石油儲罐工程用高強度鋼研究和應用進展

1、石油儲罐工程用高強度鋼研究和應用進展寶山鋼鐵股份公司 張漢謙 江來珠摘要： 本文以我國大型石油儲罐建設為背景，說明了我國石油儲罐用大線能量焊接鋼來源、種類和特點，分析了該鋼合金設計與生產工藝配合的重要性，以及冶煉、軋制與熱處理工藝對性能影響，指出了HAZ韌性劣化的原因和應采取的措施。建議我國在開發(fā)目前急需的610MPa大線能量焊接鋼及其配套焊接材料的同時，開發(fā)20萬m3或更大容積儲罐所需的鋼材和焊材，使我國石油儲罐用鋼研究、開發(fā)和應用水平有明顯進步。 關鍵詞：石油儲罐 大線能量焊接用鋼 焊接材料 0 前言 為了保證我國能源安全，國家從2003年上半年開始建立國家石油戰(zhàn)略儲備，并計劃到2015年

2、實現石油儲備90天的遠期目標。實現該目標的前提條件是建設用于儲油的1015萬m3（或容積更大）的大型原油儲罐。為了降低儲罐用鋼量，一般儲罐下面幾圈壁板均采用高強度鋼板制造，底板、頂板、上部壁板可以用其他強度級別較低的鋼材制造。其中壁板所用的高強度鋼板我國仍不能大規(guī)模生產。在2004年之前我國石化企業(yè)所建造10萬m3石油儲罐，主要采用日本主要鋼鐵企業(yè)生產的屈服強度490MPa以上，抗拉強度大于610MPa的大線能量焊接調質高強度鋼板，鋼板厚度一般在1240mm之間i。在此后我國在大規(guī)模建造石油儲罐期間，高強度鋼板供貨量、供貨周期、價格等成為建造油罐必須關注的問題。為了解決目前石油儲罐用高強度鋼板

3、供貨地和渠道單一的狀況，國家發(fā)改委要求國內有條件有實力的鋼鐵企業(yè)盡快開發(fā)適合于大型油罐工程建設用鋼。為此，石化、冶金、科研院所多方聯(lián)手，成立了石油儲備基地建設用鋼板領導組和配套焊接材料攻關聯(lián)合工作組ii。 為了促進國內此類鋼種的開發(fā)，本文對國內外石油儲罐用鋼的開發(fā)和應用進行了總結，以更好地借鑒國外經驗，使國內新研發(fā)同類鋼材企業(yè)少走彎路，并盡快達到國外同類產品的水平。 1 石油儲罐用鋼及其特點 石油儲罐中的介質屬于易燃危險品。因此，建造儲罐所需鋼材和焊材需經過國家指定的權威質檢部門認證后，方可使用。目前，我國大規(guī)模建造的儲罐容積10萬m3，壁板主要采用610MPa的大線能量焊接高強度鋼板。截止2

4、004年6月，經合肥通用機械研究所試驗，全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會評審認證的可以用于我國石油儲罐建設高強度鋼種及生產單位見表1。從表1中可以看出，用于石油儲罐建設的高強度鋼種主要來自日本三家大型鋼鐵企業(yè)：JFE、新日鐵和住友金屬。目前，JFE和新日鐵生產的大線能量焊接鋼代表著世界領先水平。 表 1 經國家權威部門認證可以用于石油儲罐建設的鋼種、生產企業(yè)及時間 鋼種名稱或牌號生產企業(yè)認證時間SUMITEN610F-LT日本住友金屬工業(yè)株式會社20046JFE-HITEN610EJFE鋼鐵株式會社20042WT-610EQ新日本制鐵株式會社200310NT-490EQN-TUF490WEL-

5、TEN610SCFWEL-TEN610CFNK-HITEN610U2L低溫用調質高強度鋼板JFE鋼鐵株式會社200212NK-HITEN610U2調質高強度鋼板River Ace 610L低溫用調質高強度鋼板12MnNiVR調質高強度板舞陽鋼鐵有限責任公司20027SUMITEN610F日本住友金屬工業(yè)株式會社20026大線能量焊接用WH610D2鋼板武漢鋼鐵（集團）公司2001607MnCrMoVR鞍山鋼鐵公司199810JFE-HITEN板厚（mm）CSiMnPSCuNiCrMoVCeqPcm610E*6750.090.150.551.001.600.0200.0100.301.000.3

6、00.300.08-0.20610*t500.160.150.551.500.0250.0150.301.000.300.300.080.450.2650t750.470.28t750.490.28610L*6500.160.551.500.0250.015Ni、Cr、Mo、V等根據需要添加0.45-610U1*61000.090.150.551.201.600.0250.0100.301.000.300.300.08-0.20610U2*6750.090.150.551.001.600.0250.0100.301.000.300.300.08-0.20610U2L*6750.090.150.

7、551.001.600.0250.0100.301.000.300.300.08-0.20* JFE-HITEN610E為大線能量焊接高強度調質鋼；*JFE-HITEN610為高強度調質鋼；*JFE-HITEN610L為低溫用高強度調質鋼；*JFE-HITEN610U1為焊接性良好的高強度調質鋼； 2.2 大線能量焊接鋼的生產工藝 潔凈鋼生產技術、TMCP工藝已經在大型鋼鐵企業(yè)普遍應用，許多企業(yè)裝備了板坯連鑄、寬幅大噸位厚板軋機、離線和在線熱處理裝備等，可以利用不同冶煉工藝、軋制和熱處理工藝組合實現大線能量鋼所要求的綜合力學性能。不同的冶煉、鑄造、軋制、熱處理方式的差異，構成了不同企業(yè)生產61

8、0MPa鋼各自的生產工藝。冶煉主要有轉爐、電爐兩種，但二次精練因企業(yè)生產條件配置差異明顯。鋼坯生產的方式主要有模鑄和連鑄。軋制方式有：傳統(tǒng)軋制，TMCP工藝。淬火方式有：在線淬火、離線淬火；回火方式有：在線回火和離線回火。冶煉、精練、軋制、熱處理工藝的不同組合，構成不同企業(yè)特有的生產過程。因此，即使同成分的鋼，按不同工藝生產出的產品性能也存在顯著差異。TMCP軋制特定的細化組織是強韌化匹配的基礎。早期，610MPa高強度級別，因此，開發(fā)610MPa大線能量鋼的關鍵，除了成分設計外，冶煉、精練、軋制、熱處理組合更最終決定著鋼綜合性能。因此，此鋼種的成分設計必須適合企業(yè)的自身的冶煉和軋制等工藝條件

9、。 潔凈化是實現610MPa級大線能量鋼高韌性的前提和保證。潔凈鋼生產技術主要是通過鐵水冶煉和二次爐外精練，降低鋼中的硫、磷、氮、氧、氫含量。目前，日本JFE生產的大線能量焊接610MPa級高強度鋼企業(yè)標準要求S、P含量為S0.010%， P0.020%，但其實物中S、P含量遠低于該標準要求，較低的硫磷含量也是減少鋼中的夾渣物數量提供前提。從文獻1所檢測的石油儲罐用鋼成分，硫磷含量均很低。因此，能否生產大線能量焊接鋼，企業(yè)的冶煉水平是關鍵制約因素之一。我國GB19189-2003壓力容器用調質高強度鋼板中，將12MnNiVR中的硫磷含量要求為：S0.010%， P0.025%，其中磷含量要求寬

10、于日本JFE企業(yè)標準。GB19189標準在我國的實施，可以通過國家標準設立的技術壁壘，防止此類鋼在不具備冶煉條件的企業(yè)中生產。冶煉企業(yè)生產的實物只有達到比國標更低硫、磷含量，才有可能實現要求性能目標。 大線能量焊接鋼的生產工藝，決定著其成分設計、性能穩(wěn)定性、生產批量、成品合格率等。目前，我國鋼鐵企業(yè)與日本鋼鐵企業(yè)生產大線能量焊接鋼主要差距在于，鐵水的潔凈度、熱處理方式和參數精度控制、鋼成分設計和生產條件最佳配合，生產批量及性能穩(wěn)定性等。日本JFE根據其軋鋼和熱處理生產線的技術進步，及時調整該鋼的成分（如降低碳含量和合金元素用量），用先進TMCP或DQT技術（如使用SUPER-OLACOnlin

11、e Accelerated Cooling，在線淬火和回火等）彌補合金元素下降的影響，大批量生產出性能相同、成本更低的產品，使其產品更具有競爭力viii。 3 大線能量焊接鋼HAZ性能 國內外對大線能量鋼HAZ韌性劣化的主要原因已進行了大量研究和總結ix、x。主要原因有：晶粒粗化、形成低韌性的晶界鐵素體、上貝氏體組織；在多層多道焊接HAZ中局部形成M-A組元等。因此，在鋼潔凈的前提下，防止HAZ晶粒長大和低韌性的M-A組元出現是實現大線能量焊接的關鍵。目前，大線能量焊接鋼主要采用微合金化設計原理，加入鈦、釩、鈮、硼等合金或氧化物、氮化物等，在組織中形成限制HAZ晶粒長大的TiN、NbN、Ti2

12、O3、BN、AlN等單個或復合粒子，限制HAZ晶粒的長大。大線能量焊接時，含Nb、V 微合金鋼的HAZ韌性下降明顯。目前主要采用控制Ti、Al的氮或氧化物數量來實現。 晶粒長大速度和母材原始組織晶粒度和種類有一定關系。開展母材組織種類、晶粒度與HAZ晶粒長大規(guī)律研究，也有助于大線能量焊接鋼開發(fā)。 4 結 論 （1）目前，我國石油儲罐建設大量使用的610MPa級大線能量焊接調質高強度鋼主要依賴國外進口，我國應大力開展此鋼的國產化研究，促進低成本快速實現我國能源儲備戰(zhàn)略目標。為了滿足我國不久將來建設容積更大石油儲罐的需求，應盡早開發(fā)更高強度級別的大線能量焊接高強度調質鋼。 （2）610MPa大線能

13、量焊接高強度調質板的綜合性能與成分和生產工藝密切相關。開發(fā)此類鋼時，成分設計應結合企業(yè)的自身軋制、冷卻、熱處理等生產條件綜合考慮，不能盲目仿制國外同類鋼的成分。 （3）防止大線能量焊接鋼HAZ韌性劣化的理論依據仍是鋼中存在限制晶粒長大的內生或外來粒子，以及通過合理軋制、熱處理工藝得到的細化而不易長大基體組織。 i 章小滸，李曉燕.大焊接線能量儲罐用鋼的開發(fā)與應用J.壓力容器，2003，20（1）：1619 ii 羅中河. 推動大型石油儲罐用高強度鋼板研發(fā)N，大型石油儲罐配套焊材開發(fā)項目啟動N.中國冶金報用戶服務導刊，2004年9月25日 iii 張莉芹，袁澤喜，陳曉 等.大線能量低焊接裂紋敏感

14、性鋼的焊接（一）熱影響區(qū)強韌性機理研究J.壓力容器，2002，19（7）：2934 iv 張莉芹，卜勇，陳曉.大線能量低焊接裂紋敏感性鋼的焊接（二）熱影響區(qū)組織及晶內鐵素體形核機理研究J.壓力容器，2002，19（8）：3538 v 仇恩滄.石化設備大型化壓力容器行業(yè)的機遇和挑戰(zhàn)J. 中國石化工程建設公司 vi 國家壓力容器網，壓力容器用材料技術評審公告欄R vii JFE STEEL CORPORATION， STEEL PLATES，2004 viii Kazuo Omata， Hiroshi Yoshimura， Sadahiro Yamamoto.Leading High Perfoemance Steel Plates with Advanced Manufacturing TechnologyJ. NKK Technical Review，2003，88：7380 ix 習天輝，陳曉，袁澤喜.大線能量焊接用鋼熱影響