原油储罐用08MnNiVR厚板的开发

LIU1018

原油储罐用08MnNiVR厚板的开发

    编者按：采用TMCP+离线回火工艺在鞍钢厚板厂进行了37mm厚08MnNiVR钢板的工业试制，各项力学性能检验结果表明，37mm厚钢板实物性能稳定，TMCP+回火态和两次模拟焊后热处理（SR）后的钢板都完全满足≥12.5×104m3原油储罐用高强度钢板的技术条件要求，且在延伸率和低温冲击韧性方面存在较大的富裕量。
    2004年3月，国家正式启动了石油战略储备基地的建设，一台10×104m3储油罐用钢总重量约为1948.5t，其中高强度钢板约789.4t，占单罐用钢总量的40.5%。然而2004年以前，国内建造的10×104m3及其以上大型浮顶油罐所使用的高强度钢板主要依赖进口，供货地和进货渠道单一，且不能保证按期供货，致使国家石油储备基地建设形势严峻。鉴于上述情况，国内多家钢铁企业立即行动起来，开始了大型原油储罐用高强度钢板的国产化研究工作。鞍钢作为攻关组成员之一，经过近两年的研制，利用TMCP+离线回火工艺成功开发出了既满足大线能量（50～100kJ/cm）焊接又具有低焊接裂纹敏感性（Pcm≤0.20%）的610MPa级油罐用钢08MnNiVR。该钢种于2006年10月16日通过全国锅炉压力容器标准化技术委员会技术评审，并在2007～2008两年间顺利完成曹妃甸、镇海和铁岭原油储备基地16个10×104m3油罐的钢板供货，厚度规格为12～32mm。鉴于37mm厚的国产高强度钢板在≥12.5×104m3原油储罐工程上还没有使用过，鞍钢于2009年2月对其进行了工业试制，各项性能指标均满足技术条件要求。
    1．钢板的化学成分和生产工艺
    鞍钢依据公司企业标准Q/ASB51-2005生产的08MnNiVR钢化学成分见表1，其设计原则是通过降低碳当量和氮含量，使上贝氏体组织被多边形铁素体+下贝氏体或铁素体+贝氏体+珠光体组织所替代。采用低碳贝氏体Mn-Mo-Nb合金系列，利用低的碳含量（C≤0.10%）消除贝氏体脆性，依靠细晶强化、沉淀强化、组织强化、位错及亚结构等强化手段，得到强韧性良好的低碳贝氏体钢。
   
                  表1                        钢板化学成分
    ——————————————————————————————————————————————
    元素   C     Si    Mn    P      S    Ni    Cu    Cr    Mo     V     Nb    Ti    Als    Pcm
    ——————————————————————————————————————————————
    含量 0.076 0.251 1.541 0.009 0.002 0.209 0.146  0.02 0.076  0.032 0.049  0.017 0.034  0.182
    ——————————————————————————————————————————————
   
    08MnNiVR钢的生产工艺流程为：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼（LF精炼+VD处理）→板坯连铸（电磁搅拌）→厚板厂连铸板坯再加热→高压水除鳞→控制轧制→控制冷却→矫直→剪切→回火热处理→探伤检验及力学性能检验→标记→出厂。鞍钢厚板厂4300mm四辊可逆式轧机是从奥钢联公司引进的工艺技术和主体设备，轧制力为8000t，轧制过程由计算机自动控制，产品尺寸精度高。控制轧制工艺配合层流冷却系统，可使钢板的强度和冲击韧性等力学性能指标达到最佳状态。从德国引进的强力矫直机，最大矫直力为3400t，矫直速度快，板形平整。
    2．钢板的实物性能
    表2列出了鞍钢生产的37mm厚08MnNiVR钢板的实物性能，可以看到，TMCP+回火态钢板的实物性能完全满足大型原油储罐高强度钢板的技术要求，钢板头、尾拉伸性能差异小，延伸率高；-20℃低温冲击韧性高，数值稳定。需要强调指出的是，鞍钢08MnNiVR的力学性能指标不仅达到了GB19189-2003标准中对适应大线能量焊接的12MnNiVR的性能要求，而且在延伸率和低温冲击吸收功方面具有较大的富裕量，可以为原油储罐的安全运行提供良好的保证。
   
                                表2    回火态钢板力学性能
    ———————————————————————————————————————
          取样位置     Rel，MPa   Rm，MPa  A，%       -20℃冲击，J     平均值，J
    ———————————————————————————————————————
    头部    厚度1/2处    570        655    21.0    278    235    222     245
                 厚度1/4处    570        645    24.5    244    259    255     253
    尾部    厚度1/2处    570        645    25.0    299    254    265     273
                厚度1/4处    540        615    23.5    271    281    291     281
    ———————————————————————————————————————
    分别在钢板头部和尾部的厚度1/4和1/2处取样，按照GB/T4160-2004《金属夏比冲击试验》在JB-500A冲击试验机上进行系列冲击试验，温度过冷度为1～2℃，试验结果见图1。由于本次试验选择的温度跨度较大，无法准确判定钢板的韧脆转变温度，但由图1可见，钢板的韧脆转变温度应该在-40℃以下。
    08MnNiVR-SR钢板用于底圈壁板，其力学性能要求钢板经两次试样热处理（模拟焊后热处理）后再进行试验，结果应符合原钢板的力学性能要求。推荐的热处理条件为：热处理温度585±15℃，保温时间不少于180min，升温速度小于150℃/h，降温速度小于190℃/h。应该注意升温至300℃以前不控制其升温速度，降温至300℃以后自然冷却，但不允许急冷降温。经过两次SR处理后37mm厚08MnNiVR钢板的实物性能见表3和图2，与表2和图1对比可见，两次SR处理对钢板的力学性能和系列冲击结果均无明显影响，即力学性能满足国内外同类钢种的技术指标要求，延伸率和-20℃低温冲击吸收功具有较大的富裕量，并且韧脆转变温度低于-40℃。
   
                      表3     两次SR处理后钢板力学性能
    ————————————————————————————————————
         取样位置   Rel，MPa  Rm，MPa A，%       -20℃冲击，J    平均值，J
    ————————————————————————————————————
    头部  厚度1/2处    540     610    25.0    233    248    205    229
             厚度1/4处    565     645    25.0    258    232    228    239
    尾部  厚度1/2处    570     650    25.0    296    236    248    260
             厚度1/4处    570     645    24.0    302    286    244    277
    ————————————————————————————————————
    图3给出了TMCP+回火态和两次SR处理后钢板的金相组织照片，由图可见，两者的组织均为多边形铁素体+板条状贝氏体，差别仅在于经过两次SR处理后晶粒略有粗化，但从试验结果来看，这种组织上的变化并没有影响钢板的力学性能。
    3．结论
    利用TMCP+离线回火工艺在鞍钢厚板厂生产37mm厚08MnNiVR钢板一次性工业试制成功。实物性能稳定，完全满足≥12.5×104m3原油储罐用高强度钢板的技术条件要求，且在延伸率和低温冲击韧性方面存在较大的富裕量。两次SR处理后晶粒略有粗化，但对钢板的各项力学性能指标并无影响。