鋼板焊接性能

      按照NB/T 47014的標(biāo)準(zhǔn),分別采用焊條電弧焊(SMAW)和埋弧焊(SAW)兩種焊接方法對30 mm鋼板進(jìn)行焊接試驗,坡口型式為X型。手工焊條采用京雷直徑為Φ3.2 mm的GER-N27焊條,埋弧焊(SAW)采用伯樂直徑為Φ3.2 mm的T Union SA Ni2焊絲,配套焊劑采用UV C 421 TT-LE,焊條電弧焊(SMAW)的熱輸入能量是20 kJ/cm,埋弧焊(SAW)的熱輸入能量是18 kJ/cm,焊縫平行于軋制方向,分別焊評板上取拉伸、彎曲和沖擊試樣,試樣方向為橫向,X型缺口分別位于熔敷金屬(WM)、熔合線(FL)和距熔合線1,2和5 mm位置。30 mm鋼板的焊接接頭宏觀形貌如圖3所示。

      圖3 焊接接頭宏觀形貌

      拉伸及側(cè)彎試驗結(jié)果如表6、圖4和圖5所示??梢钥闯?,手工焊和埋弧焊的拉伸斷口均不在焊縫處,說明焊縫處的拉伸性能優(yōu)于母材拉伸性能,焊接接頭的彎曲試樣無裂紋,彎曲性能合格,滿足性能要求。

      表6 13MnNi6-3焊后拉伸及彎曲檢測結(jié)果

      圖4 焊接接頭拉伸試件形貌

      圖5 焊接接頭彎曲試件形貌

      手工電弧焊和埋弧焊的焊接接頭各個位置的-60 ℃沖擊功如表7所示。熔敷金屬及及熔合線-60 ℃沖擊性能略低,手工電弧焊熔融金屬區(qū)的沖擊功最低,埋弧焊FL處的沖擊功最低,但相差均不大,焊條電弧焊的焊接試板的距離熔合線5 mm的-60 ℃沖擊功略低于母材,埋弧焊焊接試板的距離熔合線5 mm的-60 ℃沖擊功與母材的-60 ℃沖擊功相當(dāng),但沖擊功均滿足技術(shù)協(xié)議需求。

      表7 13MnNi6-3焊后沖擊檢測結(jié)果

      對手工電弧焊來講,焊接接頭的硬度值表8所示。母材硬度(HV10)范圍是153~159 HV,硬度最低,熱影響區(qū)硬度(HV10)范圍是163~204 HV,熔敷金屬硬度(HV10)范圍是202~207 HV。對埋弧焊來講,母材硬度(HV10)范圍是154~167 HV,硬度最低,熱影響區(qū)硬度(HV10)范圍是155~202 HV,熔敷金屬硬度(HV10)范圍 是189~217 HV,可以看出,焊縫位置的硬度最高,但低于245 HV。一般認(rèn)為(HV10)超過350 HV時具有一定的裂紋敏感性,說明30 mm 13MnNi6-3鋼板的焊接接頭裂紋敏感性不強(qiáng),同時裝液氨的儲罐硬度不超過245 HV[5],以避免儲罐液氨應(yīng)力腐蝕開裂,13MnNi6-3鋼板的焊接接頭硬度也滿足要求。

      表8 13MnNi6-3焊后硬度檢測結(jié)果

      5 結(jié) 論

      (1)通過合理的成分設(shè)計,優(yōu)化煉鋼、熱軋及熱處理工藝,成功開發(fā)出13MnNi6-3多功能儲罐用鋼板,試驗結(jié)果表明,13MnNi6-3鋼板組織均勻細(xì)小,具有較高的強(qiáng)度和良好的低溫沖擊韌性,且屈服強(qiáng)度<450 MPa,鋼板具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能,完全滿足供貨要求。

      (2)30 mm鋼板焊接實驗結(jié)果表明,鋼板焊接接頭各個位置的-60 ℃低溫沖擊性能優(yōu)異,焊接接頭彎曲無裂紋,焊接接頭硬度較低,裂紋敏感性不強(qiáng),鋼板具有良好的焊接性能。

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