新钢大线能量焊接石油储罐用12MnNiVR钢板的研制

2021-11-11刘胜赫董富军胡振平熊慎凯

山东冶金 2021年5期

刘胜赫，董富军，胡振平，熊慎凯

（新余钢铁股份有限公司，江西新余338001）

1 前言

2004年以来，石油储备成为保证国家能源安全的重要措施之一。据预测，大型石油储罐用钢板每年的消耗量约十几万吨［1］。国外大型石油储罐用钢板的开发以日本为主，武钢率先在国内进行了抗拉强度不低于610 MPa 级高强度大线能量焊接钢板的开发，为该钢板的工程应用奠定了基础，国产大线能量焊接储罐用钢的开发和应用需迫切解决。石油储备油罐的制造向高强度，大型化方向发展，要求钢材不但要有高的强度和韧性，还要具有良好的焊接性能。大线能量焊接对传统低合金钢焊接热影响区的强度和韧性会造成恶化，其强度和韧性随焊接能量的提高而大幅下降，通过氧化物冶金技术及提高轧后冷却速度，控制高熔点第二相粒子的尺寸和分布，抑制HAZ 区域奥氏体晶粒的长大，减少M-A 组织，改善焊后韧性［2-6］。新钢借助多年的技术进步和设备改造成果，2009年XG610E大线能量焊接调质压力容器钢板通过容标委技术评审，钢板市场认可度逐渐提高。

2 成分设计与物理冶金性能研究

2.1 成分设计

大型原油储备用钢需要良好的强韧性匹配、焊接性能、模拟焊后热处理性能等。采取低碳当量，是确保钢板焊接性优异的根本条件；合金化目的在于控制组织结构的预期转变，奠定钢板的强韧性基础，适量Nb、V、Ti、Mo、Ni系合金元素的添加已成为主要的合金化方式；不使用对淬透性影响特别显著的元素，如B和Cr等，采用较低的Mo含量和碳含量用于减少热影响区上贝氏体及M-A 岛的生成趋向，提高韧性；低N 高Al 微量Ti 合金化处理方法，形成高温析出的氮化物，细化焊接热影响区组织，增加形成的针状铁素体含量，保证热影响区的强度和韧性，能彻底解决大线能量焊接对热影响区韧性恶化的问题［7］；提高钢水纯净度、降低有害元素含量，有益于钢板塑性、韧性和焊接性的改善。根据设计思路，具体成分见表1。

表1 化学成分（质量分数）%

2.2 连续冷却转变曲线

了解相变点和钢在冷却条件下的组织转变行为是制定轧制工艺的基础。采取热模拟试验机Gleeble-3800对钢种进行CCT和SHCCT曲线测定，为成功开发钢板提供依据。

CCT 曲线测得的钢板AC1=705 ℃，AC3=865 ℃，从图1 可以看出，在较宽的冷却速度范围内（冷却速度约为20～0.28 ℃/h）均得到铁素体＋珠光体＋贝氏体的显微组织。冷却速度较快（冷速＞20 ℃/s）时得到完全的贝氏体组织，冷速较慢（＜0.28 ℃/h）时得到完全的铁素体＋珠光体组织。

图1 试验钢连续冷却转变CCT曲线

试验测定的SHCCT 曲线如图2 所示。从SHCCT 曲线可以看出，t8/5较小时，主要得到贝氏体组织，此类贝氏体主要为板条状贝氏体。当t8/5＞30 s时开始出现少量针状铁素体组织，此时贝氏体组织仍然占据较多含量。当t8/5＞90 s时，组织中开始出现少量珠光体组织，此时针状铁素体数量增多。当t8/5=500 s 时，组织中贝氏体含量较少，主要为针状铁素体和珠光体组织。

图2 钢的SHCCT曲线

3 工艺控制技术

大型石油储罐用钢板的冶炼连铸生产工艺流程为：铁水预处理（脱硫脱磷）—转炉熔炼—吹氩搅拌—LF 炉精炼—真空处理（VD 或RH）—连铸（全程保护浇注）—铸坯坑冷。提高细小均匀分布的高熔点析出相、钢水纯净度，对硫化物夹杂进行变形处理，是成功冶炼大线能量焊接12MnNiVR 的关键。通过精炼过程中氧活度的控制，可以实现凝固过程中Al2O3和 Ti2O3析出尺寸的控制［8］。Ti 的氧化物很容易在钢液中聚集长大，甚至上浮，凝固过程中，这种较大尺寸的氧化钛聚合体多会残留在钢中，对大热输入焊接性能产生不利影响，所以不能单纯地采用所谓Ti 的脱氧方法来生产大热输入焊接用钢。转炉出钢按金属锰-硅铁-硅铝钡铁-钢芯铝顺序加入脱氧；钢包出精炼炉前定氧，当氧含量≤5×10-6时，加入钛铁；真空脱气后，喂钙线，进行夹杂物改性处理，同时做好全程保护浇注。

大型原油储罐用钢板的轧制及热处理工艺流程为：加热—控轧控冷（TMCP）—热处理—发运。控轧控冷工艺是一种有效改善产品最终组织和性能的方法，配合合理的成分设计和焊接工艺，可得到以针状铁素体为主的具有优良综合力学性能的HAZ 混合型细晶组织［9］。大型原油储罐用钢板的调质处理包括在线和离线两种热处理方式，涉及的工艺：直接淬火-回火工艺（DQ+FT），直接淬火-在线热处理工艺（DQ+HOP），离线淬火-回火工艺等。

4 冷却速度对力学性能影响

国内外部分企业相继开发了在线冷却+离线回火工艺，替代传统的离线淬火+回火工艺，节省了重新加热奥氏体化过程，简化生产工艺，降低制造成本［10］。安排不同轧制和轧后冷却工艺对厚度20 mm 钢板组织和性能的影响试验，试验工艺如表2所示。

表2 钢板轧制和冷却工艺

对热轧钢板进行金相组织分析，如图3所示。

图3 不同冷却下钢板的基体组织

1号钢板冷却速度小，组织为铁素体、贝氏体和少量珠光体；2号钢板组织为少量铁素体和贝氏体；3 号钢板冷却速度21.0 ℃/s，组织出现贝氏体和共析铁素体，出现较多共析铁素体组织，原因是钢板使用轧机平整时，压下量小，钢板弛豫时间长，超过了孕育时间，发生铁素体转变。4 号钢板组织为贝氏体和马氏体。钢板经相同的调质工艺处理后，钢板性能见表3。从表3看出，随着冷却速度的提高，钢板调质后强度略微增加，冲击值由243 J 提高到281 J。当冷却速度大于30 ℃/s 时，热轧钢板主要为贝氏体和马氏体组织，钢板离线调质后，屈服强度提高8.72%，抗拉强度提高5.70%，伸长率降低2.78%，冲击值降低。控制热轧钢板组织形态对调质钢板性能有一定的影响。

表3 钢板力学性能

5 钢板认证实物性能

新钢在对大线能量焊接12MnNiVR 钢板进行容标委技术评审过程中，除常规力学性能检测外，还进行了全面系统的物理参数检测。

5.1 不同厚度钢板韧性特征值

对不同厚度钢板进行系列温度冲击试验，分别按冲击吸收功及冲击试样的纤维断面率确定的不同厚度钢板的韧脆性转变温度，具体见表4。

表4 不同厚度钢板的韧性特征值

从表4数据可以看出，钢板不同部位取样的VTE和VTS均低于-45 ℃，表明不同厚度的钢板具有良好的低温韧性。

5.2 钢板Z向性能

从表5 检测结果表明，XG610E 钢板具有良好的抗层状撕裂性能。

表5 32 mm钢板Z向断面收缩率 %

5.3 钢板高温性能

对XG610E的21、32、40 mm规格的钢板进行了系列温度的高温拉伸试验，试验结果如图4 所示。500 ℃的屈服强度依然保持了室温屈服的80%以上，钢板具有良好的高温性能。

图4 不同厚度规格钢板高温强度

5.4 钢板应用性能

钢板经过2.5%变形+250 ℃时效或5%变形+250 ℃时效的试验后，时效敏感小，冲击依然保持良好，钢板变形后再经过580 ℃消除应力热处理后，依然保持了很好的冲击韧性。

5.5 钢板的焊接性能

在热模拟试验机上对试样进行了焊接线能量为100 kJ/cm和120 kJ/cm的不同最高加热温度的焊接热模拟试验，试样的冲击韧性如表6所示。从表6数据看，焊接线能量为100 kJ/cm下钢板-15 ℃横向冲击值满足标准要求，具备良好的焊接性。

表6 不同焊接能量下试样的-15 ℃横向冲击值/J

经检测，钢板无塑性转变温度NDTT 低于-35 ℃。钢板经过低温（-20 ℃）的裂纹尖端张开位移CTOD试验，钢板具有良好的抗裂性能。钢板经过560~620 ℃保温2 h 的模拟焊后，钢板屈服强度稍有下降，抗拉强度几乎没有变化，伸长率和-20 ℃低温韧性无大的变化，其他性能良好，可见钢板可经过多次焊后热处理。

5.6 批量生产实物质量

随着新钢公司多轮设备改造，技术升级，产品实物控制水平逐渐提高，12MnNiVR 的Pcm 值范围0.17%～0.20%，平均值0.185%。对钢板力学性能统计如表7 所示，由数据可见，产品的力学性能优良。