石油储罐工程用高强度钢研究和应用进展

石油储罐工程用高强度钢研究和应用进展 一 石油储罐工程用高强度钢特点 我国已使用日本不同钢铁企业生产的 610MPa 高强度钢板建设了 10 15 万 m3 不同容积石油储罐 使得国 内油罐设计和施工企业对应用日本钢种性能 加工 焊接等积累了较丰富的经验 国内武汉钢铁集团公司 生产的 WH610D2 大线能量焊接高强度钢板 并进行了较深入的理论研究 仅在北京燕山石化建造了 4 台 10 万 m3 储罐 积累的设计 施工 应用经验还较少 舞阳钢铁公司虽生产了 WY610D 钢板 但无应用业 绩 目前 我国大规模建造的 10 15 万 m3 的储罐 主要选用屈服强度 490MPa 抗拉强度 610MPa 的大线能量 焊接高强度调质板 610MPa 级可以建造的储罐容积最大为 17 5 万 m3 在不远的将来 我国将建造 20 或 30 万 m3 石油储罐 610MPa 钢已不能满足要求 需要强度级别更高 690MPa 或 780MPa 的大线能量焊接高强 度调质板 日本已经开发成功此类钢 并有应用实例 目前我国仍未开展此类钢种的开发 需及早开始研 制 为了降低材料成本 油罐用钢量主要采用高强度调质板 如用屈服强度 490MPa 的大线能量焊接钢替代屈 服强度 350MPa 的 16MnR 制造储罐 壁厚可以减薄 25 30 为了降低制造成本 主要通过提高焊接效率 如底板焊接时在焊缝中添加铁粉或碎焊丝 壁板施工中主要采用大线能量的气电立焊和埋弧焊横焊工艺 因此 石油储罐用高强度钢应满足 1 满足力学性能指标要求 高屈服和抗拉强度 高韧性 高均匀性和稳定性等 一般采用调质钢 2 必须适应大线能量焊接 采用 10kJ mm 的大线能量焊接后 其 HAZ 塑韧性不明显降低 接头的力学 性能达到与母材相同要求 因此 石油储罐用钢又称为大线能量焊接钢 3 为了适合现场焊接 焊接前不需要预热 焊后不产生焊接冷裂纹 此类钢又称为低裂纹敏感性系数 钢 由此可知 石油储罐用钢主要特点就是在满足力学性能要求前提下 具有适应大线能量焊接和低裂纹 敏感的特性 石油储罐用钢不同于制造球罐用 CF 钢 石油储罐用钢必须适应大线能量焊接要求 且储罐 通常不需要进行焊后整体热处理 有时仅进行局部焊后热处理 CF 钢虽然具有低裂纹敏感性 但通常 不能适合大线能量焊接 用于制造球罐时 需要满足焊后整体热处理的要求 即无 SR 再热裂纹倾向 二 石油储罐用钢的成分设计和生产工艺特点 1 合金成分设计特点 为了满足力学性能要求 并保证组织 性能的均匀性和稳定性 通常石油储罐用高强度钢为调质状态 交货 一般采用不同的合金元素 利用固溶 相变和少量析出相等不同强化机制满足高强度要求 主要采 用合理的成分设计 组织细化技术 强韧匹配等满足高韧性要求 利用调质热处理达到组织和性能的均匀 化 主要是通过合理的成分设计 尤其是碳当量控制 微量元素添加 冶炼成分控制和组织控制达到焊接 性要求 实现大线能量焊接和低焊接裂纹敏感性 满足大线能量焊接主要采用冶炼和高温形成的铝 钛 钒 铌氮化物相 阻止焊接热影响区的晶粒长大和防止 M A 组元的形成 低裂纹敏感性主要采用控制碳当 量和降低裂纹敏感系数 综上 石油储罐合金系统的设计需要考虑的因素有 降低成本 满足力学性能要求 适应冶炼 轧制 和热处理工艺 焊接性等 表 2 为日本 JFE 生产的 610MPa 强度级别的调质板的化学成分 适合建造石油 储罐的钢是 JFE HITEN610E 大线能量焊接钢 其不同于普通 JFE HITEN610 高强度调质钢之处 在于明显 降低了碳含量 由 0 16 降低到 0 009 和裂纹敏感系数 由 0 26 降到 0 20 以下 与焊接性好可低温使 用高强度钢 JFE HITEN610U1 U2 U2L 相比 主合金元素无明显差异 但实物中的微量元素有差异 在产 品标准中通常体现不出来 属于企业的技术秘密 2 大线能量焊接钢的生产工艺 洁净钢生产技术 TMCP 工艺已经在大型钢铁企业普遍应用 许多企业装备了板坯连铸 宽幅大吨位 厚板轧机 离线和在线热处理装备等 可以利用不同冶炼工艺 轧制和热处理工艺 JFE HITEN610E 为大线能量焊接高强度调质钢 JFE HITEN610 为高强度调质钢 JFE HITEN610L 为低温用高强度调质钢 JFE HITEN610U1 为焊接性良好的高强度调质钢 组合实现大线能量钢所要求的综合力学性能 不同的冶炼 铸造 轧制 热处理方式的差异 构成了不同 企业生产 610MPa 钢各自的生产工艺 冶炼主要有转炉 电炉两种 但二次精练因企业生产条件配置差异 明显 钢坯生产的方式主要有模铸和连铸 轧制方式有 传统轧制 TMCP 工艺 淬火方式有 在线淬火 离线淬火 回火方式有 在线回火和离线回火 冶炼 精练 轧制 热处理工艺的不同组合 构成不同企 业特有的生产过程 因此 即使同成分的钢 按不同工艺生产出的产品性能也存在显著差异 TMCP 轧制 特定的细化组织是强韧化匹配的基础 早期 610MPa 高强度级别 因此 开发 610MPa 大线能量钢的关键 除了成分设计外 冶炼 精练 轧制 热处理组合更最终决定着钢综合性能 因此 此钢种的成分设计必 须适合企业的自身的冶炼和轧制等工艺条件 洁净化是实现 610MPa 级大线能量钢高韧性的前提和保证 洁净钢生产技术主要是通过铁水冶炼和二 次炉外精练 降低钢中的硫 磷 氮 氧 氢含量 目前 日本 JFE 生产的大线能量焊接 610MPa 级高强 度钢企业标准要求 S P 含量为 S 0 010 P 0 020 但其实物中 S P 含量远低于该标准要求 较低 的硫磷含量也是减少钢中的夹渣物数量提供前提 因此 能否生产大线能量焊接钢 企业的冶炼水平是关 键制约因素之一 我国 GB19189 2003 压力容器用调质高强度钢板 中 将 12MnNiVR 中的硫磷含量要求 为 S 0 010 P 0 025 其中磷含量要求宽于日本 JFE 企业标准 GB19189 标准在我国的实施 可 以通过国家标准设立的技术壁垒 防止此类钢在不具备冶炼条件的企业中生产 冶炼企业生产的实物只有 达到比国标更低硫 磷含量 才有可能实现要求性能目标 大线能量焊接钢的生产工艺 决定着其成分设计 性能稳定性 生产批量 成品合格率等 目前 我 国钢铁企业与日本钢铁企业生产大线能量焊接钢主要差距在于 铁水的洁净度 热处理方式和参数精度控 制 钢成分设计和生产条件最佳配合 生产批量及性能稳定性等 日本 JFE 根据其轧钢和热处理生产线的 技术进步 及时调整该钢的成分 如降低碳含量和合金元素用量 用先进 TMCP 或 DQT 技术 如使用 SUPER OLAC Online Accelerated Cooling 在线淬火和回火等 弥补合金元素下降的影响 大批量生 产出性能相同 成本更低的产品 使其产品更具有竞争力 三 大线能量焊接钢 HAZ 性能 国内外对大线能量钢 HAZ 韧性劣化的主要原因已进行了大量研究和总结 主要原因有 晶粒粗化 形成低 韧性的晶界铁素体 上贝氏体组织 在多层多道焊接 HAZ 中局部形成 M A 组元等 因此 在钢洁净的前提 下 防止 HAZ 晶粒长大和低韧性的 M A 组元出现是实现大线能量焊接的关键 目前 大线能量焊接钢主要 采用微合金化设计原理 加入钛 钒 铌 硼等合金或氧化物 氮化物等 在组织中形成限制 HAZ 晶粒长 大的 TiN NbN Ti2O3 BN AlN 等单个或复合粒子 限制 HAZ 晶粒的长大 大线能量焊接时 含 Nb V 微合金钢的 HAZ 韧性下降明显 目前主要采用控制 Ti Al 的氮或氧化物数量来实现 晶粒长大速度和母材原始组织晶粒度和种类有一定关系 开展母材组织种类 晶粒度与 HAZ 晶粒长大规律 研究 也有助于大线能量焊接钢开发 四 结 论 1 目前 我国石油储罐建设大量使用的 610MPa 级大线能量焊接调质高强度钢主要依赖国外进口 我国 应大力开展此钢的国产化研究 促进低成本快速实现我国能源储备战略目标 为了满足我国不久将来建设 容积更大石油储罐的需求 应尽早开发更高强度级别的大线能量焊接