石油儲罐工程用高強(qiáng)度鋼研究和應(yīng)用進(jìn)展

　　摘要： 本文以我國大型石油儲罐建設(shè)為背景，說明了我國石油儲罐用大線能量焊接鋼來源、種類和特點(diǎn)，分析了該鋼合金設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝配合的重要性，以及冶煉、軋制與熱處理工藝對性能影響，指出了HAZ韌性劣化的原因和應(yīng)采取的措施。建議我國在開發(fā)目前急需的610MPa大線能量焊接鋼及其配套焊接材料的同時，開發(fā)20萬m3或更大容積儲罐所需的鋼材和焊材，使我國石油儲罐用鋼研究、開發(fā)和應(yīng)用水平有明顯進(jìn)步。 

　　關(guān)鍵詞：石油儲罐  大線能量焊接用鋼  焊接材料 

  

　　前言 
　　為了保證我國能源安全，國家從2003年上半年開始建立國家石油戰(zhàn)略儲備，并計(jì)劃到2015年實(shí)現(xiàn)石油儲備90天的遠(yuǎn)期目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的前提條件是建設(shè)用于儲油的10～15萬m3（或容積更大）的大型原油儲罐。為了降低儲罐用鋼量，一般儲罐下面幾圈壁板均采用高強(qiáng)度鋼板制造，底板、頂板、上部壁板可以用其他強(qiáng)度級別較低的鋼材制造。其中壁板所用的高強(qiáng)度鋼板我國仍不能大規(guī)模生產(chǎn)。在2004年之前我國石化企業(yè)所建造10萬m3石油儲罐，主要采用日本主要鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的屈服強(qiáng)度490MPa以上，抗拉強(qiáng)度大于610MPa的大線能量焊接調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板，鋼板厚度一般在12～40mm之間[[i]]。在此后我國在大規(guī)模建造石油儲罐期間，高強(qiáng)度鋼板供貨量、供貨周期、價格等成為建造油罐必須關(guān)注的問題。為了解決目前石油儲罐用高強(qiáng)度鋼板供貨地和渠道單一的狀況，國家發(fā)改委要求國內(nèi)有條件有實(shí)力的鋼鐵企業(yè)盡快開發(fā)適合于大型油罐工程建設(shè)用鋼。為此，石化、冶金、科研院所多方聯(lián)手，成立了石油儲備基地建設(shè)用鋼板領(lǐng)導(dǎo)組和配套焊接材料攻關(guān)聯(lián)合工作組[[ii]]。 

　　為了促進(jìn)國內(nèi)此類鋼種的開發(fā)，本文對國內(nèi)外石油儲罐用鋼的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，以更好地借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，使國內(nèi)新研發(fā)同類鋼材企業(yè)少走彎路，并盡快達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平。 

  

1           石油儲罐用鋼及其特點(diǎn) 
　　石油儲罐中的介質(zhì)屬于易燃危險(xiǎn)品。因此，建造儲罐所需鋼材和焊材需經(jīng)過國家指定的權(quán)威質(zhì)檢部門認(rèn)證后，方可使用。目前，我國大規(guī)模建造的儲罐容積10萬m3，壁板主要采用610MPa的大線能量焊接高強(qiáng)度鋼板。截止2004年6月，經(jīng)合肥通用機(jī)械研究所試驗(yàn)，全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會評審認(rèn)證的可以用于我國石油儲罐建設(shè)高強(qiáng)度鋼種及生產(chǎn)單位見表 1 。從表 1 中可以看出，用于石油儲罐建設(shè)的高強(qiáng)度鋼種主要來自日本三家大型鋼鐵企業(yè)：JFE、新日鐵和住友金屬。目前，JFE和新日鐵生產(chǎn)的大線能量焊接鋼代表著世界領(lǐng)先水平。

　　我國已使用日本不同鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的610MPa高強(qiáng)度鋼板建設(shè)了10 ~15萬m3不同容積石油儲罐，使得國內(nèi)油罐設(shè)計(jì)和施工企業(yè)對應(yīng)用日本鋼種性能、加工、焊接等積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)。國內(nèi)武漢鋼鐵集團(tuán)公司生產(chǎn)的WH610D2大線能量焊接高強(qiáng)度鋼板，并進(jìn)行了較深入的理論研究[[iii]]、[[iv]]，僅在北京燕山石化建造了4臺10萬m3儲罐，積累的設(shè)計(jì)、施工、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還較少。舞陽鋼鐵公司雖生產(chǎn)了WY610D鋼板，但無應(yīng)用業(yè)績[[v]]。

　　目前，我國大規(guī)模建造的10~15萬m3的儲罐，主要選用屈服強(qiáng)度490MPa，抗拉強(qiáng)度610MPa的大線能量焊接高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)板。610MPa級可以建造的儲罐容積最大為17.5萬m3。在不遠(yuǎn)的將來，我國將建造20或30萬m3石油儲罐，610MPa鋼已不能滿足要求，需要強(qiáng)度級別更高690MPa或780MPa的大線能量焊接高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)板。日本已經(jīng)開發(fā)成功此類鋼，并有應(yīng)用實(shí)例，目前我國仍未開展此類鋼種的開發(fā)，需及早開始研制。

　　為了降低材料成本，油罐用鋼量主要采用高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)板。如用屈服強(qiáng)度490MPa的大線能量焊接鋼替代屈服強(qiáng)度350MPa的16MnR制造儲罐，壁厚可以減薄25%~30%。為了降低制造成本，主要通過提高焊接效率，如底版焊接時在焊縫中添加鐵粉或碎焊絲，壁板施工中主要采用大線能量的氣電立焊和埋弧焊橫焊工藝。因此，石油儲罐用高強(qiáng)度鋼應(yīng)滿足：（1）滿足力學(xué)性能指標(biāo)要求（高屈服和抗拉強(qiáng)度、高韌性、高均勻性和穩(wěn)定性等），一般采用調(diào)質(zhì)鋼。（2）必須適應(yīng)大線能量焊接，采用 



表 1 經(jīng)國家權(quán)威部門認(rèn)證可以用于石油儲罐建設(shè)的鋼種、生產(chǎn)企業(yè)及時間[[vi]]  

　　10KJ/mm的大線能量焊接后，其HAZ塑韌性不明顯降低，接頭的力學(xué)性能達(dá)到與母材相同要求。因此，石油儲罐用鋼又稱為大線能量焊接鋼。（3）為了適合現(xiàn)場焊接，焊接前不需要預(yù)熱，焊后不產(chǎn)生焊接冷裂紋。此類鋼又稱為低裂紋敏感性系數(shù)鋼。由此可知，石油儲罐用鋼主要特點(diǎn)就是在滿足力學(xué)性能要求前提下，具有適應(yīng)大線能量焊接和低裂紋敏感的特性。石油儲罐用鋼不同于制造球罐用CF鋼。石油儲罐用鋼必須適應(yīng)大線能量焊接要求，且儲罐通常不需要進(jìn)行焊后整體熱處理（有時僅進(jìn)行局部焊后熱處理）；CF鋼雖然具有低裂紋敏感性，但通常不能適合大線能量焊接。用于制造球罐時，需要滿足焊后整體熱處理的要求，即無SR再熱裂紋傾向。

2           石油儲罐用鋼的成分設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝特點(diǎn) 
2.1         合金成分設(shè)計(jì)特點(diǎn) 
　　為了滿足力學(xué)性能要求，并保證組織、性能的均勻性和穩(wěn)定性，通常石油儲罐用高強(qiáng)度鋼為調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨。一般采用不同的合金元素，利用固溶、相變和少量析出相等不同強(qiáng)化機(jī)制滿足高強(qiáng)度要求。主要采用合理的成分設(shè)計(jì)、組織細(xì)化技術(shù)、強(qiáng)韌匹配等滿足高韌性要求。利用調(diào)質(zhì)熱處理達(dá)到組織和性能的均勻化。主要是通過合理的成分設(shè)計(jì)，尤其是碳當(dāng)量控制、微量元素添加、冶煉成分控制和組織控制達(dá)到焊接性要求，實(shí)現(xiàn)大線能量焊接和低焊接裂紋敏感性。滿足大線能量焊接主要采用冶煉和高溫形成的鋁、鈦、釩、鈮氮化物相，阻止焊接熱影響區(qū)的晶粒長大和防止M-A組元的形成。低裂紋敏感性主要采用控制碳當(dāng)量和降低裂紋敏感系數(shù)。

　　綜上，石油儲罐合金系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮的因素有：降低成本、滿足力學(xué)性能要求、適應(yīng)冶煉、軋制和熱處理工藝、焊接性等。表 2 為日本JFE生產(chǎn)的610MPa強(qiáng)度級別的調(diào)質(zhì)板的化學(xué)成分。適合建造石油儲罐的鋼是JFE-HITEN610E大線能量焊接鋼。其不同于普通JFE-HITEN610高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼之處，在于明顯降低了碳含量（由0.16%降低到0.009%）和裂紋敏感系數(shù)(由0.26降到0.20以下)；與焊接性好可低溫使用高強(qiáng)度鋼JFE-HITEN610U1、U2、U2L相比，主合金元素?zé)o明顯差異，但實(shí)物中的微量元素有差異，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)通常不出，屬于企業(yè)的技術(shù)秘密。

2.2         大線能量焊接鋼的生產(chǎn)工藝 
　　潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)、TMCP工藝已經(jīng)在大型鋼鐵企業(yè)普遍應(yīng)用，許多企業(yè)裝備了板坯連鑄、寬幅大噸位厚板軋機(jī)、離線和在線熱處理裝備等，可以利用不同冶煉工藝、軋制和熱處理工藝



表 2  日本JFE610MPa調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度板的化學(xué)成分[[vii]]  

 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 

　　* JFE-HITEN610E為大線能量焊接高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼；**JFE-HITEN610為高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼；***JFE-HITEN610L為低溫用高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼；****JFE-HITEN610U1為焊接性良好的高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼； 

　　組合實(shí)現(xiàn)大線能量鋼所要求的綜合力學(xué)性能。不同的冶煉、鑄造、軋制、熱處理方式的差異，構(gòu)成了不同企業(yè)生產(chǎn)610MPa鋼各自的生產(chǎn)工藝。冶煉主要有轉(zhuǎn)爐、電爐兩種，但二次精練因企業(yè)生產(chǎn)條件配置差異明顯。鋼坯生產(chǎn)的方式主要有模鑄和連鑄。軋制方式有：傳統(tǒng)軋制，TMCP工藝。淬火方式有：在線淬火、離線淬火；回火方式有：在線回火和離線回火。冶煉、精練、軋制、熱處理工藝的不同組合，構(gòu)成不同企業(yè)特有的生產(chǎn)過程。因此，即使同成分的鋼，按不同工藝生產(chǎn)出的產(chǎn)品性能也存在顯著差異。TMCP軋制特定的細(xì)化組織是強(qiáng)韌化匹配的基礎(chǔ)。早期，610MPa高強(qiáng)度級別，因此，開發(fā)610MPa大線能量鋼的關(guān)鍵，除了成分設(shè)計(jì)外，冶煉、精練、軋制、熱處理組合更最終決定著鋼綜合性能。因此，此鋼種的成分設(shè)計(jì)必須適合企業(yè)的自身的冶煉和軋制等工藝條件。

　　潔凈化是實(shí)現(xiàn)610MPa級大線能量鋼高韌性的前提和保證。潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)主要是通過鐵水冶煉和二次爐外精練，降低鋼中的硫、磷、氮、氧、氫含量。目前，日本JFE生產(chǎn)的大線能量焊接610MPa級高強(qiáng)度鋼企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求S、P含量為S≤0.010%， P≤0.020%，但其實(shí)物中S、P含量遠(yuǎn)低于該標(biāo)準(zhǔn)要求，較低的硫磷含量也是減少鋼中的夾渣物數(shù)量提供前提。從文獻(xiàn)[1]所檢測的石油儲罐用鋼成分，硫磷含量均很低。因此，能否生產(chǎn)大線能量焊接鋼，企業(yè)的冶煉水平是關(guān)鍵制約因素之一。我國GB19189-2003《壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板》中，將12MnNiVR中的硫磷含量要求為：S≤0.010%， P≤0.025%，其中磷含量要求寬于日本JFE企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。GB19189標(biāo)準(zhǔn)在我國的實(shí)施，可以通過國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立的技術(shù)壁壘，防止此類鋼在不具備冶煉條件的企業(yè)中生產(chǎn)。冶煉企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)物只有達(dá)到比國標(biāo)更低硫、磷含量，才有可能實(shí)現(xiàn)要求性能目標(biāo)。

　　大線能量焊接鋼的生產(chǎn)工藝，決定著其成分設(shè)計(jì)、性能穩(wěn)定性、生產(chǎn)批量、成品合格率等。目前，我國鋼鐵企業(yè)與日本鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)大線能量焊接鋼主要差距在于，鐵水的潔凈度、熱處理方式和參數(shù)精度控制、鋼成分設(shè)計(jì)和生產(chǎn)條件最佳配合，生產(chǎn)批量及性能穩(wěn)定性等。日本JFE根據(jù)其軋鋼和熱處理生產(chǎn)線的技術(shù)進(jìn)步，及時調(diào)整該鋼的成分（如降低碳含量和合金元素用量），用先進(jìn)TMCP或DQT技術(shù)（如使用SUPER-OLAC——Online Accelerated Cooling，在線淬火和回火等）彌補(bǔ)合金元素下降的影響，大批量生產(chǎn)出性能相同、成本更低的產(chǎn)品，使其產(chǎn)品更具有競爭力[[viii]]。

3           大線能量焊接鋼HAZ性能 
　　國內(nèi)外對大線能量鋼HAZ韌性劣化的主要原因已進(jìn)行了大量研究和總結(jié)[[ix]]、[[x]]。主要原因有：晶粒粗化、形成低韌性的晶界鐵素體、上貝氏體組織；在多層多道焊接HAZ中局部形成M-A組元等。因此，在鋼潔凈的前提下，防止HAZ晶粒長大和低韌性的M-A組元出現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)大線能量焊接的關(guān)鍵。目前，大線能量焊接鋼主要采用微合金化設(shè)計(jì)原理，加入鈦、釩、鈮、硼等合金或氧化物、氮化物等，在組織中形成限制HAZ晶粒長大的TiN、NbN、Ti2O3、BN、AlN等單個或復(fù)合粒子，限制HAZ晶粒的長大。大線能量焊接時，含Nb、V 微合金鋼的HAZ韌性下降明顯。目前主要采用控制Ti、Al的氮或氧化物數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。

　　晶粒長大速度和母材原始組織晶粒度和種類有一定關(guān)系。開展母材組織種類、晶粒度與HAZ晶粒長大規(guī)律研究，也有助于大線能量焊接鋼開發(fā)。

4           結(jié)  論 
（1）目前，我國石油儲罐建設(shè)大量使用的610MPa級大線能量焊接調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼主要依賴國外進(jìn)口，我國應(yīng)大力開展此鋼的國產(chǎn)化研究，促進(jìn)低成本快速實(shí)現(xiàn)我國能源儲備戰(zhàn)略目標(biāo)。為了滿足我國不久將來建設(shè)容積更大石油儲罐的需求，應(yīng)盡早開發(fā)更高強(qiáng)度級別的大線能量焊接高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼。

（2）610MPa大線能量焊接高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)板的綜合性能與成分和生產(chǎn)工藝密切相關(guān)。開發(fā)此類鋼時，成分設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合企業(yè)的自身軋制、冷卻、熱處理等生產(chǎn)條件綜合考慮，不能盲目仿制國外同類鋼的成分。

（3）防止大線能量焊接鋼HAZ韌性劣化的理論依據(jù)仍是鋼中存在限制晶粒長大的內(nèi)生或外來粒子，以及通過合理軋制、熱處理工藝得到的細(xì)化而不易長大基體組織。