石油儲(chǔ)罐工程用高強(qiáng)度鋼研究和應(yīng)用進(jìn)展

1、石油儲(chǔ)罐工程用高強(qiáng)度鋼研究和應(yīng)用進(jìn)展 張漢謙 江來珠（寶山鋼鐵股份有限公司 研究院（技術(shù)中心），上海 201900） 摘要： 本文以我國(guó)大型石油儲(chǔ)罐建設(shè)為背景，說明了我國(guó)石油儲(chǔ)罐用大線能量焊接鋼來源、種類和特點(diǎn)，分析了該鋼合金設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝配合的重要性，以及冶煉、軋制與熱處理工藝對(duì)性能影響，指出了HAZ韌性劣化的原因和應(yīng)采取的措施。建議我國(guó)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(shí)，開發(fā)20萬(wàn)m3或更大容積儲(chǔ)罐所需的鋼材和焊材，使我國(guó)石油儲(chǔ)罐用鋼研究、開發(fā)和應(yīng)用水平有明顯進(jìn)步。 關(guān)鍵詞：石油儲(chǔ)罐 大線能量焊接用鋼 焊接材料  0   

2、;        前言 為了保證我國(guó)能源安全，國(guó)家從2003年上半年開始建立國(guó)家石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備，并計(jì)劃到2015年實(shí)現(xiàn)石油儲(chǔ)備90天的遠(yuǎn)期目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的前提條件是建設(shè)用于儲(chǔ)油的1015萬(wàn)m3（或容積更大）的大型原油儲(chǔ)罐。為了降低儲(chǔ)罐用鋼量，一般儲(chǔ)罐下面幾圈壁板均采用高強(qiáng)度鋼板制造，底板、頂板、上部壁板可以用其他強(qiáng)度級(jí)別較低的鋼材制造。其中壁板所用的高強(qiáng)度鋼板我國(guó)仍不能大規(guī)模生產(chǎn)。在2004年之前我國(guó)石化企業(yè)所建造10萬(wàn)m3石油儲(chǔ)罐，主要采用日本主要鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的屈服強(qiáng)度490MPa以上，抗拉強(qiáng)度大于610MPa的大線能量焊

3、接調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板，鋼板厚度一般在1240mm之間i 章小滸，李曉燕.大焊接線能量?jī)?chǔ)罐用鋼的開發(fā)與應(yīng)用J.壓力容器，2003，20（1）：1619 i。在此后我國(guó)在大規(guī)模建造石油儲(chǔ)罐期間，高強(qiáng)度鋼板供貨量、供貨周期、價(jià)格等成為建造油罐必須關(guān)注的問題。為了解決目前石油儲(chǔ)罐用高強(qiáng)度鋼板供貨地和渠道單一的狀況，國(guó)家發(fā)改委要求國(guó)內(nèi)有條件有實(shí)力的鋼鐵企業(yè)盡快開發(fā)適合于大型油罐工程建設(shè)用鋼。為此，石化、冶金、科研院所多方聯(lián)手，成立了石油儲(chǔ)備基地建設(shè)用鋼板領(lǐng)導(dǎo)組和配套焊接材料攻關(guān)聯(lián)合工作組ii 羅中河. 推動(dòng)大型石油儲(chǔ)罐用高強(qiáng)度鋼板研發(fā)N，大型石油儲(chǔ)罐配套焊材開發(fā)項(xiàng)目啟動(dòng)N.中國(guó)冶金報(bào)用戶服務(wù)導(dǎo)刊，2004年

4、9月25日 ii。 為了促進(jìn)國(guó)內(nèi)此類鋼種的開發(fā)，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外石油儲(chǔ)罐用鋼的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，以更好地借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，使國(guó)內(nèi)新研發(fā)同類鋼材企業(yè)少走彎路，并盡快達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。   1           石油儲(chǔ)罐用鋼及其特點(diǎn) 石油儲(chǔ)罐中的介質(zhì)屬于易燃危險(xiǎn)品。因此，建造儲(chǔ)罐所需鋼材和焊材需經(jīng)過國(guó)家指定的權(quán)威質(zhì)檢部門認(rèn)證后，方可使用。目前，我國(guó)大規(guī)模建造的儲(chǔ)罐容積10萬(wàn)m3，壁板主要采用610MPa的大線能量焊接高強(qiáng)度鋼板。截止2004年6月，經(jīng)合肥通用機(jī)械研究所試驗(yàn)，全國(guó)鍋爐壓力

5、容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)評(píng)審認(rèn)證的可以用于我國(guó)石油儲(chǔ)罐建設(shè)高強(qiáng)度鋼種及生產(chǎn)單位見表 Error! Bookmark not defined.。從表 Error! Bookmark not defined.中可以看出，用于石油儲(chǔ)罐建設(shè)的高強(qiáng)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(chǎn)的大線能量焊接鋼代表著世界領(lǐng)先水平。我國(guó)已使用日本不同鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的610MPa高強(qiáng)度鋼板建設(shè)了10 15萬(wàn)m3不同容積石油儲(chǔ)罐，使得國(guó)內(nèi)油罐設(shè)計(jì)和施工企業(yè)對(duì)應(yīng)用日本鋼種性能、加工、焊接等積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)武漢鋼鐵集團(tuán)公司生產(chǎn)的WH610D2大線能量焊接高強(qiáng)度鋼板，并進(jìn)行了

6、較深入的理論研究iii 張莉芹，袁澤喜，陳曉 等.大線能量低焊接裂紋敏感性鋼的焊接（一）熱影響區(qū)強(qiáng)韌性機(jī)理研究J.壓力容器，2002，19（7）：2934 iii、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(nèi)鐵素體形核機(jī)理研究J.壓力容器，2002，19（8）：3538 iv，僅在北京燕山石化建造了4臺(tái)10萬(wàn)m3儲(chǔ)罐，積累的設(shè)計(jì)、施工、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還較少。舞陽(yáng)鋼鐵公司雖生產(chǎn)了WY610D鋼板，但無應(yīng)用業(yè)績(jī)v 仇恩滄.石化設(shè)備大型化壓力容器行業(yè)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)J. 中國(guó)石化工程建設(shè)公司 v。目前，我國(guó)大規(guī)模建造的1015萬(wàn)m3的儲(chǔ)罐，主要選用屈服強(qiáng)度490MPa，抗

7、拉強(qiáng)度610MPa的大線能量焊接高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)板。610MPa級(jí)可以建造的儲(chǔ)罐容積最大為17.5萬(wàn)m3。在不遠(yuǎn)的將來，我國(guó)將建造20或30萬(wàn)m3石油儲(chǔ)罐，610MPa鋼已不能滿足要求，需要強(qiáng)度級(jí)別更高690MPa或780MPa的大線能量焊接高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)板。日本已經(jīng)開發(fā)成功此類鋼，并有應(yīng)用實(shí)例，目前我國(guó)仍未開展此類鋼種的開發(fā)，需及早開始研制。為了降低材料成本，油罐用鋼量主要采用高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)板。如用屈服強(qiáng)度490MPa的大線能量焊接鋼替代屈服強(qiáng)度350MPa的16MnR制造儲(chǔ)罐，壁厚可以減薄25%30%。為了降低制造成本，主要通過提高焊接效率，如底版焊接時(shí)在焊縫中添加鐵粉或碎焊絲，壁板施工中主要采用大線能

8、量的氣電立焊和埋弧焊橫焊工藝。因此，石油儲(chǔ)罐用高強(qiáng)度鋼應(yīng)滿足：（1）滿足力學(xué)性能指標(biāo)要求（高屈服和抗拉強(qiáng)度、高韌性、高均勻性和穩(wěn)定性等），一般采用調(diào)質(zhì)鋼。（2）必須適應(yīng)大線能量焊接，采用 表 Error! Bookmark not defined. 經(jīng)國(guó)家權(quán)威部門認(rèn)證可以用于石油儲(chǔ)罐建設(shè)的鋼種、生產(chǎn)企業(yè)及時(shí)間vi 國(guó)家壓力容器網(wǎng)，壓力容器用材料技術(shù)評(píng)審公告欄R vi 鋼種名稱或牌號(hào) 生產(chǎn)企業(yè) 認(rèn)證時(shí)間 SUMITEN610F-LT 日本住友金屬工業(yè)株式會(huì)社 20046 JFE-HITEN610E JFE鋼鐵株式會(huì)社 20042 WT-610EQ 新日本制鐵株式會(huì)社 200310 NT-490E

9、Q N-TUF490 WEL-TEN610SCF WEL-TEN610CF NK-HITEN610U2L低溫用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板 JFE鋼鐵株式會(huì)社 200212 NK-HITEN610U2調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板 River Ace 610L低溫用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板 12MnNiVR調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度板 舞陽(yáng)鋼鐵有限責(zé)任公司 20027 SUMITEN610F 日本住友金屬工業(yè)株式會(huì)社 20026 大線能量焊接用WH610D2鋼板 武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司 20016 07MnCrMoVR 鞍山鋼鐵公司 199810 10KJ/mm的大線能量焊接后，其HAZ塑韌性不明顯降低，接頭的力學(xué)性能達(dá)到與母材相同要求。因此，石油儲(chǔ)

10、罐用鋼又稱為大線能量焊接鋼。（3）為了適合現(xiàn)場(chǎng)焊接，焊接前不需要預(yù)熱，焊后不產(chǎn)生焊接冷裂紋。此類鋼又稱為低裂紋敏感性系數(shù)鋼。由此可知，石油儲(chǔ)罐用鋼主要特點(diǎn)就是在滿足力學(xué)性能要求前提下，具有適應(yīng)大線能量焊接和低裂紋敏感的特性。石油儲(chǔ)罐用鋼不同于制造球罐用CF鋼。石油儲(chǔ)罐用鋼必須適應(yīng)大線能量焊接要求，且儲(chǔ)罐通常不需要進(jìn)行焊后整體熱處理（有時(shí)僅進(jìn)行局部焊后熱處理）；CF鋼雖然具有低裂紋敏感性，但通常不能適合大線能量焊接。用于制造球罐時(shí)，需要滿足焊后整體熱處理的要求，即無SR再熱裂紋傾向。2         &#

11、160; 石油儲(chǔ)罐用鋼的成分設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝特點(diǎn) 2.1         合金成分設(shè)計(jì)特點(diǎn) 為了滿足力學(xué)性能要求，并保證組織、性能的均勻性和穩(wěn)定性，通常石油儲(chǔ)罐用高強(qiáng)度鋼為調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨。一般采用不同的合金元素，利用固溶、相變和少量析出相等不同強(qiáng)化機(jī)制滿足高強(qiáng)度要求。主要采用合理的成分設(shè)計(jì)、組織細(xì)化技術(shù)、強(qiáng)韌匹配等滿足高韌性要求。利用調(diào)質(zhì)熱處理達(dá)到組織和性能的均勻化。主要是通過合理的成分設(shè)計(jì)，尤其是碳當(dāng)量控制、微量元素添加、冶煉成分控制和組織控制達(dá)到焊接性要求，實(shí)現(xiàn)大線能量焊接和低焊接裂紋敏感性。滿足大線能量焊接主要采

12、用冶煉和高溫形成的鋁、鈦、釩、鈮氮化物相，阻止焊接熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大和防止M-A組元的形成。低裂紋敏感性主要采用控制碳當(dāng)量和降低裂紋敏感系數(shù)。綜上，石油儲(chǔ)罐合金系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮的因素有：降低成本、滿足力學(xué)性能要求、適應(yīng)冶煉、軋制和熱處理工藝、焊接性等。表 Error! Bookmark not defined.為日本JFE生產(chǎn)的610MPa強(qiáng)度級(jí)別的調(diào)質(zhì)板的化學(xué)成分。適合建造石油儲(chǔ)罐的鋼是JFE-HITEN610E大線能量焊接鋼。其不同于普通JFE-HITEN610高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼之處，在于明顯降低了碳含量（由0.16%降低到0.009%）和裂紋敏感系數(shù)(由0.26降到0.20以下)；與焊接性好

13、可低溫使用高強(qiáng)度鋼JFE-HITEN610U1、U2、U2L相比，主合金元素?zé)o明顯差異，但實(shí)物中的微量元素有差異，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)通常不出，屬于企業(yè)的技術(shù)秘密。2.2         大線能量焊接鋼的生產(chǎn)工藝 潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)、TMCP工藝已經(jīng)在大型鋼鐵企業(yè)普遍應(yīng)用，許多企業(yè)裝備了板坯連鑄、寬幅大噸位厚板軋機(jī)、離線和在線熱處理裝備等，可以利用不同冶煉工藝、軋制和熱處理工藝表 Error! Bookmark not defined. 日本JFE610MPa調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度板的化學(xué)成分vii JFE STEEL CORPORA

14、TION， STEEL PLATES，2004 vii JFE-HITEN 板厚（mm） C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo V Ceq Pcm 610E* 675 0.09 0.15 0.55 1.00 1.60 0.020 0.010 0.30 1.00 0.30 0.30 0.08 - 0.20 610* t50 0.16 0.15 0.55 1.50 0.025 0.015 0.30 1.00 0.30 0.30 0.08 0.45 0.26 50t75 0.47 0.28 t75 0.49 0.28 610L* 650 0.16 0.55 1.50 0.025 0.015

15、 Ni、Cr、Mo、V等根據(jù)需要添加 0.45   610U1* 6100 0.09 0.15 0.55 1.20 1.60 0.025 0.010 0.30 1.00 0.30 0.30 0.08 - 0.20 610U2* 675 0.09 0.15 0.55 1.00 1.60 0.025 0.010 0.30 1.00 0.30 0.30 0.08 - 0.20 610U2L* 675 0.09 0.15 0.55 1.00 1.60 0.025 0.010 0.30 1.00 0.30 0.30 0.08 - 0.20 * JFE-HITEN610E為大線能量焊接高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)

16、鋼；*JFE-HITEN610為高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼；*JFE-HITEN610L為低溫用高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼；*JFE-HITEN610U1為焊接性良好的高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼； 組合實(shí)現(xiàn)大線能量鋼所要求的綜合力學(xué)性能。不同的冶煉、鑄造、軋制、熱處理方式的差異，構(gòu)成了不同企業(yè)生產(chǎn)610MPa鋼各自的生產(chǎn)工藝。冶煉主要有轉(zhuǎn)爐、電爐兩種，但二次精練因企業(yè)生產(chǎn)條件配置差異明顯。鋼坯生產(chǎn)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(gòu)成不同企業(yè)特有的生產(chǎn)過程。因此，即使同成分的鋼，按不同工藝生產(chǎn)出的產(chǎn)品性能也

17、存在顯著差異。TMCP軋制特定的細(xì)化組織是強(qiáng)韌化匹配的基礎(chǔ)。早期，610MPa高強(qiáng)度級(jí)別，因此，開發(fā)610MPa大線能量鋼的關(guān)鍵，除了成分設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)必須適合企業(yè)的自身的冶煉和軋制等工藝條件。潔凈化是實(shí)現(xiàn)610MPa級(jí)大線能量鋼高韌性的前提和保證。潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)的大線能量焊接610MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求S、P含量為S0.010%， P0.020%，但其實(shí)物中S、P含量遠(yuǎn)低于該標(biāo)準(zhǔn)要求，較低的硫磷含量也是減少鋼中的夾渣物數(shù)量提供前提。

18、從文獻(xiàn)1所檢測(cè)的石油儲(chǔ)罐用鋼成分，硫磷含量均很低。因此，能否生產(chǎn)大線能量焊接鋼，企業(yè)的冶煉水平是關(guān)鍵制約因素之一。我國(guó)GB19189-2003壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板中，將12MnNiVR中的硫磷含量要求為：S0.010%， P0.025%，其中磷含量要求寬于日本JFE企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。GB19189標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)的實(shí)施，可以通過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立的技術(shù)壁壘，防止此類鋼在不具備冶煉條件的企業(yè)中生產(chǎn)。冶煉企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)物只有達(dá)到比國(guó)標(biāo)更低硫、磷含量，才有可能實(shí)現(xiàn)要求性能目標(biāo)。大線能量焊接鋼的生產(chǎn)工藝，決定著其成分設(shè)計(jì)、性能穩(wěn)定性、生產(chǎn)批量、成品合格率等。目前，我國(guó)鋼鐵企業(yè)與日本鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)大線能量焊接鋼主要差距在于

19、，鐵水的潔凈度、熱處理方式和參數(shù)精度控制、鋼成分設(shè)計(jì)和生產(chǎn)條件最佳配合，生產(chǎn)批量及性能穩(wěn)定性等。日本JFE根據(jù)其軋鋼和熱處理生產(chǎn)線的技術(shù)進(jìn)步，及時(shí)調(diào)整該鋼的成分（如降低碳含量和合金元素用量），用先進(jìn)TMCP或DQT技術(shù)（如使用SUPER-OLACOnline Accelerated Cooling，在線淬火和回火等）彌補(bǔ)合金元素下降的影響，大批量生產(chǎn)出性能相同、成本更低的產(chǎn)品，使其產(chǎn)品更具有競(jìng)爭(zhēng)力viii Kazuo Omata， Hiroshi Yoshimura， Sadahiro Yamamoto.Leading High Perfoemance Steel Plates with Ad

20、vanced Manufacturing TechnologyJ. NKK Technical Review，2003，88：7380 viii。3           大線能量焊接鋼HAZ性能 國(guó)內(nèi)外對(duì)大線能量鋼HAZ韌性劣化的主要原因已進(jìn)行了大量研究和總結(jié)ix 習(xí)天輝，陳曉，袁澤喜.大線能量焊接用鋼熱影響區(qū)組織和性能研究進(jìn)展J.特殊鋼，2003，24（5）：15 ix、x劉自成，張永嘉. 焊接熱影響區(qū)韌性劣化機(jī)理和防止的方法J.世界鋼鐵，2004，4（4）：1520   作者簡(jiǎn)介：張漢謙，男，1964年6月出生。工學(xué)博士，教授。主要從事鋼的焊接性研究和焊接材料的開發(fā)?，F(xiàn)在上海寶山鋼鐵股份公司研究院（技術(shù)中心）結(jié)構(gòu)鋼所工作。兼上海交通大學(xué)材料加工工程專業(yè)博士生導(dǎo)師。著有鋼熔焊接頭金屬學(xué)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部科技進(jìn)步二、三等獎(jiǎng)5項(xiàng)。 Email: