高壓容器制造技術(shù)新進(jìn)展論述

耿雪峰

摘要：本文對(duì)高壓容器的制造技術(shù)以及所用鋼做了介紹，對(duì)馬氏體鋼做了介紹。高壓容器有其特殊的要求，所以制造技術(shù)也是不一樣的，對(duì)于不同的制造技術(shù)，所得到的結(jié)果也是不一樣的。為了得到性能優(yōu)異的高壓容器用鋼就必須有不同的制造工藝。本文對(duì)不同的制造工藝做了介紹。

關(guān)鍵詞：高壓容器；制造技術(shù)；馬氏體；熱處理

前言

高壓容器用鋼標(biāo)準(zhǔn) 壓力容器由殼體、封頭（端蓋）、連接件、密封元件、支座和接管等組成。連接件是容器中起連接作用的部件，如端蓋與殼體的連接、接管與外部管道的連接等，都需要連接件。密封元件是可拆連接結(jié)構(gòu)中起密封作用的元件，用于兩個(gè)法蘭或封頭與殼體的密封面之間，借助螺栓等緊固件的壓緊力起到密封作用。支座的作用是支撐、固定容器，其結(jié)構(gòu)形式主要取決于容器的質(zhì)量、安裝方式和其他動(dòng)載荷等，塔式容器一般采用裙式支座，臥式容器通常采用鞍式支座，球形容器多采用柱式支座。鍋爐及壓力容器用鋼板是重要產(chǎn)品，關(guān)系到生命財(cái)產(chǎn)安全，技術(shù)要求高，生產(chǎn)難度大。標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作難度也比較大。國外這方面的標(biāo)準(zhǔn)比較多，尤其是美國，ASTM有30多個(gè)壓力容器用鋼板標(biāo)準(zhǔn)，體系比較亂。日本標(biāo)準(zhǔn)受美國的影響比較明顯，JIS的鍋爐及壓容器用鋼板標(biāo)準(zhǔn)也比較多，有11個(gè)。EN和ISO壓力容器用鋼板標(biāo)準(zhǔn)的系列完整、分類清楚、數(shù)量不多。EN10028壓力容器用鋼板包含7部分，即7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。ISO9328壓力容器用鋼板包含5部分，比EN少2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但內(nèi)容與EN10028的內(nèi)容是一樣的，ISO正火和調(diào)質(zhì)鋼板合訂一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，TMCP控軋控冷鋼也沒有單獨(dú)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。

與國外比，國內(nèi)壓力容器用鋼板標(biāo)準(zhǔn)少，不配套、有空缺。GB713和GB 6654對(duì)應(yīng)的國外標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO9328-2、EN10028-2、JIS G 3115、JIS G 4109、ASTM A 299、ASTMA387。對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析對(duì)比，基本了解國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)情況和標(biāo)準(zhǔn)水平后，在原標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國情和使用部門的要求，并參考國際國外標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)原來兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂和合并。

1.生產(chǎn)工藝

下面就以球形高壓容器的材料馬氏體時(shí)效鋼為例簡(jiǎn)要說明高壓容器用鋼的生產(chǎn)工藝過程：

1.1 合金元素和冶煉方法的選擇

為提高材料的斷裂韌性值，從原料配方角度盡量減少碳和其它雜質(zhì)的含量。碳含量越低，韌性值越高，因此控制碳含量控制在0，02%之內(nèi)。18%Ni馬氏體時(shí)效鋼的合金元素控制由于不同的冶煉方法即使原料配方完全相同，但斷裂韌性值卻大不相同[3]。

1.2 熱處理制度研究

18%Ni馬氏體時(shí)效鋼是在超低碳馬氏體中利用某些合金元素產(chǎn)生的時(shí)效強(qiáng)化的一種新型高強(qiáng)度鋼，它的熱處理制度是固溶加時(shí)效。固溶處理的目的是保證得到高位錯(cuò)密度的板條狀馬氏體。具有較高的塑性，同時(shí)，它又為時(shí)效沉淀相的均勻彌散析出提供了良好的基體。這是保證鋼在時(shí)效后能獲得高強(qiáng)度和高韌性綜合性能的重要前提。馬氏體時(shí)效鋼主要是靠時(shí)效時(shí)析出金屬間化合物沉淀相實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。在不同的時(shí)效階段不僅有不同結(jié)構(gòu)的沉淀相析出、溶解、聚集及長(zhǎng)大，而且還有逆轉(zhuǎn)變奧氏體的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變，所以時(shí)效是一個(gè)復(fù)雜的過程。鋼的時(shí)效可分為亞時(shí)效正常，充分時(shí)效和過時(shí)效。由于亞時(shí)效鋼的強(qiáng)度過低所以幾乎不用正常時(shí)效用于保證構(gòu)件的綜合性能，而過時(shí)效則是為沖壓成型服務(wù)的。

2.性能要求

在較高溫度下承受載荷的鋼材，各種性能都與在常溫下的性能有明顯的區(qū)別。除了力學(xué)性能會(huì)隨著溫度的升高發(fā)生明顯變化外，鋼材在高溫下還會(huì)出現(xiàn)蠕變、松馳等異常現(xiàn)象。所謂蠕變，是指金屬在高溫下承載，應(yīng)力雖不增加，而它的塑性變形卻隨著時(shí)間逐漸增加的現(xiàn)象。因此，對(duì)于高溫承壓部件材料的強(qiáng)度，不僅要考慮它的短期高溫強(qiáng)度指標(biāo)，更主要是考慮它的抗蠕變性能，即蠕變極限和持久強(qiáng)度。蠕變極限是材料在一定溫度下，在規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)，使試件產(chǎn)生一定量總變形的應(yīng)力值[4]。持久強(qiáng)度是指在給定溫度下，使材料經(jīng)過規(guī)定時(shí)間發(fā)生斷裂的應(yīng)力值。蠕變極限反映的是材料在高溫下工作的變形量，持久強(qiáng)度反映的是材料在高溫下長(zhǎng)期工作的斷裂抗力，它更好地反映了高溫元件的失效特點(diǎn)，所以特別適用于高溫承壓部件。

用于制造高溫承壓部件的材料，應(yīng)具有足夠高的強(qiáng)度和持久塑性、良好的組織穩(wěn)定性、高的松馳穩(wěn)定性、良好的抗氧化性等性能。目前，高壓鍋爐和高溫壓力容器所用的耐熱鋼一般都是低合金耐熱鋼，常用的有鉬鋼Mo、鉻鉬鋼Cr--Mo及鉻鉬釩鋼 Cr—Mo—V三大類。它們的合金元素含量少，工藝性能好，廣泛用于制造使用溫度在600℃以下的承壓部件。常用的鋼種有16Mo、12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV等。一些承壓部件工作溫度可能更高些，則采用高合金鎳鉻鋼，如OCrl8Ni9、OCr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等[5]。

超高壓容器用的材料是高強(qiáng)度鋼，其強(qiáng)度和韌性的合理匹配一直是研究者所特別關(guān)心的問題。韌性好的高強(qiáng)鋼，具有較大的臨界裂紋尺寸，能有效降低脆性破壞的概率，甚至育可能使裂紋一直穩(wěn)定地?cái)U(kuò)展到穿透壁厚，安全地泄漏，實(shí)現(xiàn)未爆先漏。提高超高壓容器的運(yùn)行安全性。但是，對(duì)于絕大多數(shù)鋼材，強(qiáng)度的提高會(huì)導(dǎo)致韌性下降。如果對(duì)韌性提出過高的要求，往往要以降低材料強(qiáng)度級(jí)別增加容器壁厚為代價(jià)，這樣就提高了制造成本。超高壓容器在制造過程中經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)[6]。制造完畢后可能存在的最大缺陷是可能被無損檢測(cè)漏檢的最大缺陷。因此，對(duì)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)而言，只要保證耐壓試驗(yàn)時(shí)最大漏檢缺陷不擴(kuò)展，就可以避免危害很大的脆性破壞。

3.鋼種標(biāo)準(zhǔn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)名稱

壓力容器用鋼板標(biāo)準(zhǔn)的名稱，有些國家叫鍋爐及壓力容器用鋼板，如法國NFA36-205素鋼、低合金鋼和合金鋼板，JIS G 3119：1987鍋爐及其他壓力容器用錳鉬鋼和錳鉬鎳鋼?？紤]到國內(nèi)鍋爐和壓力容器分開訂標(biāo)準(zhǔn)多年，大家已成習(xí)慣，標(biāo)準(zhǔn)名稱暫為“鍋爐及壓力容器用鋼板”，這樣各方都好接受。后來按照鍋容標(biāo)委意見，改為“承壓設(shè)備用鋼板”。征求意見時(shí)，有些單位提出還是叫“鍋爐及壓力容器用鋼板”好，意見不統(tǒng)一，經(jīng)有關(guān)主管部門協(xié)商，送審稿的名稱又改為“鍋爐和壓力容器用鋼板”[7]。并得到審定會(huì)的同意。

3.2 牌號(hào)表示方法

鍋爐和壓力容器用碳鋼或碳錳鋼和不含鉻鉬的低合金高強(qiáng)度鋼，牌號(hào)表示方法ISO、EN和JIS標(biāo)準(zhǔn)都一樣，用屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度和英文字母表示。國際上所有工程結(jié)構(gòu)用鋼通用標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)牌號(hào)都是用強(qiáng)度表示的。國內(nèi)GB/T700、GB/T1591、船體用鋼、橋梁用鋼、建筑用鋼等等也都如此。這樣表示比較科學(xué)直觀，反映工程用結(jié)構(gòu)鋼的特征，便于使用選材。也有利于生產(chǎn)廠根據(jù)自己的設(shè)備、工藝、技術(shù)、原料和產(chǎn)品尺寸規(guī)格等情況，以及不同的使用要求，更好地控制鋼的成分，以最佳的成分達(dá)到最佳的性能，更好地滿足使用的要求。含鉻鉬合金鋼牌號(hào)表示方法是用平均C含量和合金元素表示。

3.3 鍋爐、壓力容器用高性能厚板新產(chǎn)品的特性

壓力容器用鋼一般用來制造石油化工行業(yè)的球罐、油氣儲(chǔ)罐和各種化工容器，為厚板鋼中一大類專用高附加值產(chǎn)品，壓力容器用鋼要求有足夠高的強(qiáng)度、良好的韌性和優(yōu)良的焊接性能，高的耐腐蝕性能。特別是近年來高壓容器和超高壓容器的廣泛使用， 對(duì)壓力容器的安全性提出了更高的要求， 鋼板是制作壓力容器的主要材料， 其質(zhì)量是保證壓力容器安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。Q370R主要用于制造各類中低壓容器，都是在承壓態(tài)下進(jìn)行工作，有些還要同時(shí)承受高溫和腐蝕性介質(zhì)的作用，使用條件非常復(fù)雜。所以對(duì)Q370R鋼板的力學(xué)性能要求比較高，要求具有強(qiáng)韌性匹配好、板厚效應(yīng)低、焊接性能好等優(yōu)點(diǎn)，是使用量?jī)H次于Q345R的鋼種[8-9]。

3.3.1鍋爐用低合金高強(qiáng)度鋼板

將SBV62鋼板是在原Mn—Ni—o.5Mo鋼板（SBV2）的基礎(chǔ)上加入微量Cr、V及B等元素，同時(shí)減少C含量，從而確保了高的高溫強(qiáng)度和優(yōu)良的韌性、焊接性。NT材和QT材都在PwHT后獲得了高的強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度；同時(shí)得到了在實(shí)用上無問題的夏比沖擊特性。此鋼板為低合金鋼，但在450℃左右的溫度范圍的允許抗拉應(yīng)力很高，其加工性能、焊接性能和焊接接頭性能均好[10]。

4.相關(guān)研究及研究前沿

高壓容器鋼大型鍛件制造研究前沿高壓容器鋼大型鍛件制造的傳統(tǒng)工藝是：堿一酸性平爐雙聯(lián)硅還原法煉鋼，大氣下澆鑄鋼錠，水壓機(jī)鍛造、擴(kuò)氫（軟化）退火、粗加工擴(kuò)孔、正火和調(diào)質(zhì)處理。近年來，人們將工藝創(chuàng)新的重點(diǎn)放在冶煉工藝上，這無疑是正確的，冶煉工藝從單純的物理學(xué)冶金轉(zhuǎn)變到“階段過程冶金”，從在一個(gè)爐內(nèi)既要氧化、又要還原，既要脫磷又要脫硫轉(zhuǎn)變到在不同裝置內(nèi)分別分階段進(jìn)行。使煉鋼過程中從為了脫氧需氧化激烈沸騰，又怕過氧化后難還原，以及怕回磷的矛盾中解放出來，通過“階段過程冶金”促使鋼的潔凈度顯著提高。目前，“階段過程冶金”的組合方法很多，最常用的幾種組合方法和鋼達(dá)到的潔凈度水平見?！半A段過程冶金”工藝使鋼的潔凈度明顯提高，僅此效果就使35CrNi3MoVA鋼提高了近兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，且使鋼的塑性和韌性變得更好，低溫沖擊功可達(dá)到>20.7J的水平，使許多新興厚壁高壓容器具備了優(yōu)質(zhì)的材料條件。在創(chuàng)新冶金工藝的同時(shí)，人們將注意力還集中在創(chuàng)新熱處理工藝和設(shè)備上。如采用電阻爐使加熱均勻，運(yùn)用深冷淬火工藝提高淬火效果，改善悴火組織，增加淬透能力，并限制最低回火溫度，保持鋼有足夠的塑性和韌性等，在這方面也取得了很大進(jìn)展。

但是，厚壁高壓容器大型鍛件的工藝過程冶煉、鍛造和熱處理是相輔相成的，是系統(tǒng)工程，在創(chuàng)新冶煉和熱處理工藝的同時(shí)，在鍛壓方面卻暴露出了不少問題。如以下問題：

（1）鍛造時(shí)，鋼錠加熱方式落后，大部份采用車底式加熱爐，溫度的準(zhǔn)確控制和加 熱鋼錠的均勻程度都很不理想，使鍛壓時(shí)的均勻變形受到影響。

（2）現(xiàn)有的鍛造水壓機(jī)的操縱控制系統(tǒng)非常落后，鍛壓時(shí)基本是人工控制，很難達(dá)到最佳送進(jìn)量，更談不上壓機(jī)與操作機(jī)之間的聯(lián)控。所以壓下量很不均勻，變形速度、變形溫度、相對(duì)送進(jìn)量和絕對(duì)送進(jìn)量等重要工藝參數(shù)很難得到科學(xué)控制，以致偏心、開裂、折疊、表面缺陷和晶粒度粗大或混晶等問題經(jīng)常出現(xiàn)。僅因表面缺陷和外觀尺寸以及裂紋等問題報(bào)廢或返修的大型鍛件，也是相當(dāng)可觀的。這就內(nèi)耗或抵消了先進(jìn)的冶煉技術(shù)和熱處理工藝帶來的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致了大型鍛件生產(chǎn)的效益低下。

尺寸不規(guī)則主要是壓機(jī)行程控制手段落后，難以得到均勻的壓下量。內(nèi)部質(zhì)量差多為中心疏松組織未能鍛合而引起。晶粒粗大或局部粗晶產(chǎn)生的原因是加熱溫度高，變形不均勻，有局部變形程度小。表面缺陷和表面裂紋的產(chǎn)生多由于原材料質(zhì)量不好， 鋼錠冶金缺陷較多，加之鍛壓時(shí)得不到正確控制所造成，諸如拔長(zhǎng)時(shí)所采用的相對(duì)送進(jìn)量過大，倒棱時(shí)壓下量過大，送進(jìn)量小于壓下量等等。

（3）鍛件的鋼錠利用率低，導(dǎo)致成本提高和效益低下。鋼材利用率最低的有50%，最高的也不超過65%，如果按成品零件對(duì)鋼錠的利用率來衡量就更低了。

大型鍛件在鍛壓生產(chǎn)中面臨的這些重大技術(shù)關(guān)鍵對(duì)厚壁高壓容器來講是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如何創(chuàng)新鍛壓工藝，更新鍛壓設(shè)備，減少鍛件表面缺陷，提高鋼材利用率是當(dāng)前高壓容器鋼生產(chǎn)番重點(diǎn)解決的課題。大型鍛件生產(chǎn)技術(shù)要上一個(gè)新臺(tái)階，盡快適應(yīng)新興高壓容器和專用重型精密機(jī)械的發(fā)展，就必須精化鍛件。

（4）必須在鑄錠上細(xì)致操作，探入研究。人們往往重視煉鋼過程，以為冶金質(zhì)量好了，鍛件質(zhì)量就會(huì)好，而忽視鑄錠過程，殊不知，如果不重視鑄錠技術(shù)，就等于前功盡棄。因此除研究保護(hù)澆鑄、真空澆注、錠模涂料等新技術(shù)外，還應(yīng)研究設(shè)計(jì)新型的鋼錠模，改善鑄錠條件，嚴(yán)格控制注速和注溫。

（5）盡快更新鍛壓設(shè)備，提高鍛件表面質(zhì)量和鋼材利用率。必須使鍛壓向計(jì)算機(jī)程序控制方向發(fā)展，進(jìn)行合理的變形。實(shí)現(xiàn)壓機(jī)與操作機(jī)聯(lián)控是程序化鍛造的必要條件，而壓機(jī)壓力和壓機(jī)行程控制以及每次鍛造行程中操作機(jī)送進(jìn)量的精確控制是程序化鍛造的充分條件。因此，除了引進(jìn)先進(jìn)得鍛造設(shè)備以外，還要研究鋼的塑性變形規(guī)律，研究影響鍛件質(zhì)量的鍛造工藝參數(shù)，尋求最優(yōu)的變形方式，優(yōu)化組合各鍛造工藝參數(shù)，使鋼錠在鍛造中能均勻而充分變形，特別是使最后一火的變形量控制不在臨界變形程度范圍內(nèi)，使鍛件獲得均勻細(xì)小的晶粒組織。另外，拔長(zhǎng)時(shí)操作機(jī)的相對(duì)送進(jìn)量在0.4～0.6之間。間就可以達(dá)到理想的中心壓實(shí)和冶金特性低于0.25的相對(duì)送進(jìn)量只能改變鍛件形狀而不會(huì)改變其晶粒度。因?yàn)楫?dāng)送進(jìn)量較小時(shí)，拔長(zhǎng)變形區(qū)出現(xiàn)雙鼓形。這時(shí)變形集中在上下表面層，鍛件中心部份不能鍛透。當(dāng)送進(jìn)量過大時(shí)，拔長(zhǎng)變形區(qū)出現(xiàn)單鼓形，這時(shí)心部變形很大，得到充分鍛適，然而易在鼓形側(cè)面和角部形成拉應(yīng)力，引起表面橫向裂紋和角裂紋。所以，只有當(dāng)總鍛比達(dá)到能在最后兒個(gè)鍛壓道次中產(chǎn)生理想的中心壓實(shí)時(shí)， 這樣的相對(duì)送進(jìn)量才是可行的，才能實(shí)現(xiàn)精化鍛件的目的，減少鍛件的表面缺陷和表面裂紋，減少機(jī)械加工余量。與此同時(shí)，一可以真正發(fā)揮創(chuàng)新的煉鋼和熱處理工藝帶來的優(yōu)勢(shì)，使厚壁高壓容器鋼的質(zhì)量水平再提高一步。

當(dāng)前，在大型鍛件生產(chǎn)流程的整個(gè)系統(tǒng)中，鍛造已成為一個(gè)窄口，無論數(shù)量和質(zhì)量以及鍛件精度都不能適應(yīng)厚壁高壓容器發(fā)展的需要，鍛件精化、機(jī)械加工余量減小、表面缺陷減小都將增大效益，利用率提高，帶來的效益也是十分可觀的，而且還可節(jié)約用于改制和處理質(zhì)量問題的費(fèi)用。工藝和設(shè)備已經(jīng)到了非創(chuàng)新不可的地步，為了盡快扭轉(zhuǎn)被動(dòng)局面，應(yīng)迅速改變我們過去那種顧此失彼，單向突進(jìn)的創(chuàng)新工藝方式，將主要注意力相對(duì)集中到鍛壓設(shè)備和工藝的創(chuàng)新上來，盡快使大型鍛件生產(chǎn)全系統(tǒng)的三大工藝過程冶煉、鍛壓、熱處理、以及理化檢測(cè)全面得到更新，使我們的大型鍛件質(zhì)量進(jìn)入國內(nèi)外先進(jìn)行列，不斷降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，以便在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

5.小結(jié)

用于制造高溫承壓部件的材料，應(yīng)具有足夠高的強(qiáng)度和持久塑性、良好的組織穩(wěn)定性、高的松馳穩(wěn)定性、良好的抗氧化性等性能。高壓容器亦是如此，應(yīng)該具有良好的性能，我國在這一條路上還有好長(zhǎng)的路要走。

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