（材料加工工程专业论文）大型原油储罐用高强度钢板的研制.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g d e v e l o p m e n to ft h eh i g hs t r e n g t hh e a v y p l a t e s f o r l a r g e o i lt a n k s b ym a c h a o h u i s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n gg u o d o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y 2 0 0 9 独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的 论文中取得的研究成果除 加以标注和致谢的地方外 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包括本人 为获得其它学位而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文储虢 乞埠 日 期 力川7 7 多 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借 阅 本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 交 流 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年口一年口 一年半口两铤 学位论文作者签名 j 五豸k 缸 导师签名 签字日期 力矽 7 签字目期 i 彭汐争 娜多7 3 东北大学博士学位论文摘要 1 0 万m 3 大型原油储罐的建造 关键词 0 8 m n n i v r 成分 工艺 性能 应用 i i 东北大学博士学位论文hbgtract d e v e l o p m e n to f t h eh i 曲s t r e n g t hh e a v yp l a t e sf o rl a r g eo i lt a n k s a b s t r a c t i na c c o r d a n c ew i t ht h en e e d so f h i g hs 仃e n g t hh e a v yp l a t e s h s h y f o rl a r g eo i lt a n k si nt h e b u i l d i n go ft h en a t i o n a lo i lr e s e r v a t i o nb a s e s d e v e l o p m e n to ft h es t e e l c o m p o s i t i o n o p t i m i z a t i o no fm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u ea n di n d u s t r i a lt r i a lp r o d u c t i o nw e r ec a r r i e do u t m e a n w h i l e t h ew e l d i n ga n dc o r r o s i o np r o p e r t i e so f t h ep l a t e sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hp r o g r e s si nt h ew o r l da n dt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fh s h p f o rl a r g eo i lt a n k s m o d e l so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s i n c l u d i n g y i e l ds t r e n g t h t e n s i l es t r e n g t ha n de x t e n s i b i l i t y w e r es e tu pb a s e do nt h ev a r i o u sr e l a t e d s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m s i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o n sa n dt h ew e l d a b i l i t y o fp l a t e s t h em o d e l sw e r ea p p l i e df o rt h ef i r s tt i m ei nt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h es t e e l c o m p o s i t i o n t h eo p t i m u mc o m p o s i t i o n so f t h es t e e lw a s 0 0 8 5 0 1 1 0 c 一 1 5 0 1 6 0 m n 0 2 5 s i 0 2 5 n i 一0 1 0 m o 0 0 5 v 0 0 1 0 一 0 0 1 5 t i a n di t sn a m e da s 0 8 m n n i v r t h er o l eo ft r a c en bi nt h es t e e ld u r i n gw e l d i n gu n d e rv a r i o u sh e a ti n p u tc o n d i t i o n sw a s d i s c u s s e d i naw e l d i n gc y c l e d i s s o l u t i o no fn b cp a r t i c l e s d i f f u s i o no fn bi nt h ea u s t e n i t e s u b s t r a t ea n dt h ed r a g g i n ge f f e c to fn bi ns o l u t i o nw i l li n f l u e n c et h ei m p a c tt o u g h n e s so ft h e h e a te f f e c t e dz o n e h a z d i s s o l u t i o no fn b cp a r t i c l e sw i l lb ee n h a n c e dw i t hi n c r e a s i n go f t h eh e a ti n p u t s w h i c hw i l lr e d u c et h ek e y i n ge f f e c to na u s t e n i t eg r a i nb o u n d a r i e sa n dt h e i m p a c tt o u g h n e s so fh a z w h e dt h eh e a ti n p u t sw a si nb e t w e e n8 0 k j c m 一10 0 k j c m a st h e r e s u l to fc o m p l e t e l yd i s s o l v e dn bw a sn o ta b l et or e p r e c i p i t a t e d u r i n g c o o l i n ga n dt h e d i f f u s i v i t yo fn bl i m i t e d t h en b f i c h e dz o n ew i l lb ef o r m e da n dt h ei m p a c tt o u g h n e s sr e d u c e f u r t h e r w h e nt h eh e a ti n p u t sw a sa sh i 曲a s12 0 k j c m d i s t r i b u t i o no fn bi nt h es u b s 廿a t ew i l l b em o r eh o m o g e n e o u s w h i c hw a sb e n e f i c i a lt ot h e 出a go fg r a i nb o u n d a r ym o v e m e n t s ot h e t o u g h n e s so fh a z s h o u l db ei m p r o v e ds o m e w h a t i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g h h e a ti n p u tw e l d i n go v e r10 0 k j c m n bw a sd i s c a r d e df o rt h ef i r s tt i m ei nt h e d e s i g no f c o m p o s i t i o no fh s h pf o r 1 a r g eo i lt a n k s b yc o m p a r i n gt h ep r i m a r yc h a r a c t e r i s t i c s o fs i m u l a t i n g q u e n c h i n ga n d i n d u s t r i a l i i i 东北大学博士学位论文a b s t r a c t p r o d u c t i o np r o c e s s t h ea v e r a g ec o o l i n gr a t ef r o mq u e n c h i n gt e m p e r a t u r et o4 0 0 cw a s p r o p o s e da st h ee i g e n v a l u eo ft h eq u e n c h i n gp r o c e s sf o rt h ef i r s tt i m e am o d e lo fh a r d n e s s a n dc o o l i n gr a t ew a se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h ec c tc u r v ea n dj o m i n yt e s ts i m u l a t i n g q u e n c h i n g a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lp r o c e s st h em o d e lw a sa m e n d e da n dt h e na p p l i e dt ot h e i n d u s t r yp r o c e s sc o n t r 0 1 b yf r a c t o g r a p h i c a lo b s e r v a t i o na n da n a l y s i so fh a z i tw a sf o u n dt h a t u n d e rt h ec o n d i t i o n o fh i g hh e a tm p u t t h ez o n eo ff u s i o nl i n e l m mi nh a zi st h ew e a k e s tp a r ti nt h ew e l d j o i n t t h e r e f o r e t h ei m p a c te n e r g yo ff u s i o nl i n ec a l lb ec o n s i d e r e da sk e yp a r a m e t e r sf o rt h e a s s e s s m e n to ft h ew e l d a b i l i t yo ft h es t e e l b a s e do nt h ea b o v ew o r k t h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o no ft h e0 8 m n n i v rh e a v yp l a t e sh a s p a s s e dt h et e c h n i c a la n dc o n s t r u c t i o ns i t et e c h n i c sa s s e s s m e n to r g a n i z e db yt h en a t i o n a l b o i l e r sa n dp r e s s u r ev e s s e l ss t a n d a r d i z a t i o nc o m m i t t e e a n dh a sb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yi n t h ec o n s t r u c t i o no fz h e r t h a in a t i o n a lo i lr e s e r v a t i o nb a s e k e yw o r d s 0 8 m n n i v r c o m p o s i t i o n m i c r o s t r u c t u r e p e r f o r m a n c e a p p l i c a t i o n i v 东北大学博士学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 目录 第一章绪论 i 1 1 选题背景 一卜 1 1 1 国家石油战略储备迫切需求 1 1 1 2 大型原油储罐用高强度钢板性能要求及市场分析 一2 一 1 2 国内外研究现状 一4 1 2 1 国外研究现状 4 1 2 2 国内研究及应用现状 1 3 1 3 存在问题 2 3 1 4 研究内容 2 3 第二章成分设计 2 1 力学性能上的分析 2 1 1 强度 2 1 2 延伸率 2 2 焊接性的考虑 2 2 1 低碳钢的组织转变 2 2 2 焊接热影响区 h a z 组织分布 2 2 3 影响d 点性能的因素分析 2 3 成分设计 2 3 1 基本成分 2 3 2 微合金化元素的添加 2 3 3 焊接热影响区 h a z 性能的成分优化 2 4 小结 第三章铌对力学性能的影响 2 5 2 5 2 5 一3 0 一 一3 3 一 一3 3 3 5 3 5 3 8 一3 8 一 3 9 3 9 4 0 一 一q l j i 一 3 1 成分设计和工艺选择 4 2 3 1 1 成分设计 一4 2 3 1 2 工艺选择 一4 3 3 2 实验室试制 4 4 3 2 1 冶炼及轧制 一 3 2 2 测定连续冷却转变 c c t 曲线及热处理工艺 一4 4 3 3 结果分析及讨论 4 6 3 3 1 力学性能 4 6 3 3 2 硬度 一4 7 3 3 3 微观组织 一4 9 3 3 4 焊接热模拟研究 一5 2 3 4 小结 5 9 东北大学博士学位论文目录 第四章淬火工艺优化 4 1 试验材料 6 1 4 2 试验室模拟淬火试验 6 2 4 2 1 试样及设备 6 2 4 t 2 2 数据采集系统 6 3 4 2 3 试验方法 一 一6 4 4 2 4 试验结果及分析 一6 4 4 3 淬火过程数值模拟 一6 7 4 3 1 a b a q u s 软件简介 6 8 4 3 2 淬火过程的导热偏微分方程 一6 9 4 3 3 数值模拟的实现 7 0 一 4 3 4 淬火工艺制度及实施效果 一7 7 4 4 j 结 7 8 一 第五章工业试制及性能检验 5 1 化学成分及力学性能要求 7 9 5 2 工艺路线及要求 8 0 5 2 i 生产工艺流程 8 0 5 2 2 炼钢及连铸 8 0 5 2 3 轧制及热处理 一8 0 5 3 结果及性能分析 8 1 5 3 1 连铸坯成分均匀性分析 一8 1 5 3 2 金相组织分析 一8 2 5 3 3 夹杂物分析 8 3 5 3 4 力学性能及均匀性分析 8 4 5 3 5 横截面硬度试验 一8 7 5 3 6 系列温度冲击试验 一8 8 5 3 7 无塑性转变温度 n d t t 试验 8 9 5 3 8 应变时效敏感性试验 一9 0 5 3 9 模拟焊后消除应力 s r 热处理试验 9 l 5 4 技术评审及应用 9 2 5 4 1 技术评审 9 3 5 4 2 施工现场焊接工艺评定 9 3 5 4 3 工程应用 一9 3 5 5 小结 9 3 第六章焊接性研究及焊接工艺试验 6 1 测定焊接热影响区连续冷却转变 c c t 图 j 一9 5 6 1 1 试验方法 9 5 6 1 2 试验结果及分析 9 6 6 1 3 不同连续冷却条件下的金相组织 一9 6 6 2 焊接热影响区 h a z 最高硬度试验 一9 8 6 2 1 试验方法 一9 8 6 2 2 试验结果及分析 一9 8 6 3 斜y 坡口焊接裂纹试验 一9 9 东北大学博士学位论文目录 6 3 1 试验方法 9 9 6 3 2 试验结果及分析 1 0 0 6 4 再热裂纹敏感性试验 1 0 0 6 4 1 再热裂纹敏感指数 1 0 0 6 4 2 平板对接反面拘束裂纹试验 1 0 1 6 4 3 斜y 型坡口焊接裂纹试样应力s r 处理模拟再热裂纹试验 一1 0 2 6 5 焊接接头消除应力 s r 热处理试验 1 0 2 6 5 1 试验方法 一1 0 2 6 5 2 试验结果及分析 1 0 3 6 6 焊接热影响区冲击韧性的评价 一1 0 4 6 6 1 试验方法 1 0 4 6 6 2 试验结果 一1 0 5 6 l 6 3 分析与讨论 一1 0 6 6 7 气电立焊 e g w 焊接接头力学性能试验 一1 0 8 6 7 1 焊接条件 1 0 8 6 7 2 气电立焊 e g w 接头的力学性能 一l o g 6 8 埋弧横焊 鼢w 焊接接头力学性能试验 一1 1 0 6 8 1 焊接条件 一l l o 6 8 2 埋弧横焊 s a w 接头的力学性能 一1 l o 6 9d 结 11 2 第七章腐蚀性能研究 7 1 试验方法 一1 1 3 7 2 试验结果及分析 1 1 4 7 2 1 周期浸润加速腐蚀实验 11 4 7 2 2 模拟浸泡实验 一1 1 6 7 2 3 电化学实验 一1 1 7 7 3 小结 一 1 1 7 第八章结论 参考文献 附录1 成分设计结果 1 1 8 附录2 评审证书 一1 2 7 一 1 3 3 攻读博士学位期间完成的论文 一1 3 4 鸳贮谢 一1 3 5 一 作者简介 一1 3 6 东北大学博士学位论文第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 1 1 1 国家石油战略储备迫切需求 随着我国国民经济的持续快速发展 我国的石油消费量急速提高 对进口石油的依 赖程度不断增大 2 0 0 3 年 我国石油进口量占国内总需求量的比例达到4 0 以上 1 石油需求的增长量占世界石油总需求增长量的1 3 我国成为仅次于美国的世界第二大 石油消费国 2 石油作为一种战略资源 其稳定供应不仅关系到国民经济的持续发展 甚至影响国 防安全 尽管当今世界和平与发展仍是时代主流 但国际局势也存在许多不可预见的复 杂因素 西方发达国家非常重视石油的战略储备 2 0 0 4 年日本的石油储备可供全国使用 半年以上 美国石油储备量为1 5 0 天 法国本土的石油储备量相当于9 5 天的使用量 海 外石油储备量为7 3 天 英国和德国的石油储备量约9 0 天 3 1 2 0 0 3 年以前 我国只有企 业石油储备 且其储备量不足2 1 天 为了防患于未然 保持石油资源的持续供应 建设 国家石油战略储备就显得十分必要h 针对我国石油储备现状和国际石油市场的变化 政府和石化企业也逐步认识到石油 战略储备的重要性 2 0 0 4 年6 月3 0 日国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议 认 为必须坚持把能源作为经济发展的战略重点 解决我国能源问题 必须切实抓好以下几 个方面工作 要坚持把节约能源放在首位 实行全面 严格的节约能源制度和措施 要 大力调整和优化能源结构 要高度重视能源安全 搞好能源供应多元化 加快石油战略 储备建设 健全能源安全预警应急体系 为了实现全面建设小康社会的宏伟目标和在本 世纪中叶达到世界中等发达国家水平 保证石油的持续供应是至关重要的一个因素 建 设石油战略储备基地是关键措施之一 5 1 国家发展和改革委员会于2 0 0 4 年7 月启动了国家石油战略储备项目 拟分三期建造 共3 0 0 多台容积为1 0 万m 3 大型原油储罐 到2 0 1 0 年 中国的石油储备量从目前的2 0 天左右增加到5 0 天 2 0 2 0 年达到9 0 天 与欧洲2 0 0 3 年的平均水平相型6 1 由于我国1 0 万m 3 大型原油储罐的设计 焊接施工技术基本上是沿用日本的j i s 材 东北大学博士学位论文第一章绪论 料标准和施工工艺 6 7 1 致使大型原油储罐用高强度钢板完全依赖于日本的钢铁企业 进 口高强度钢板一统天下 形成了完全的卖方市场 国家启动石油储备基地建设时 参加 第一期工程的浙江镇海基地项目竞标的有日本j f e 公司 新日铁公司和武汉钢铁公司等 结果j f e 公司以吨钢9 8 0 美元中标2 4 台1 0 万m 3 原油储罐用高强度钢板s p v 4 9 0 q 国 内武汉钢铁公司以吨钢8 0 0 美元中标2 0 0 0 吨高强度钢板1 2 m n n i v r 在2 0 0 5 年3 月镇 海国家石油储备基地再次招标时 j f e 等国外公司联手将标价提高到1 2 2 0 美元 吨 而 且声明 由于高强度钢板产能紧张i 将不能保证供货期 要改变我国石油储备基地建设 用高强度钢板的供应紧张 受制于人的局面 必须实现大型原油储罐用高强度钢板的国 产化 由于大型原油储罐用高强度钢板国产化工作是一项跨行业 跨部门 涉及多个技术 领域复杂的系统工程 2 0 0 4 年7 月 国家发展和改革委员会能源局 石油储备办公室 在北京组织召开了大型储罐建设用高强度钢板国产化工作启动会 国家发展和改革委员 会办公厅以发改办能源 2 0 0 4 1 3 7 9 号文件 正式决定中国石化集团公司 简称 中石 化 为牵头单位负责攻关工作 与武钢集团公司 简称 武钢 宝钢集团公司 简称 宝钢 鞍钢新轧股份公司 简称 鞍钢 舞阳钢铁公司 简称 舞钢 济钢集团公司 简称 济钢 设计 施工单位和镇海国家石油储备基地有限责任公司等 组成高强度 钢板国产化联合攻关组 开始钢板国产化研发与推广应用工作 6 2 0 0 4 年9 月 宝钢响 应国家号召成立国产化攻关组 全力投入了大型原油储罐用高强度钢板的研发工作 因此 本文依托国家重点工程和宝钢科技攻关项目 在开展大型原油储罐用高强度 钢板开发和试制中 就相关问题进行研究和探讨 具有重要的现实意义 1 1 2 大型原油储罐用高强度钢板性能要求及市场分析 我国1 0 万m 3 大型原油储罐的建设始于1 9 8 5 年 国内首台1 0 万m 3 大型浮顶式原 油储罐从日本引进 设计规范依据日本j i sb 8 5 0 1 标准 2 0 世纪9 0 年代中后期部分大 型浮顶原油储罐的设计采用美国a p l 6 5 0 标准 但此后1 0 多年的时间内 我国石化企业 陆续建造的1 0 万m 3 以上的大型原油储罐的设计规范仍主要依据修订后的e t 本j i sg 3 1 1 5 标准 7 8 1 按照日本j i sg 3 1 1 5 标准 1 0 万m 3 大型外浮顶式原油储罐所用钢板的种类和规格 按罐体不同位置 一般可分为罐壁板 罐底板以及浮顶板三部分 东北大学博士学位论文第一章绪论 罐壁板 对于1 0 万m 3 大型原油储罐 罐壁板从底层至顶层一般分为9 层 按照不 同设计规范 罐壁钢板规格一般为1 2 3 4 m m 厚 x 2 4 0 0 3 0 0 0 m m 宽 1 0 0 0 0 一 1 2 5 0 0 m m 长 左右 1 6 层罐壁板厚度依次递减 6 9 层罐壁板厚度规格相同 l 6 层罐壁板通常采用最小抗拉强度为6 1 0 m p a 的高强度调质钢板 如美国a s t m 标准中 的a 5 3 7 c l a s s 2 日本j i sg 3 1 1 5 标准中的s p v 4 9 0 q 国内武钢开发的w h 6 1 0 d 2 等 1 2 m n n i v r 牌号于2 0 0 3 年纳入国家标准g b l 9 1 8 9 2 0 0 3 压力容器用调质高强度钢板 中 7 一 9 层罐壁板通常采用1 6 m n r 或s s 4 0 0 q 2 3 5 等低合金钢板 罐底板 罐底板分为中幅板和边缘板 罐底边缘板采用与罐壁板相同的高强度调质 钢板 依据基础和抗震要求等厚度有所不同 为1 8 一2 1 m m 中幅板采用普通强度的低 合金钢板 如s s 4 0 0 s m 4 0 0 c 等 所用钢板规格为 1 0 b1 2 m m 厚 x 2 0 0 0 2 4 3 0 m m 宽 6 0 0 0 1 2 0 0 0 m m 长 浮顶板 浮顶板采用屈服强度2 3 5 一 3 4 5 m p a 级别的普通强度的低合金钢板 如 s s 4 0 0 q 2 3 5 等 所用钢板规格为 4 5 一5 m m 厚 xl5 0 0 18 0 0 m m 宽 8 0 0 0 1 2 0 0 0 m m 长 在建造大型原油储罐的施工过程中 罐底板焊接通常采用气体保护焊打底 在焊缝 中添加铁粉或碎焊丝的埋弧焊接工艺 浮顶板采用小热输入 1 的手工焊 气体保护焊 等工艺 s s 4 0 0 s m 4 0 0 c 及q 2 3 5 a 等均能满足施工要求 罐壁板采用高效自动化焊接方法 如纵焊缝主要采用大热输入量的气电立焊工艺 e g w 横焊缝主要采用较小热输入的埋弧自动横焊工艺 s a w 因此对高强度钢板 提出了更高的要求 1 高的力学性能指标要求 屈服强度 抗拉强度 良好的塑性 高韧性 组织均匀性等 一般采用调质高强度钢板 2 无论采用何种焊接方法 焊接 接头的抗拉强度达到与母材最小抗拉强度相同的要求及更宽广的焊接热输入适应性 当 采用8 一 1 5 k j c m 小热输入的埋弧横焊后 焊接热影响区 地屹 因淬硬而产生的脆化倾 向要小 当采用1 0 0 k j c m 的大热输入气电立焊焊接后 其焊接热影响区 h a z 因晶粒 粗化或组织变化产生的脆化倾向要小 低温冲击韧性满足设计技术要求 由此 大型原 油储罐罐壁板用高强度钢板又称为大热输入焊接高强度钢板 3 为了提高现场施工效 率 焊接前不预热或低温预热 焊后不产生焊接冷裂纹 因此可知 大型原油储罐用高 强度钢板主要特点就是在具有焊接接头与母材等强匹配性能要求的前提下 具有适应大 1 热输入 h e a ti n p u t 有关文献中称 线能量 本文统一采用标准术语 热输入 一词 东北大学博士学位论文 第一章绪论 热输入焊接 小热输入焊接和低焊接裂纹敏感等特性 尤其是大热输入焊接尤为重要 原油储罐基地考虑不同的设计方式以及储存原油的密度和种类等差异 一台1 0 万 m 3 原油储罐用钢材总量为1 9 0 0 2 0 0 0 吨 其中高强度钢板7 0 0 一7 9 0 吨 普通低合金钢 板1 1 0 0 一1 2 0 0 吨 高强度钢板占用钢总量的3 5 4 5 左右 根据国家石油储备基地建设的规划 一期工程中四大原油储备基地共需要建设1 6 4 台1 0 万m 3 浮顶原油储罐 按每台原油储罐需要1 9 5 0 吨钢材计算 一期工程共需要3 0 万吨钢材 其中高强度钢板用量约1 2 万吨 到2 0 1 0 年 我国因战略储备的需要 将把地面原油储量增加两倍以上 在此期间将 建设容积为1 0 万m 3 及以上浮顶式原油储罐3 0 0 余台 预计2 0 0 6 2 0 1 0 年 国家石油 储备基地建设二期工程将建设1 0 万m 3 及以上浮顶式原油储罐1 5 0 台左右 共需钢材2 9 万吨 其中高强度钢板1 2 万吨 由于2 0 0 4 年前我国国家石油战略储备尚处于空白状态 同时 石化生产企业储备库存总体水平也较低 与国际惯例9 0 天的国家战略石油储备量 的水平相差甚远 因此 今后十年内 我国石油储备大型原油储罐的建设将会有很大的 发展空间 此外 国家重点工程西气东输沿线各省市也要建立不同规模的原油中转库 中转储罐对高强度钢板的需求量预计在5 万吨左右 因此 到2 0 1 0 年预计我国大型原油 储罐用高强度钢板的需求量大约在3 0 万吨左右 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 根据已有的大型原油储罐的设计规范 大型原油储罐用大热输入焊接高强度钢板属 低合金高强度压力容器用钢板 其研制和生产日本处于世界领先水平 自1 9 8 5 年以来 我国大型原油储罐绝大多数使用的是日本进1 5 的s p v 4 9 0 q 8 高强度钢板 早在2 0 世纪 7 0 年代初 日本新日铁 n k k 等公司就成功地研制出s p v 4 9 0 q 等高强度压力容器钢板 这些钢板具有较好的强韧性匹配 焊接时 焊接热输入一般控制在5 0 k j c m 以下 2 0 世纪8 0 年代初 随着微合金元素对焊接性能影响研究的深入 日本新日铁 j f e 住友 等几家公司各自研制成功了大热输入焊接用压力容器钢板 在多个工程中广泛应用 随 着微合金化技术和控制轧制等技术的发展 适应大热输入焊接高强度钢板的生产工艺已 从离线淬火 回火传统调质工艺 q t 逐步开发出直接淬火 离线回火 d q t 在 东北大学博士学位论文 第一章绪论 线淬火 在线回火调质处理 d q h o p 等先进工艺技术 使大型原油储罐用高强度钢 板的生产效率得到了极大的提高 目前 日本新日铁采用调质工艺或d q t 工艺 德 国d e l l i n g e r 采用t m c p 工艺 9 j f e 采用d q t 工艺或d q h o p t 工艺生产大型原油 储罐用高强度钢板 此外 值得指出的是 大热输入焊接工艺对高强度钢板的合金元素 含量非常敏感 强度级别相同的钢板 即便是不同厂家生产的同一牌号的钢种 由于其 微量合金元素的不同 其焊接性能会有很大差异 如 s p v 4 9 0 q 由于在日本j i sg 3 1 1 5 标准中并未明确规定合金元素的添加种类和数量 因此 按照该标准生产的s p v 4 9 0 q 钢板 由于其强化元素和强化机理各不相同 相应的调质热处理工艺 焊接性及不同焊 接方法后焊接接头的性能均存在一定的差异 1 2 1 1s p v 4 9 0 0 s p v 4 9 0 q 是日本工业标准调查委员会制订的j 1 sg 3 1 1 5 2 0 0 0 t 8 标准中6 1 0 m p a 强度 级别的压力容器用钢板 钢板的化学成分和力学性能要求分别如表1 1 和表1 2 所示 长 期以来 该技术指标被我国的设计单位做为大型原油储罐用高强度钢板的设计技术要求 表1 1s p v 4 9 0 q 钢板化学成分 谢 t a b l e1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fs p v4 9 0 qh e a v yp l a t e s m a s s 竺璺 尘 璺丝 型 竺 竺塑 竺 o 1 80 1 5 o 7 51 0 1 6 o 0 3 0 o 0 3 0可加 0 4 5 0 2 8 注 c 9 6 c m n 6 s i 2 4 n i 4 0 c r 5 m o 4 v 1 4 p c m n 2 0 si 3 0 n i 6 0 c r 6 0 i f o 1 5 v l o 5 b 表1 2s p v 4 9 0 q 调质钢板力学性能 t a b l e1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs p v 4 9 0 qh e a v yp l a t e s 注 冷弯试验一检验钢板在常温下塑性变形时抗裂纹的能力 这一强度级别的钢板 有的用于建造大型原油储罐 有的用于建造低温球罐 我国 从2 0 世纪8 0 年代后期 采用日本s p v 4 9 0 q 调质高强度钢板建造了一批1 0 万一及以 上的大型浮顶原油油罐以及l p g 罐 氯乙烯球罐 丙烯球罐等 随着气电立焊焊接工艺 广泛用于大型原油储罐的焊接旌工 原油储罐用高强度钢板和球罐用相同强度级别的钢 板逐渐演化成独立的性能要求不同的钢种 典型的钢种有j f e 公司的j f e h i t e n 6 1 0 e 和 j f e h i t e n 6 1o it 2 东北太学博士学位论文第一章绪论 1212 w e l le n 6 2 s 日本新日铁公司是大型原油储罐用高强度钢板的研发和推广应用的先驱之一 早在 2 0 世纪7 0 年代 就发表了用于大型原油储罐的大热输入焊接用高强度调质钢 w e l t e n 6 2 s 的技术资料 并作为s p v 4 9 0 q 钢种的基础牌号列入j i s g 3 1 1 5 标准吼在 此基础上采用d q t 工艺相继开发了具有低裂纹敏感性的w e l t e n 6 1 0 c f 和 w e l t e n 6 0 s c f 新钢种 图11 是三个钢种碳当量的演变情况 据新日铁公司产品手册 介绍w e l t e n 6 1 0 s c f 是该公司近期可应用于原油储罐 球罐的钢种 其化学成分为 c 00 7 s i 03 0 m n1o o 16 0 t io0 0 4 00 3 根据需要还可加入 c u n i c r m o 咀及少量的v b 等元素 03 02 5 o 2 0 1 5 望 0 1 00 5 w e l 丁e n 6 2 sw e l 砸n 6 1 0 c fw e l 砸n 6 1 0 s c f 图11w e l t e n 6 1 0 系列钢种碳当量 f i g i1c o f w e l t e n 6 1 0s e r i e sh e a v yp l a t e s 从我国大型原油储罐工程的应用来看 基本都采用w e l t e n 6 2 s 钢板 比如大连 港务局1 0 万m 3 原油储罐工程 上海外高桥1 0 万m 3 原油储罐工程 茂名1 25 万m 3 原 油储罐工程等 1 0 1 2 季伟明 钟京卫等 1 0 1 1 1 实际检测从新目铁公司引进的s p v 4 9 0 q 钢 板的化学成分为c 01 1 一01 4 s i 03 0 m n 14 0 一15 0 s o0 0 5 p 00 1 0 c r 00 2 n i 00 2 m o 00 6 v 00 5 按碳当量c 焊接玲裂纹敏感性系 数p 的计算公式分别为 c 一 0 3 8 0 4 2 p 02 1 o2 4 钢板一1 5 c 冲击功在 8 2 2 7 8 j 之间波动 微观组织为索氏体 贝氏体 铁素体 i o 1 2 1 从其成分 微观组织和 低温性能的实际结果可以判断 从新日铁公司进口的s p v 4 9 0 q 是经过调质处理的 w e l t e n 6 2 s 钢 而非c p 更低的w e l t e n 6 1 0 s c f 钢 第一章绪论 圆西圈畸圈 t i ns t e e l 第一代 犏女 懿一鬻露濯豳瞄疆赶默瞄龋 l 7 删 r n 麟 蚓12 新日铁公司的焊接热影响区 f l z 组织控制技术 f i g i2h a zm i c m s t m c t u r ec o n t m lt e c h n o l o g yo f n i p p o ns t e e lc o m p a n y 新日铁公司长期致力于大热输入焊接j j 钢的研究 特别是焊接热影响区 h a z 的 组织控制技术的研究 2 0 世纪7 0 年代丌发了t i n 技术 氯化钛钢 2 0 世纪9 0 年代开 发了t i 2 0 3 技术 氧化钛钢 1 9 9 4 年启动了第三代焊接热影响区 h a z 细晶粒高韧性 技术 h t u f f 的研发 如图12 t 1 所示 h t u f f 技术是新日铁公司总结f j i 人的研究 成果 从焊接热影响区 h a z 的晶粒细化控制的基础研究开始 花费1 0 多年而实现 工业化 2 0 0 4 年4 月2 8 同h t u f f 技术获第3 6 届市村产业奖 贡献奖 1 1 3 1 h t u f f 技术的基本原理如图13 所示 为了实现焊接热影响区 h a z 的晶粒细化 新日铁公司将关注点聚焦在更加稳定的m g o c a o 粒子上 l 细小弥散分布的m g o c a o 粒子可以抑制焊接熔合线附近 05 l m m 热影响粗晶区 c g h a z 奥氏体晶粒 长大和奥氏体晶界粗大铁索体 g b f 形成 促进热影响区 h a z 奥氏体晶内铁素体 形成 改善焊接热影响区 h a z 低温韧性 即采用大热输入焊接时 距离焊接熔合线 罩 飒 m 自 目 m m 臣墨墨啐一臣四墨 绾小1 0 一1 0 0 倍 圈i3h t u f f 技术的基本原理m f i g 1 3e s s e n t i a lp r i n c i p l eo f t h e h u t f f t e c h n o l o g y 附近 05 t m m 热影响粗晶区 c g h a z 范围 由于过热温度高达1 4 0 09 c 以上 稳 定性很高的m g o c a o 粒子几乎不发生溶解而保留下来 可以抑制热影响区 h a z 奥氏体品粒长大 促进奥氏体晶内铁索体形核 细化焊接熔台线附近热影响粗晶区 童兰苎兰丝圭兰篁丝圭 堑三兰竺丝 c g h a z 组织 达到改善热影响粗晶区 c g h a z 韧性作用 新日铁技术研究本部 铁钢研究所儿岛主任研究员将其描绘为 与热的战斗m 1 图i4h t u f f 技术在产品中的应用实绩m l f i g1 4a p p l i c a t i o no f t h eh u t f ft e c h n o l o g yi nh e a v yp l a t e s 1 1 目前h t u f f 技术已在君津 名古屋和大分的3 个钢铁厂进行了大规模的试验和应 用 初步统计 截至2 0 0 4 年3 月 新日铁采用h t u f f 技术己生产高性能钢板2 8 万吨 t 3 l 广泛应用在建筑 桥梁 造船和海洋结构等领域 如图1 4 所示 但没有检索到应 用于大型原油储罐工程的实例 1213j f e h lt e n 6 1 0 e j f e h i t e n 6 1 0 e 是j f e 型 n 粟 j f e e w e l 技术1 16 2 0 1 研制出的耐大热输入焊接高 强度钢板 2 0 0 4 年通过了全国锅炉压力容器标准化技术委员会的技术评审 并用于我国 大型原油储罐建造 成为我国进口的主要钢板之一 j f e 公司为了解决大热输入焊接产 生的焊接热影响区 h a z 脆化问题 开发t j f e e w e l 技术 并运用该技术研制了 用于化工压力容器的6 1 0 m p a 系列钢板 其设计理念如图15 1 6 1 所示 图1 5j f e h i t e n 6 1 0 系列钢板的设计概念f 1 6 i f i g 1 5t h ed e s i g nc o n c e p to fj p e h i t e n 6 1 0s e r i e sh e a v yp l a t e s k e n j i k i y m i 及t a k a s h l 等陋1 7 憾结了j f e e w e l 技术 该技术结合了三个因素 通过优化t i n 设计控制热影响区 h a z 的晶粒尺寸 通过微合金化和初始原子浓度比 一 i 二 l 一l 一 图兰毒慝些二嚣 3 哥 器 譬 y 东北大学博士学位论疋第一章绪论 控制晶内的微观结构 通过s u p e r o l a c l 2 1 1 高冷却速率技术的有效利用 优化碳当量和 合金设计 1 焊接热影响区 h a z 晶粒尺寸的控制 为了减小大热输入焊接热影响区 h a z 的晶粒粗化区宽度 控制高温奥氏体品粒生长非常必要 为了解决这个问题 j f e 公司 通过热力学模拟计算和试验研究 优化了丁 和n 的用量 适当t i n 比值和其它合金元素 有效利用 使t i n 的溶解温度从小于1 4 0 0 c 提高到大于1 4 5 0 c 焊接热影响区 h a z 的晶粒粗化区宽度从传统钢板的2i m m 降到新型钢板的03 r a m i i 2 焊接焊接热影响区 h a z 晶间微观结构的控制 利用合理的钙处理技术 控制c a 型夹杂物的原始指数 优化控制o s n c a 的比例 实现多元夹杂物c a s 和m n s 弥散分布 促进晶内铁索体在 c a m n s 型非金属夹杂物周围形核 抑制晶界铁素体 和上贝氏体的形成 得到细晶针状铁素体 从提高焊接热影响区 h a z 的韧性 3 利用s u p e r o l a c 2 1 1 高冷却速率技术优化台金设计 通常加入c 和其它合金 元素可提高钢板强度 但将导致碳当量增加 韧性降低 为解决这一问题 基于较低碳 当量的成分设计 利用s u p e r o l a c 工艺技术实现理论上的极限冷却速率 获得高的抗 拉强度 同时抑制上贝氏体组织形成 焊接热影响区 h a z 韧性也得到大幅度提高 j f e h i t e n 6 1 0 e 是在j f e h i t e n 6 1 0 u 2 j f e h i t e n 6 1 0 u 2 l 的基础上研制的适合 大热输入焊接的高强度钢板 有以下特征陋 1 9 i 1 低碳当量c 和低焊接冷裂纹敏感性指数 p 及不添加b 的合金发计 从图1 6 图i7 可以看出 j f e h i t e n 6 1 0 u 2 钢板的可以实现不预热焊接 焊接热 影响区 h a z 的硬度略低于母材 这与其采用了较低的碳