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石油储罐工程用高强度钢研究和应用进展 |
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作者：宝山钢铁股份公司 张汉谦 江来珠 |
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摘要： 本文以我国大型石油储罐建设为背景，说明了我国石油储罐用大线能量焊接钢来源、种类和特点，分析了该钢合金设计与生产工艺配合的重要性，以及冶炼、轧制与热处理工艺对性能影响，指出了HAZ韧性劣化的原因和应采取的措施。建议我国在开发目前急需的610MPa大线能量焊接钢及其配套焊接材料的同时，开发20万m3或更大容积储罐所需的钢材和焊材，使我国石油储罐用钢研究、开发和应用水平有明显进步。
关键词：石油储罐 大线能量焊接用钢 焊接材料
0 前言
为了保证我国能源安全，国家从2003年上半年开始建立国家石油战略储备，并计划到2015年实现石油储备90天的远期目标。实现该目标的前提条件是建设用于储油的10～15万m3（或容积更大）的大型原油储罐。为了降低储罐用钢量，一般储罐下面几圈壁板均采用高强度钢板制造，底板、顶板、上部壁板可以用其他强度级别较低的钢材制造。其中壁板所用的高强度钢板我国仍不能大规模生产。在2004年之前我国石化企业所建造10万m3石油储罐，主要采用日本主要钢铁企业生产的屈服强度490MPa以上，抗拉强度大于610MPa的大线能量焊接调质高强度钢板，钢板厚度一般在12～40mm之间[[i]]。在此后我国在大规模建造石油储罐期间，高强度钢板供货量、供货周期、价格等成为建造油罐必须关注的问题。为了解决目前石油储罐用高强度钢板供货地和渠道单一的状况，国家发改委要求国内有条件有实力的钢铁企业尽快开发适合于大型油罐工程建设用钢。为此，石化、冶金、科研院所多方联手，成立了石油储备基地建设用钢板领导组和配套焊接材料攻关联合工作组[[ii]]。
为了促进国内此类钢种的开发，本文对国内外石油储罐用钢的开发和应用进行了总结，以更好地借鉴国外经验，使国内新研发同类钢材企业少走弯路，并尽快达到国外同类产品的水平。
1 石油储罐用钢及其特点
石油储罐中的介质属于易燃危险品。因此，建造储罐所需钢材和焊材需经过国家指定的权威质检部门认证后，方可使用。目前，我国大规模建造的储罐容积10万m3，壁板主要采用610MPa的大线能量焊接高强度钢板。截止2004年6月，经合肥通用机械研究所试验，全国锅炉压力容器标准化技术委员会评审认证的可以用于我国石油储罐建设高强度钢种及生产单位见表1。从表1中可以看出，用于石油储罐建设的高强度钢种主要来自日本三家大型钢铁企业：JFE、新日铁和住友金属。目前，JFE和新日铁生产的大线能量焊接钢代表着世界领先水平。表 1 经国家权威部门认证可以用于石油储罐建设的钢种、生产企业及时间
| 钢种名称或牌号 | 生产企业 | 认证时间 | | SUMITEN610F-LT | 日本住友金属工业株式会社 | 2004．6 | | JFE-HITEN610E | JFE钢铁株式会社 | 2004．2 | | WT-610EQ | 新日本制铁株式会社 | 2003．10 | | NT-490EQ | | N-TUF490 | | WEL-TEN610SCF | | WEL-TEN610CF | | NK-HITEN610U2L低温用调质高强度钢板 | JFE钢铁株式会社 | 2002．12 | | NK-HITEN610U2调质高强度钢板 | | River Ace 610L低温用调质高强度钢板 | | 12MnNiVR调质高强度板 | 舞阳钢铁有限责任公司 | 2002．7 | | SUMITEN610F | 日本住友金属工业株式会社 | 2002．6 | | 大线能量焊接用WH610D2钢板 | 武汉钢铁（集团）公司 | 2001．6 | | 07MnCrMoVR | 鞍山钢铁公司 | 1998．10 |
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[[iii]]、[[iv]]，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[[v]]。
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，如底版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。
2 石油储罐用钢的成分设计和生产工艺特点
2.1 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，在产品标准中体现通常不出，属于企业的技术秘密。
| JFE-HITEN | 板厚（mm） | C | Si | Mn | P | S | Cu | Ni | Cr | Mo | V | Ceq | Pcm | | 610E* | 6~75 | ≤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** | t≤50 | ≤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 | | 50≤t≤75 | ≤0.47 | ≤0.28 | | t≥75 | ≤0.49 | ≤0.28 | | 610L*** | 6~50 | ≤0.16 | ≤0.55 | ≤1.50 | ≤0.025 | ≤0.015 | Ni、Cr、Mo、V等根据需要添加 | ≤0.45 | - | | 610U1**** | 6~100 | ≤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**** | 6~75 | ≤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**** | 6~75 | ≤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；
2.2 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。从文献[1]所检测的石油储罐用钢成分，硫磷含量均很低。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[[viii]]。
3 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[[ix]]、[[x]]。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。
4 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高强度调质钢。
（2）610MPa大线能量焊接高强度调质板的综合性能与成分和生产工艺密切相关。开发此类钢时，成分设计应结合企业的自身轧制、冷却、热处理等生产条件综合考虑，不能盲目仿制国外同类钢的成分。
（3）防止大线能量焊接钢HAZ韧性劣化的理论依据仍是钢中存在限制晶粒长大的内生或外来粒子，以及通过合理轧制、热处理工艺得到的细化而不易长大基体组织。
[[i]] 章小浒，李晓燕.大焊接线能量储罐用钢的开发与应用[J].压力容器，2003，20（1）：16～19
[[ii]] 罗中河. 推动大型石油储罐用高强度钢板研发[N]，大型石油储罐配套焊材开发项目启动[N].中国冶金报——用户服务导刊，2004年9月25日
[[iii]] 张莉芹，袁泽喜，陈晓 等.大线能量低焊接裂纹敏感性钢的焊接（一）热影响区强韧性机理研究[J].压力容器，2002，19（7）：29～34
[[iv]] 张莉芹，卜勇，陈晓.大线能量低焊接裂纹敏感性钢的焊接（二）热影响区组织及晶内铁素体形核机理研究[J].压力容器，2002，19（8）：35～38
[[v]] 仇恩沧.石化设备大型化——压力容器行业的机遇和挑战[J]. 中国石化工程建设公司
[[vi]] 国家压力容器网，压力容器用材料技术评审公告栏[R]
[[vii]] JFE STEEL CORPORATION， STEEL PLATE[S]，2004
[[viii]] Kazuo Omata， Hiroshi Yoshimura， Sadahiro Yamamoto.Leading High Perfoemance Steel Plates with Advanced Manufacturing Technology[J]. NKK Technical Review，2003，88：73～80
[[ix]] 习天辉，陈晓，袁泽喜.大线能量焊接用钢热影响区组织和性能研究进展[J].特殊钢，2003，24（5）：1～5
[[x]]刘自成，张永嘉. 焊接热影响区韧性劣化机理和防止的方法[J].世界钢铁，2004，4（4）：15～20
作者简介：张汉谦，男，1964年6月出生。工学博士，教授。主要从事钢的焊接性研究和焊接材料的开发。现在上海宝山钢铁股份公司研究院（技术中心）结构钢所工作。兼上海交通大学材料加工工程专业博士生导师。著有《钢熔焊接头金属学》，发表学术论文50余篇，获国家科技进步二等奖1项，省部科技进步二、三等奖5项。
Email: hq_zhang@baosteel.com (end)
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(10/17/2006) |
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