（石油与天然气工程专业论文）低温厚壁大型球罐用钢焊接工艺的研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： 低温厚壁大型球罐用钢焊接工艺的研究 石油与天然气工 杨森( 签名) 辛希贤( 签名) 摘要 本论文以低温球罐用钢n k h i t e n6 1 0 u 2 l 为研究对象，从球罐的特点及用途出 发，研究球罐技术发展的国内外概况，制定本论文课题的研究内容和技术路线，使本 研究的内容既和国际接轨又能适应本国的生产实际。 对低温球罐用钢n k - h i t e n6 1 0 u 2 l ，从化学成分、力学性能和金相组织等方面 进行加工性能的分析，制定了切合实际的热处理工艺路线：用计算法对该钢的焊接性 进行粗略估计，再进行最高硬度法、斜y 型和直y 型坡口焊接裂纹试验法、窗口拘 束裂纹等焊接性实验，从冷裂纹、热裂纹和再热裂纹等方面对该钢的焊接性进行了较 全面的研究，认为该钢具有较好的抗冷裂纹和热裂纹的能力，但在焊接前必须进行预 热。试验结果表明，n k h i t e n6 1 0 u 2 l 钢的预热温度应不低于1 0 0 ；从焊接电流、 焊接电压和焊条选用等方面对该钢进行了工艺参数的选择；研究了焊接温度场和焊接 接头的组成，研究了不同焊接线能量下焊缝金属及热影响区的冲击韧性，并进行了金 相组织分析，确定了最佳的焊接线能量；论述了消除球罐焊接残余应力的必要性，对 该钢进行了不同s r 热处理温度和多次s r 处理冲击韧性试验和再热裂纹试验，确定 了s r 热处理规范，认为s r 温度一般控制在5 8 0 ，多次s r 热处理虽然对该钢的性 能有一定的影响，在返修时，可以对该钢进行s r 处理。 关键词：球罐焊接性焊接工艺焊接应力 论文类型：应用研究 毂 英文摘要 s u b j e c t ： as t u d a yo nt h e t h es t e e lw e l d i n gp r o c e d u r eo fl o wt e m p e r a t u r et h i c kw a l l a n dl a r g es c a l es p h e r i c a lt a n k m a j o r ：p e t r o l e u ma n dn a t u r a l n a m e ： y a n gs e n ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：x i nx i x i a n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h ep r e s e n tp a p e ru s e ss t e e ln k - h i t e n6 1 0 u 2 lt a k et h el o wt e m p e r a t u r e s p h e r i c a l t a n ka st h er e s e a r c ho b j e c t f o r m u l a t i o np r e s e n tp a p e rt o p i cr e s e a r c hc o n t e n ta n dt e c h n i c a l r o u t e ，i n t e r n a t i o n a l l yc a u s e st h i sr e s e a r ；c ht h ec o n t e n tb o t hw i t ht oc o n n e c t r a i l sa n dc a n a d a p td o m e s t i cp r o d u c t i o nr e a l i t y f r o mt h es p h e r i c a lt a n kc h a r a c t e r i s t i ca n dt h eu s e ，s t u d i e s t h e s p h e r i c a l t a n k t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n tt h ed o m e s t i ca n df o r e i g ns u r v e y s t ot h el o wt e m p e r a t u r e s p h e r i c a l t a n k w i t hs t e e ln k h i t e n6 1 0 u 2 l ，s t u d i e sa s p e c ta n ds oo ni n g r e d i e n t , m e c h a n i c sp e r f o r m a n c ea n d m i c m s t r u c t u r ec a r r i e so nt h ew o r k a b i l i t yt h ea n a l y s i s ，h a s f o r m u l a t e dt h er e a l i s t i ch e a tt r e a t m e mc r a f tr o u t e c a r r i e so nt h ee s t i m a t ew i t ht h e c o m p u t a t i o nm e t h o dt o t h i ss t e e lw e l d a b i l i t y , a g a i nc a r r i e so nt h eh i g h e s td e g r e eo f h a r d n e s sl a w , s l a n t i n gya n d t h es t r a i g h tyb e v e lw e l dc r a c kt e s t i n gm e t h o d ，t h ew i n d o w r e s t r i c t sw e l d a b i l i t ye x p e r i m e n ta n ds oo nt h ec r a c k ，f r o mt h ec o l dc m c i 【 t h eh e a tc f a c l c ， a g a i na s p e c ta n ds oo nh e a tc r a c kh a sc o n d u c t e dm o r ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c ht ot h i ss t e e l w e l d a b i l i t y t h o u g h tc h a n g e st h es t e e lt oh a v ew e l la n t ic o l da n dh e a tc r a c k a b i l i t y , b u tm u s t c e r t a i n l yc a l t yo nb e f o r et h ew e l d i n gp r e h e a t i n g ，t h ee x p e r i m e n to b t a i n sn k - h i t e n t h e 6 1 0 u 2 ls t e e lt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r et ob es u p p o s e dn o tt ob el o w e rt h a n1 0 0 f r o mt h ew e l d i n ge l e c t r i cc u r r e n lt h ew e l d i n gv o l t a g ea n dt h ew e l d i n gr o ds e l e c t e da n ds o o nt h ea s p e c th a sc a r r i e do i lt h ec r a f tp a r a m e t e rc h o i c et ot h i ss t e e l ；h a ss t u d i e dt h ew e l d i n g t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h ew e l dj o i n tc o m p o s i t i o n t h eb u rw e l d i n gi n p u te n e r g yh a sc a r r i e d o nt h ei m p a c tt e s ta n dt h em i c r os t r u c t u r ea n a l y s i st ot h ew e l dm e t a la n dt h eh e a t a f f e c t e d z o n e ，h a sd e t e r m i n e dt h eb e s ta d h e r e n ti n p u te n e r g y e l a b o r a t e dt h ee l i m i n a t i o ns p h e r i c a l t a n kw e l d i n gr e s i d u a ls l 聆s sn e c e s s i t y , h a sc a r r i e do nt h ed i f f e r e n ts rh e a tt r e a t m e n t t e m p e r a t u r et ot h i ss t e e la n dm a n yt i m e st h es rp r o c e s s i n gi m p a c tt e s ta n da g a i nt h eh e a t c r a c ke x p e r i m e n t , h a sd e t e r m i n e dt h es rh e a tt r e a t m e n ts t a n d a r d ，t h i n k i n gt h es r t e m p e r a t u r eg e n e r a lc o n t r o li n5 8 0 m a n y t i m e ss rh e a tt r e a t m e n ta l t h o u g ht ot h i ss t e e l p e r f o r m a n c es o m ei n f l u e n c e s ，w h e nr e p a i r i n gas e c o n dt i m e ，d e f i n i t e l ym a yc a r r yo nt h e s rp r o c e s s i n gt ot h i ss t e e l k e yw o r d s ： s p h e r i c a lt a n kw e l d a b i l i t yw e l d i n gp r o c e d u r ew e l d i n gs t r e s s t h e s i s ： a p p l i c a t i o n sr e s e a r c h i l l 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期：塑1 2 ：! ! ：! 夕 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复 制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论 文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 导师签名 日期：型：! ：! 尹 日期：丝翌! ! ：! 堡 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 蛆拯 第一章绪论 第一章绪论 1 1 球罐的特点及用途 球形储罐是石油、化工、冶金、城市燃气等工业领域中的重要设备，存储的气体 或液化气体大多是易燃、易爆或有毒介质，是一种具有储存功能的密闭压力容器。 球罐同其他形式储罐相比具有很大的优越性，主要用于储存易燃液体( 异戊烷、 戊烷、己烷、l p g 、l n g 等) 和带压气体( 丙烷、丁烷、天然气、丁烯等) ，在石化 工业、国防工业、冶金工业及城市燃气中不仅应用广泛而且发挥着重要的储存，运输、 调峰等作用。随着我国石化、冶金和城市燃气的高速发展，球形储罐作为一种储存液 化石油气、天然气、液化天然气、丙烷、丙烯、丁烯及其他低沸点石油化工原料和产 品的典型压力容器，被工业领域广泛应用，发挥着重要的作用【l 】。 由于球罐储存的介质大部份是易燃易爆和有毒的物质，一旦出现问题将是灾难性 的，故球罐的使用安全性往往成为人们关注的焦点；值得注意的是球罐瓣片一般采用 冷压方法成形，其壳体均在施工条件恶劣的现场组焊，且有时还需进行焊后整体消除 应力热处理( 以下简称s r 处理) 。因此，除需足够的强度外，对其冲击韧性、冷、热 加工性能和焊接性能提出了更高的技术要求，而研究和掌握球罐用钢的工艺性能，制 定合理的工艺方法和工艺参数，对提高产品的质量尤为重要。 1 2 国内外球罐技术发展概况 球罐最早出现于1 9 世纪末2 0 世纪初，随着金属材料的不断革新和电弧焊接的广 泛应用，球罐的制造技术水平得到了迅速发展。 l 、国外发展历史 世界发达国家美国、前苏联、西德、日本、法国很早开始研究并不断地建造球罐， 特别是自二十世纪6 0 年代以来，日本的球罐制造业非常突出。1 9 5 6 年日本东京煤气 公司建造两台材料是t _ l 钢的2 0 0 0 0m 3 煤气球罐( 设计压力是0 5 m p a ) ，1 9 6 0 年美国 采用纵缝预制拼板自动焊和环缝手工电弧焊的技术建造了两台5 0 0 0m 3 液化石油气球 罐，1 9 6 4 年西德采用自动焊接和手工电弧焊接结合的技术完成了1 0 0 0 0m 3 球罐的建 造，1 9 7 6 年日本神户煤气公司建造一台材料是w e l t e n s o c 的3 3 4 0 0 m 3 煤气球罐( 设 计压力是0 6 m p a ) 1 9 8 4 年日本三菱重工采用m i g 焊接为主的工艺制造了1 5 台2 5 0 0 0 m 的球罐。 目前，世界上最大球罐的几何容积已达到3 6 0 0 0m 3 ，但这些巨型球罐都是储存常 温气体介质。双重壳低温球罐最早于1 9 6 2 年由美国芝加哥桥梁钢铁公司用铝镁合金 制成，容积为9 0 0m 3 ，介质为- 2 5 2 的液态氢。1 9 6 8 年石川岛播磨重工业公司( i h i ) 制造了材料为铝合金，介质为1 0 0 乙烯双重壳低温球罐，容积为4 0 0 0m 3 。 从国外球罐发展来看，球罐的材料、焊接方法已经得到了迅速的研究、应用，球 西安石油大学硕士学位论文 罐已由早期仅储存低压、常温气体发展到储存中、高压、低温气体和液体介质，并朝 着以高强钢为材料、有良好的可焊性、高压力、大容积的方向发展。 2 、我国发展历史 我国于五十年代开始制造球罐，1 9 5 8 年制造出了第一台5 0 m 3 的球罐，1 9 6 6 年北 京金属结构厂首次制造出了容积为4 0 0m 3 的球罐，当时制造大型球罐在我国仍是空 白。随着改革开放和我国工业的发展，1 9 7 7 年安庆石化总厂从法国进口球壳板并在国 内由我国安装公司在现场组装焊接建造了8 2 5 0m 液氨球罐，我国又先后于1 9 8 5 2 0 0 1 年在北京、成都、天津、西安、咸阳和重庆等地建造了5 0 0 0 1 0 0 0 0m 3 的大型液化气 或天然气球罐4 0 多台，设计压力不高一般为1 0 至1 6 m p a ，工作温度为环境温度， 较安全可靠。由于我国的人口密集型城市具有用气量大和不均衡性的用气特点，球罐 的最大工作压力和最小工作压力相差较大，几何容积较大，安装精度要求较高，通常 不做焊后热处理。但是，这些大型球罐都是国外银行或政府贷款项目，都执行国外的 规范、标准进行设计、制造，大都是从国外进口已压制成型的球壳板，聘请国外专家 指导我国安装公司在现场进行组装焊接。因此，建造费用很大。 我国从“六五”计划开始就一直非常重视高强、高韧性压力容器用钢和优良焊接性 的研究，我国自行设计、制造、安装大型球罐已取得了一定的成果。在成功的使用 1 6 m n r 建造多台球罐后，1 9 8 7 年我国研制出首台材料是0 7 m n c r m o v r 的2 0 0 0m 3 液 化气球罐( 设计压力是2 9 4 m p a ) ，1 9 9 3 年研制出高韧性1 6 m n r ( 后命名为w h 5 1 0 其a k v 值大于等于4 7 j ) 的球罐用钢，并使用该材料建造了2 0 0 1 5 0 0m 3 液化气等介 质的球罐4 0 多台。目前我国己能自行设计制造2 0 0 0 m 3 以下液化石油气球罐和4 0 0 0 m 3 以下的气体介质球罐。但是，同国外先进国家相比较，我国在大型球罐方面，无论是 设计、材料用钢还是组装焊接、自动化焊接还有差距。 表卜1我国主要城市的天然气球罐情况 城市名称 天然气球罐 单台几何容积( 一)数量进口国家 1 0 0 0 02日本 北京 1 0 0 0 01 0法国 西安1 0 0 0 04法国 成都5 0 0 03法国 天津5 0 0 05日本 宝鸡4 0 0 04意大利 重庆 l o o o o2 日本材科 第一章绪论 1 3 低温球罐用钢 低温球罐用钢是指设计温度低于2 0 的球罐。低温球罐必须用低温压力容器钢板 来制造【2 叫。 l 、影响低温冲击韧性的因素 一些在静载拉伸试验时具有很大塑性变形能力的钢材，当工作温度降到某一较低 温度并同时受冲击载荷的作用，尤其在有缺口或应力集中存在时，就有可能在几乎无 任何塑性变形痕迹的情况下发生断裂一脆性断裂。对低温钢来说，保证具有足够的韧性 是首要的，而对强度的要求往往不太重要，并且屈强比不得偏高。影响低温钢的低温 冲击韧性的因素包括以下几个方面： 1 ) 合金元素对脆性转化温度的影响 随着钢含碳量的提高，钢的脆性转化温度迅速上升。在钢中添加锰，会使钢的脆 性转化温度明显降低。镍和锰一样，也可改善钢的低温冲击韧性和降低脆性转化温度。 研究表明，钢中每增加蛳1 ，脆性转化温度可降低1 0 左右。除镍、锰外，添加形 成铁素体的合金元素都促进钢的脆性倾向。如碳、铜、硅、铝等都促使脆性转化温度 升高。钒、钛等元素在最初含量增加时都提高钢的脆性转化温度。但是当含量达到一 定含量后反而使脆性转化温度降低。 2 ) 热处理状态对钢韧度的影响 试验研究，同一钢种采用不同的热处理方式其冲击韧性也不相同。在同一试验温 度下，调质状态的冲击韧度最高，正火状态其次，热轧状态的冲击韧度展差。因此， 厚度大于2 5 r a m 的钢板应正火或调质处理交货。 “ 3 ) 微量杂质元素对韧度的影响 微量杂质元素造成钢的低温脆性的原因是由于这些元素在晶界的偏聚，降低晶界 表面能并使晶界抗力减小，从而产生沿晶断裂。许多研究早己表明，随着氧、氢、氮 在铁中含量的增加，均会造成沿晶脆断并促使脆性转化温度升高。 4 ) 晶粒尺寸对脆性转化温度的影响 一般，随着晶粒尺寸的加大，钢的脆性转化温度升高。还会影响脆性断裂应力， 促进钢脆性裂纹的扩展，从而加速钢的低温脆性断裂。 5 ) 第二相颗粒对钢的脆性的影响 钢中夹杂物、碳化物等第二相颗粒对钢的脆性有重要影响，其影响程度取决于第 二相颗粒的形状，尺寸大小和分布，以及它们的性质与基体的结合力等特性。 6 ) 冶金工艺因素对钢的低温脆性的影响 大量研究结果和工程实践表明，加入微量钒、钛、铌、钼等稀土元素，对提高钢 的韧度，特别是低温韧度有很好的作用。 7 ) 温度对韧度的影响 西安石油大学硕士学位论文 随着温度的降低，钢的屈服强度上升，韧度下降。体心立方金属脆性特点之一就 是存在脆性转化温度。随着温度的下降，在一定温度范围内缺口试样由塑性断裂转变 为脆性断裂。通常用一个特定的转变温度表示，即f a t t 。 8 ) 缺口效应和应力集中对脆性的影响 大量脆断事故分析证明，脆断都起源于缺陷处。在实际结构中缺陷、裂纹很难避 免。这些缺陷可以是材料本身存在的，如裂纹、疏松、夹杂物以及各种微观结构缺陷 等，也可能是在制造工程中产生的，如焊接裂纹、未焊透、气孔、加渣等，也可能在 运行中产生的缺陷，如应力腐蚀裂纹、疲劳裂纹、蠕变脆性裂纹等。 缺口或裂纹在裂纹中所起的作用是在拉伸应力场中缺口尖端产生应力集中，随着 外加应力的增加，局部应力集中会很快达到材料的屈服强度而产生屈服，使缺口尖端 附近的小区域内产生一定量的横截面积的塑性收缩，而其邻近区域由于约束而不易产 生塑性变形，由此而产生垂直于外力方向的拉伸应力，因此在缺口尖端区域内产生了 三向应力状态，该三项应力状态不允许材料在厚度方向上产生变形。由于缺口尖端区 一旦开裂，裂纹前端的材料立即受到突然的高应力。裂纹越长局部应力就越大。当裂 纹扩展后缺口尖端更加恶化，最终导致脆性断裂。 2 我国低温球罐用钢 我国g b 3 5 3 l 低温压力容器低合金钢板列出了1 6 m n d r 、1 5 m n n i d r 、 0 9 m n 2 v d r 、0 9 m n n i d r 四个钢号。现分述如下： ( - - ) 1 6 m n d r ( 1 ) 化学成分见表l 一2 。 表1 - 2l 棚n 0 r 钢板的化学成分 化学成分( 质量分数) ， c l s im npsa i s 5 0 2 0 f 0 1 5 加5 01 2 0 - 1 6 0卯0 3 0郢0 2 5 i 2 0 0 1 5 注：钢中可加入微量v 1 1 ，n b 等元素。 ( 2 ) 1 6 m n d r 应正火状态交货。 ( 3 ) 1 6 m n d r 钢板的力学性能见表1 - - 3 。 表1 31 c a # n l 粥钢板的力学性能 板厚，m m e b m p ae j m p a 6 a k v ( 横) j 冷弯试验1 8 0 。 p 1 64 9 0 - - 6 2 0 之3 1 5 d = 2 a - 4 0 ，兰2 4 1 6 3 6 4 7 0 - - 6 0 0翌9 5 2 2 l 3 6 6 04 5 5 8 0 _ 2 7 5 d = 3 a - 3 0 ，芝2 4 6 0 1 0 04 5 5 8 0 2 5 5 4 第一章绪论 ( 4 ) 组批规定。每批由同一炉罐号，同一厚度，同一热处理制度的钢板组成。 厚度6 , - 1 6 m m 的钢板，每批质量不大于1 5 t ；厚度大于1 6 r a m 的钢板，每批重量不大 于2 5 t 。 每批取一个拉伸试样、一个弯曲试样和三个冲击试样。 ( 二) 0 9 m n 2 v d r 钢 ( 1 ) 化学成分见表l 一4 。 表1 - 40 9 m n 2 v d r 钢的化学成分 化学成分( 质量分数) cs im nps v a l s l 郢1 20 1 5 - - 0 5 01 4 0 - 1 8 0郢0 3 0郢0 2 5o 0 2 o 0 6 o 0 1 5 ( 2 ) 钢板以正火状态交货。 ( 3 ) 力学性能见表l 一5 。 表1 - 50 9 h n 2 v d r 铜的力学性能 l 板厚r a mo j i v t p ao q v l p a a k v ( 横) j 冷弯试验1 8 0 0 乒1 64 4 0 5 7 0 2 9 0 5 0 ， 2 2 2d = 2 a 1 6 3 64 3 0 - 5 6 0 2 7 0 2 7 3 2 5 4 5 ， 1 6 3 64 7 0 一6 l o 3 0 5 2 0 d = 3 a 2 7 3 6 6 0 4 6 m 缶o o 2 9 0 ( 4 ) 组批规定同1 6 m n d r 钢板的规定。 ( 四) 0 9 m n n i d r 钢板 ( 1 ) 化学成分见表l 一8 。 西安石油大学硕士学位论文 表1 - 80 9 m n n i 隙钢的化学成分 化学成分( 质量分数) c s im nps n in bfa i s 卯1 2 o 1 5 - 0 5 0 i 1 2 0 - 1 6 0 l 璺0 0 2 5 5 0 0 2 00 3 0 加8 0j 郢0 4 l 三0 0 1 5 ( 2 ) 钢板以正火或正火加回火状态交货。 ( 3 ) 力学性能见表l 一9 。 表卜90 9 u n n i d r 钢板的力学性能 板厚m m o f f m p ao n , l p aw a k v ( 横) j冷弯试验1 8 0 0 以1 64 4 肛5 7 0 3 0 0 7 0 1 6 3 6 4 3 0 5 6 0_ 2 8 02 2 3d = 2 a 2 7 3 6 6 0 4 3 0 - 5 6 0 _ 2 6 0 ( 4 ) 组批规定同1 6 m n d r 钢板的规定。 1 4 课题主要研究内容 本文以大型低温厚壁球罐( 设计温度为4 8 ，壁厚5 0 m m ) 的日本n k h i t e n 6 1 0 u 2 l 钢板为研究对象。 因日本n k k 公司提供的部分钢板焊接性能试验数据以及我国容标委对该钢进行 的技术评审试验，仅说明了n k h i t e n6 1 0 u 2 l 钢板可以满足球罐的设计要求，该钢 的焊接工艺性能仍需要研究分析。为了科学掌握该钢的焊接工艺，制造出高质量的球 罐，确保其安全性，并为其安全评定及使用后的开罐检验提供技术参数和技术依据， 开展了本论文的研究工作。 1 5 课题研究的技术路线 本论文拟根据球罐制造工艺要求及g b1 2 3 3 7 1 9 9 8 钢制球形储罐的有关规定， 对大型低温厚壁球罐用5 0 r a m 厚n k h i t e n6 1 0 u 2 l 钢板，进行了较系统的加工性能 及焊接性能的试验研究。 本论文通过对球罐用钢n k h i t e n 6 1 0 u 2 l 的化学成分、力学性能和金相组织的 分析，研究了该钢的可加工性和焊接性；从焊条的选用、工艺参数的选择和匹配性试 验结果的分析研究了n k h i t e n 6 1 0 u 2 l 球罐用钢焊接时的材料匹配：通过对焊接线 能量对焊接金属及热影响区冲击韧性的影响研究及焊接接头个部位的金相组织分析， 研究了焊接接头的性能；通过s r 热处理温度对母材和焊接接头力学性能的影响试验 和再热裂纹敏感性试验，对焊后消除应力处理的工艺进行了研究并确定s r 热处理规 范。为建造大型低温厚壁球罐提供了非常实用的数据和分析依据，也为以后采用更高 级别的球罐用钢提供了研究思路，更为现场加工参数的选择和安全性分析提供了可靠 的依据。 6 第二章低温球罐用钢的性能分析 第二章低温球罐用钢的性能分析 2 1 化学成分 本试验所采用的n k h i t e n6 1 0 u 2 l 钢板由日本n k k 公司生产，其炉罐号、批 号及板厚与实际建造的大型低温厚壁球罐用钢的钢板相同。材料的化学成分见表2 一 l 。 表2 1 试验用n k h i t e n 6 1 0 u 2 l 钢板化学成分 炉批号cs im npsn ic rm oc u v n bbp c m l l c e 口2 0 1 5i | 2 003 0 0 2 0 蔓 技术 5 ( ， 7 0d = 3 a 要求 l 4 t07 1 0 调质同上5 8 46 7 02 9 ”5 03 1 63 1 73 1 5 0 4 9 7 调质 k g l 6 8 合格 + 5 8 0 x 4 i l s r同上5 9 96 7 9 2 9 1 】- 5 02 5 0 2 4 72 2 2 1 处理 注：j l s z 施4 试样。 由于轧制钢板具有一定的各向异性，垂直于钢板的轧制方向( 横向) 是力学性能 较小的方向，本研究的拉伸、冲击试样的取样方向均选择垂直于钢板的轧制方向，试 西安石油大学硕士学位论文 样的轴线分别位于钢板厚度方向的表层、及t ，2 处，图2 1 示出了试样取样的示意 图。试样制作及试验方法严格按照g b t2 2 8 1 9 8 7 ( 金属拉伸试验方法和g b t 2 2 9 1 9 9 4 金属夏比缺口冲击试验方法的规定进行，其中拉伸试样采用0 1 0 m m 圆 棒型试样。试验数据列于表2 2 。冲击试样采用v 型缺口全试样，冲击试样的侧膨胀 值及晶状断面率根据g b 厂r1 2 7 7 8 1 9 9 1 金属夏比冲击断口测定方法，分别采用侧膨 胀仪法和放大测量法( 采用万能工具显微镜) 进行测定。钢板不同部位取样的拉伸和 系列温度冲击试验结果分别汇总于表2 3 和表2 5 。图2 2 图2 5 分别绘出了表2 4 中钢板不同部位取样的冲击吸收功的a k r 一温度曲线，图2 - 6 示出了图2 - - l 所示的钢 板不同部位取样的试样脆性断面率换算的纤维断面率一温度曲线。 1 2 5 。t 4 试样轴 丛已- i 一一l l ： j 。 i- t- 钢板表层、 钢板表层、t 4 、t 2 t 4 、t 2 各取 塾型查皇 各2 4 个冲击试样 2 个拉伸试 样试样：； 。一i i 。r r r 。 扯u + li 6 表屡试样轴 h 卜_ 5 0 0 l 5 0 。+ 图2 1 钢板不同部位取拉伸、冲击试样示意图 表2 3 钢板不同部位取样的拉伸试验结果 试样轴线 取样仉 o b 6 ， 部位 m am p a 表层6 0 05 9 56 6 56 4 52 32 3 t 45 7 05 6 56 4 06 3 52 52 4 t 25 4 05 4 56 4 0 6 4 02 42 5 第二章低温球罐用钢的性能分析 表2 - 4 不同部位取样的钢板韧脆性性转变温度 取样 v t ev t s- 5 0 a k v- 6 0 a k v 部位jj 表层 9 51 0 l 2 9 52 6 3 t 49 31 0 0 3 0 22 7 4 t 25 4- 6 01 8 41 9 8 表2 5 钢板不同部位取样的系列温度冲击试验结果 取样试验温度 a k v 晶状断面率侧膨胀值 部位j 2 03 1 23 2 73 0 8 oo o2 2 72 1 82 2 l o3 0 22 7 l2 9 7o0 o2 4 42 3 l2 5 5 2 02 9 53 0 43 0 400 02 4 82 3 92 5 2 4 02 9 l3 0 23 0 900 02 4 32 5 02 4 2 表层 5 02 9 42 9 82 9 3oo 02 4 72 6 72 4 5 - 6 02 6 82 6 22 5 9000 2 5 92 4 02 4 8 8 0 2 3 62 2 32 0 81 92 02 82 0 52 2 82 5 1 1 0 01 2 81 4 01 1 74 3 “5 i 1 5 71 6 71 2 9 2 03 3 73 2 l3 1 80 oo2 0 92 3 42 0 5 03 0 83 0 83 1 5o0 02 4 82 5 52 5 7 - 2 03 2 l3 0 53 1 2o o02 2 92 4 62 3 4 t 44 03 2 23 0 63 0 80o 02 4 8 2 5 7 2 5 5 5 0 3 l l3 0 l2 9 50o 0 2 5 32 3 5 2 6 4 _ 6 02 8 42 6 72 7 340 o2 3 92 4 62 7 3 8 02 2 72 3 22 6 l2 61 632 5 42 0 32 1 4 1 0 01 0 71 1 81 2 l5 4 4 64 01 5 71 5 51 6 8 2 03 2 23 4 53 2 60 001 9 71 8 31 8 4 03 1 5 3 1 93 l o0 002 3 42 3 42 5 5 2 06 8 2 8 83 2 35 01 70o 9 51 8 82 3 3 4 06 9 2 3 43 2 36 62 lo1 0 32 3 22 4 3 t 2 - 5 02 5 82 2 57 l2 63 26 72 4 82 5 8i 0 5 6 02 3 6 2 2 41 3 52 23 66 5 2 2 82 4 61 7 3 - 8 01 6 01 3 71 5 66 17 06 02 1 61 8 01 9 7 1 0 01 71 44 l1 0 01 0 09 5o 2 60 5 00 3 3 9 西安石油大学硕士学位论文 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 卷 善1 5 0 昏 斗宕1 0 0 z 5 0 o 2 0 1 0 0 8 0 - 6 0 - 4 0 2 002 0 温度 35 0 3 。 一2 5 0 ；：。 霎一 鍪1o o 桓 鸯5 。 o - 12 0 1 0 0 一8 0- 8 04 02 002 0 温度 图2 2 钢板表层取样韵r a l 温度曲线图2 3 钢板以取样的a k v 一温度曲线 瑚 鲫 一2 一加o 督 ：基1 軎l + 甘1 宽 5 0 0 1 2 0 1 0 0 枷- 6 0 - 4 0 - 2 0 0 2 0 温度 温度 图2 - 4 钢板化取样的a k 瑚度曲线图2 5 钢板不同部位取样的a k y 一温度曲线 毋 辱 宣 痞 蛙 虫 1 2 0 1 - 8 0 - 6 0 - 4 0 2 00 2 0 温度 图2 - 6 钢板不同部位取样试样的纤维断面率温度曲线 1 0 为己仲o 第二章低温球罐用钢的性能分析 由表2 3 的数据可以看出，钢板表层试样的抗拉强度略高于1 4 及l 2 板厚处试 样的抗拉强度，1 2 板厚处试样的屈服强度较明显的低于钢板表层试样的屈服强度。 由表2 5 所示的数据及图2 - 5 不同部位取样的a k 一度曲线可以看出，不同试验温 度下钢板表层试样的冲击吸收功与1 4 板厚处试样的冲击吸收功相近，且均远高于i 2 板厚处试样的冲击吸收功；由表2 - 5 的数据还发现，在低于0 c 的试验温度下，1 2 板 厚处三个试样的冲击吸收功波动性较大，这是因为钢板不同部位的淬透性不同。 按冲击吸收功和冲击试样的纤维断面率确定的钢板不同部位取样的韧脆转变温 度列于表2 - 4 。表2 - 4 中v t e 为5 0 上平台能所对应的温度；v t s 为5 0 晶状断面率所 对应的温度；5 0 a k v 、- - 6 0 c a k v 分别为5 0 ( 2 、- 6 0 试验温度下三个试样冲击吸收 功的平均值( 下同) 。由表2 4 所列的数据可以看出，钢板不同部位取样的v t e 和v t s 均低于5 0 ，表明5 0 r a m 厚n k h i t e n6 1 0 u 2 l 钢板在- 4 8 设计温度下使用，冲击 韧性值是完全可以满足要求。 2 3 金相组织 根据日本n k k 公司提供的有关资料介绍，n k h i t e n6 1 0 u 2 l 钢板由于通常采用 低c 低p c m 值的微合金化技术和控制较低温加热的低温轧制d q - t ( 直接淬火回火) 工艺，从而获得了细小的低c 贝氏体组织以保证其具有较高强度和良好的低温韧性。 获得的低c 贝氏体体主要是下贝氏体，这种转变发生在4 0 0 2 5 0 之间，它是靠铁素 体内位错和细小的碳化物来强化，因此下贝氏体具有较高的强度和良好的韧性【4 】。 n k h i t e n6 1 0 u 2 l 钢板属低碳贝氏体钢，在成分设计上，选择了c 、m n 、n b 、m o 、 b 等元素的较好配合，在生产过程中通过低温轧制d q t 工艺形成了完全的低碳贝氏 体组织，既保证了低温韧性，又保证焊接性 调质型低合金高强度钢板由于其固有的淬透性及其生产时的冷却方式，使钢板沿 厚度方向的组织和性能呈各向异性。为了研究这种各向异性在微观上的表现，对试验 用5 0 r a m 厚n k h i t e n6 1 0 u 2 l 钢板( 调质状态) 沿厚度方向的不同部位取样进行了 拉伸、系列温度冲击试验的金相组织检验。 为了检验5 0 m m 厚n k h i t e n6 1 0 u 2 l 钢板厚度方向不同部位的金相组织特征， 本试验分别沿板厚方向的表层、以及化处进行了金相组织检验。图2 7 分别示出了 钢板厚度方向不同部位的金相组织。 金相组织的检验结果发现，n k h i t e n6 1 0 u 2 l 钢板调质状态的组织主要为低c 贝氏体，其形态随着板厚方向的部位不同有所变化。钢板表层为细小低c 贝氏体，随 着板厚方向的增加低c 贝氏体的形态较为粗大，见图2 7 。这可能是导致1 2 板厚处 冲击吸收功波动性较大的原因。 西安石油大学硕士学位论文 a 、钢板表层的金相组织( 低c 贝氏体) 5 0 0 x b 、钢板似处的金相组织( 低c 贝氏体) 5 0 0 c 、钢板化处的金相组织( 低c 贝氏体) 5 0 0 图2 7 钢板( 调质状态) 厚度不同部位的金相组织 2 第二章低温球罐用钢的性能分析 2 4 可加工性分析 本论文拟根据球罐制造工艺要求及g b1 2 3 3 7 1 9 9 8 钢制球形储罐的有关规定， 对大型低温厚壁球罐用5 0 m m 厚n k h i t e n6 1 0 u 2 l 钢板，进行了较系统的加工性能 及焊接性能的试验研究 球罐建造过程中，由于球壳板采用冷冲压工艺成形，球壳板组焊后还需进行两次 消除应力热处理( 即人孔、接管与极中板组焊后制造厂对其进行一次消除应力热处理 以及球罐焊后还应进行整体消除应力热处理) ，上述冷、热加工工艺对钢板的力学性 能均有一定的影响，为此进行了钢板冷变形后冲击性能试验和钢板冷变形并经两次 s r 处理试验后冲击性能试验。 试验参照g b4 1 6 0 - 1 9 8 4 钢的应变时效敏感性试验( 夏比冲击) 方法中有关取 样的规定，将调质状态5 0 r a m 厚钢板加工成横向板状拉伸试样( 试样尺寸为 1 2 x 3 x 3 0 0 m m , 试样轴线位于板厚l 4 处) 后进行常温下拉伸变形，其残余冷变形量分 别为未变形、2 5 、5 o 等3 种状态；并对部分冷变形后的板状拉伸试样进行两次 s r 处理( 其工艺为5 8 0 = 1 = 1 x 2 h x 2 次) ，板状拉伸试样随炉升温、冷却，4 0 0 以上升、 降温速度均控制在5 0 i l 。然后对冷变形和冷变形后经两次s r 处理的拉伸钢板进行 切割，按g b t2 2 9 加工成横向冲击试样，冲击试样的取样示意图见图2 - 8 。钢板冷变 形和冷变形后经两次s r 处理的低温冲击试验结果列于表2 - 6 。 ：一r r r ji ： ： 超| ：5 ：仁冲击试样l 1 伞拉伸试样 ：i： 向上l 上_ l l 舍去3 0 舍去3 0 1 。3 0 0。： 舍去 n 0 。 舍去 舍去 5 5 9 0 j u ur ： 图2 - 8 冷变形试板冲击试样取样示意图 1 3 西安石油大学硕士学位论文 试样状态 _ 4 0 5 0 - 6 0 原调质状态 2 9 9 2 9 43 2 23 0 92 9 9 3 1 52 2 12 9 4 2 9 2 2 5 冷变形2 9 43 1 52 8 72 5 83 0 02 8 01 7 32 9 52 6 3 5 冷变形3 0 93 0 52 9 52 7 2 2 4 6 3 0 02 5 2 2 5 01 8 9 调质状态经5 8 0 c x 2 h 2 次s r 处理3 1 52 8 73 l l2 1 71 7 02 3 52 0 31 9 52 6 6 2 5 冷变形后经5 8 0 c x 2 h x 2 次s r 处理2 9 4 3 0 61 7 81 9 4 2 5 52 4 42 4 21 9 71 8 4 5 冷变形后经5 8 0 cx 2 h x 2 次s r 处理2 2 62 2 12 7 0 2 2 91 9 52 2 81 2 6 1 3 21 5 4 由表2 - 6 中所示的数据可以看出，冷变形及冷变形经两次s r 处理后的钢板随着 冷变形量的增大，其低温韧性有所降低但其变化幅度不太明显；相同冷变形量的钢 板经两次s r 处理后，冲击吸收功降低较明显，但5 0 下冲击吸收功仍远高于钢板订货 的技术要求( 5 0 c a k v 1 0 0 j ) 。试验结果表明，n k - h i t e n 6 1 0 u 2 l 钢板完全可满足球 罐片冷成形工艺及冷成形后经两次s r 处理工艺的要求。 2 5 焊接性分析与研究 球罐用钢的焊接性主要是指在电弧焊条件下，获得优质焊接接头的难易程度及该 焊接接头在使用条件下是否安全地运行，其焊接性应包括工艺焊接性与使用焊接性两 个方面。本试验针对球罐焊接工艺的主要特点，重点对n k - h i t e n 6 1 0 u 2 l 钢板的焊 接冷裂纹敏感性、再热裂纹敏感性以及焊接线能量对其焊缝金属、焊接热