抗氫致裂紋Q345R鋼板生產(chǎn)工藝的開發(fā)與應(yīng)用

付穎

摘 要：采用鋼坯在鞍鋼5 500+5 000 mm寬厚板生產(chǎn)線控軋+正火+弱冷工藝成功地開發(fā)并批量生產(chǎn)了抗氫致裂紋Q345R鍋爐壓力容器用鋼板，鋼板超聲波探傷全部符合JB/T 4730.3 一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，鋼板常規(guī)力學(xué)性能和模擬焊后熱處理性能全部合格，抗氫致開裂性（HIC）試驗(yàn)測結(jié)果表明：裂紋敏感率、裂紋長度率、裂紋寬度率均為0。

關(guān)鍵詞：抗氫致裂紋；模擬焊后熱處理；弱冷工藝

中圖分類號(hào)：TQ051.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）20-0033-02

1 概 述

在濕硫化氫環(huán)境中引起的壓力容器與管道開裂事故的逐年增多和用戶對(duì)成品油質(zhì)的要求不斷提高，石油化工行業(yè)對(duì)低溫腐蝕環(huán)境下使用的材料提出了越來越嚴(yán)格的要求。由于Q345R鋼板在苛刻的H2和H2S環(huán)境條件下因應(yīng)力腐蝕裂紋和氫致裂紋會(huì)迅速開裂，因此抗氫致裂紋Q345R鋼板（Q345R（HIC））開始大規(guī)模應(yīng)用在石油化工行業(yè)中[1-6]。但是隨著用戶對(duì)鋼板安全性的要求不斷提高，很多抗氫致裂紋Q345R鋼板需要進(jìn)行模擬焊后熱處理檢驗(yàn)。這不僅要求鋼板在常規(guī)狀態(tài)下（正火態(tài)）滿足所有力學(xué)性能要求，而且模擬焊后熱處理后的性能仍然要滿足同一標(biāo)準(zhǔn)，并且容器封頭鋼板（以下簡稱封頭板）還要在模擬焊后熱處理工藝前增加模擬封頭熱成型的熱過程，嚴(yán)格的檢驗(yàn)要求給鋼廠提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2 工藝開發(fā)難點(diǎn)分析

抗氫致裂紋性能指標(biāo)是本次工藝開發(fā)的難點(diǎn)之一?？箽渲铝鸭y是鋼吸收由腐蝕而產(chǎn)生的氫所引起的，當(dāng)材料中存在硫化夾雜物時(shí)，氫致開裂敏感性增大。為了提高材料的抗氫致開裂性能，應(yīng)控制其質(zhì)量分?jǐn)?shù)與形態(tài)[7]。可通過提高鋼水的潔凈度，提高成分和組織的均勻性，在降低S元素含量的同時(shí)，進(jìn)行喂鈣處理，限制帶狀組織，細(xì)化晶粒，盡量降低叫C元素和Mn元素的含量，添加Re元素，Cu元素，Ni元素等合金元素來提高鋼板的抗HIC能力。

提高鋼板模擬焊后熱處理的性能是本次工藝開發(fā)的另一個(gè)難點(diǎn)。由于技術(shù)協(xié)議的限制，鋼板的碳當(dāng)量不能高于0.43，同時(shí)為保證抗氫致裂紋性能，要降低C元素和Mn元素的含量，導(dǎo)致鋼板強(qiáng)度降低。同時(shí)，由于GB713-2014的要求，Mo元素的含量不能超過0.08%。Mo元素在鋼中能顯著提高鋼板的熱強(qiáng)性，因此Mo元素含量較低將造成鋼板經(jīng)過模擬焊后熱處理后，強(qiáng)度會(huì)大幅度降低。為提高鋼板模擬焊后熱處理強(qiáng)度，在正火工藝后增加弱冷工藝，提高正火態(tài)鋼板強(qiáng)度，從而提高鋼板模擬焊后熱處理后的性能。

3 抗氫致裂紋Q345R鋼板成分及工藝設(shè)計(jì)

由于鋼板的特殊要求，成分設(shè)計(jì)時(shí)采用低S設(shè)計(jì)，并適當(dāng)降低C元素和Mn元素的含量，通過合理的工藝控制，減少中心偏析，減少各類夾雜物，凈化鋼質(zhì)。

合金元素添加方面，添加Re元素，Cu元素，Ni元素等合金元素來提高鋼板的抗HIC能力。工業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)成分設(shè)計(jì)值，

由于鋼中含有較多的有較高的Ni元素、Nb元素和Ti元素，此類鋼鋼溫度達(dá)到900 ℃以上，鈮的碳氮化合物才開始分解固溶，使奧氏體晶粒開始形核長大，至1 230～1 270 ℃晶粒大小比較均勻，溫度提高到1 300 ℃時(shí)晶粒將進(jìn)一步長大，即所謂二次再結(jié)晶發(fā)生。因此，為了軋制后的鋼材具有均勻細(xì)小的晶粒，加熱溫度一般以1 250 ℃為宜。若加熱超過1 300 ℃，則奧氏體晶粒大小不均，使軋后鋼材易產(chǎn)生混晶，并且晶粒會(huì)粗化。因此，加熱溫度設(shè)定為1 230～1 270 ℃。

軋制工藝上，采用控軋的方法，在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)控制軋制，目的是使奧氏體晶粒拉長，同時(shí)在晶內(nèi)形成大量變形帶，增加奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)的晶核生成能，獲得極其細(xì)小的鐵素體晶粒，以提高鋼的韌性，并在鋼中形成鈮的碳化物和氮化物，以抑制再結(jié)晶。其軋制工藝參數(shù)設(shè)定，

熱處理工藝上，由于傳統(tǒng)的正火工藝難以滿足抗氫致裂紋Q345R鋼板模擬焊后熱處理的性能要求，因此采用了正火+弱冷的方式提高鋼板的強(qiáng)度。根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求，鋼板硬度不得大于200，但是弱冷會(huì)提高鋼板的硬度，因此對(duì)弱冷工藝的選擇變得十分重要。根據(jù)鋼板的C曲線特性，最終選擇鋼板弱冷后的返紅溫度為520～580 ℃。因此最后選擇的正火工藝為：溫度880 ±10 ℃，升溫速率1.4 min/mm，凈保溫時(shí)間為10 min，弱冷后空冷。

4 抗氫致裂紋Q345R鋼板工業(yè)試制

根據(jù)上述成分及工藝設(shè)計(jì)，一次性生產(chǎn)300余t抗氫致裂紋Q345R鋼板，各種工藝參數(shù)完全符合設(shè)計(jì)工藝參數(shù)。經(jīng)檢驗(yàn)室檢驗(yàn)后，正火態(tài)試樣性能全部合格且富余量較大，筒體鋼板性能全部合格，部分封頭板強(qiáng)度和沖擊不合。典型的鋼板厚度及性能數(shù)據(jù)，見表5。

由表5可見，以40 mm為厚度組距分界，厚度在40 mm以下的筒體板和封頭板的常規(guī)性能差別不大，厚度在40 mm以上的筒體板和封頭板的常規(guī)性能也基本相同，但是經(jīng)過模擬焊后熱處理后的性能相差較大，因此模擬焊后熱處理工藝的差別導(dǎo)致鋼板模擬焊后熱處理后性能的差別。由于封頭板在模擬焊后熱處理前有一個(gè)模擬封頭熱成型的熱過程，其溫度遠(yuǎn)高于模擬焊后熱處理的溫度，因此導(dǎo)致封頭板的力學(xué)性能發(fā)生較大變化。同時(shí)，由于碳當(dāng)量和合金元素含量上的限制，成分上沒有調(diào)整的空間，只能在工藝上加以改進(jìn)。

為應(yīng)對(duì)封頭板模擬焊后熱處理工藝的嚴(yán)苛要求，對(duì)鋼板的弱冷工藝做出了調(diào)整，即將原返紅溫度范圍從520～580 ℃降低至480～520 ℃，提高了鋼板的強(qiáng)度和組織均勻性。

經(jīng)過重新熱處理的封頭鋼板送檢后，封頭板常規(guī)性能沒有明顯變化，但是鋼板模擬焊后熱處理的性能有了較大提高。封頭鋼板典型厚度及性能，見表6。

在鋼板上取試樣委托鞍鋼技術(shù)中心進(jìn)行抗氫致裂紋儉測。試樣尺寸為100×20×30 mm（厚度小于30 mm的鋼板試樣規(guī)格為板厚×100×20 mm），壓力為常壓、密閉隔氧，溫度為常溫。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用NACE TM 0284，試驗(yàn)溶液為A溶液，通入H2S氣體至飽和。試驗(yàn)開始時(shí)PH≤3.3，結(jié)束時(shí)PH≤4.0，試驗(yàn)時(shí)間為 96 h，試驗(yàn)結(jié)束后取出試樣觀察氫鼓泡現(xiàn)象。結(jié)果顯示，裂紋敏感率CSR、裂紋長度率CLR、裂紋寬度率CTR均為0，充分說明研制的抗氫致裂紋Q345R鋼板具有優(yōu)異的抗HIC性能。同時(shí)，在鞍鋼技術(shù)中心對(duì)抗氫致裂紋Q345R鋼板進(jìn)行了1/4處金相組織分析，結(jié)果表明鋼板帶狀組織輕微，晶粒比較細(xì)小，如圖1所示。

5 結(jié) 語

通過合理的成分設(shè)計(jì)和工藝路線制定，成功開發(fā)出抗氫致裂紋Q345R鋼板，檢測結(jié)果表明，鋼板的探傷結(jié)果、力學(xué)性能全部合格，抗氫致裂紋檢測結(jié)果優(yōu)異。另外，由于鋼板成分上的限制，為滿足嚴(yán)苛的模擬焊后熱處理性能的要求，需要對(duì)正火后的鋼板進(jìn)行弱冷處理，提高鋼板性能。

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