壓力容器用XG630DR鋼板的研制

王國文，楊文榮，劉小林（新余鋼鐵集團有限公司，江西新余 338001）

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壓力容器用XG630DR鋼板的研制

王國文，楊文榮，劉小林
（新余鋼鐵集團有限公司，江西新余 338001）

摘 要：針對我國目前壓力容器用正火鋼板強度最高許用590 MPa級別的現(xiàn)狀，研究開發(fā)了630 MPa強度級別的高強韌正火XG630DR鋼板，并對該鋼種的組織性能進行綜合評價。文中通過成分分析、金相組織分析、拉伸試驗、沖擊試驗、系列溫度沖擊試驗、Z向性能檢測、落錘試驗、SR處理和焊接接頭的測試，較系統(tǒng)地研究了其正火態(tài)、SR處理后的性能，結果表明：XG630DR鋼板具有高強度和良好的沖擊韌性，可作為制作罐體、罐箱的更新?lián)Q代材料。

關鍵詞：XG630DR鋼；組織性能；無塑性轉變溫度；罐體；罐箱

0　引言

高強度鋼的應用可使壓力容器壁厚減薄、自重降低、利用率提高。如用Q370R［1］制造的中壓CNG氣體運輸設備，中壓（工作壓力4.0 MPa）氣體運輸罐車的罐體容積可達56000 L，但載氣量僅2160 kg，罐體自重卻達27000 kg，其載氣重量與容器自重比約為0.08，利用率和運輸效率低下；再如用Q370R制造的罐箱，改用630 MPa強度級別鋼后其壁厚可降低19%。根據(jù)全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會官網(wǎng)和相關文獻檢索，我國目前壓力容器許用正火低合金高強度鋼板中強度最高的鋼是Q420R（17MnNiVNbR），其強度Rm≥590 MPa［2－3］，與國外壓力容器用正火高強度鋼［4－5］相比，強度級別還存在較大的差距，因此，研究開發(fā)更高強度級別的壓力容器用正火高強韌鋼，能更好地滿足石油、化工、能源、交通、城建等領域?qū)Ω咝阅軌毫θ萜饔娩摰氖袌鲂枨蟆?/p>

1　XG630DR高強韌鋼板的研究

1.1 鋼板性能指標的確定

2013年3月，新鋼公司確定了開發(fā)XG630DR壓力容器用鋼板的性能要求，主要指標見表1。

表1　XG630DR壓力容器用鋼板主要性能指標

1.2 XG630DR鋼板試制過程

2013年8月成功開發(fā)了XG630DR鋼板，研制的鋼板規(guī)格為6～20 mm，基本覆蓋了當前鐵路、汽車罐車罐箱用鋼板的厚度范圍。新鋼XG630DR鋼板采用控軋＋正火工藝生產(chǎn)，這種工藝相對于淬火加回火工藝，降低制造成本25%～35%［6］。產(chǎn)品試制成功后，對鋼板的組織性能進行了系列分析與研究，并委托合肥通用機械研究院進行了10，20 mm兩個厚度規(guī)格鋼板及其焊接接頭的測試和鋼板應力腐蝕試驗，各項測試結果均符合該鋼板的認證技術要求。

1.3 技術評審結論

根據(jù)TSG R0004—2009［7］和TSG R0005—2011［8］中新材料許用規(guī)定，XG630DR鋼板于2014年7月28日通過了全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會組織的技術評審，許可用于建造壓力容器，使用范圍為：使用溫度－40～100℃，厚度6～20 mm。至此，新鋼公司獲得國內(nèi)第一張最高強度630 MPa級別正火態(tài)低合金高強度鋼板的技術評審證書。

2　XG630DR鋼板的性能分析與工藝試驗

2.1 試驗項目

該項目開發(fā)的重點是罐車、罐箱用高強度新材料的研制。由于罐車、罐箱屬移動式壓力容器，是在公路、鐵路上行駛，會因為路況或急剎車等原因造成罐體頻繁地受到?jīng)_擊和震動，運行條件較為惡劣，且常盛有易燃、易爆、有毒和腐蝕性介質(zhì)，因此罐體、罐箱用鋼不但要具備足夠的強度，而且必須具有優(yōu)良的沖擊韌性，尤其是抗沖擊撕裂性能。文中通過成分分析、金相組織分析、拉伸試驗、沖擊試驗、系列溫度沖擊試驗、Z向性能檢測、落錘試驗、SR處理和焊接接頭的測試，對XG630DR鋼板的綜合性能進行較全面介紹，便于容器制造業(yè)對此鋼種進一步了解，起到一定的推動作用。

2.2 試驗用鋼板

2.2.1 試制鋼的化學成分

罐車、罐箱的壁厚通常不超過18 mm，故分別采用10，20 mm厚XG630DR鋼板作為試驗用鋼。表2列出了本試驗用鋼的化學成分。

表2　XG630DR實物熔煉成分分析　%

采用了成本較低的專利技術［9］Mn－V－Ni－N系的成分設計，充分利用了細晶強化、固溶強化和沉淀強化機理。

2.2.2 鋼板金相組織分析

圖1　XG630DR鋼板正火態(tài)金相組織

對厚度10，20 mm正火鋼板進行不同厚度方向的取樣，并采用SISC IAS V8.0金相圖象分析儀進行了金相組織觀察和分析。鋼板正火后的組織均為鐵素體＋珠光體＋少量貝氏體組織，見圖1。

2.3 正火態(tài)鋼板性能分析

2.3.1 鋼板拉伸性能

對XG630DR正火鋼板進行了力學性能檢驗，在鋼板頭尾寬度的1/4處對鋼板的拉伸性能和彎曲性能進行了檢驗，結果見表3。

從表3可以看出，兩個厚度規(guī)格鋼板的屈強比均在0.85以下，屈服強度在492～527 MPa范圍內(nèi)，抗拉強度在635～658 MPa范圍內(nèi)，斷后伸長率在25.0%～27.0%范圍內(nèi)；20 mm鋼板拉伸縱向比橫向稍有上升。鋼板具有良好的拉伸性能和彎曲性能。

表3　厚度10 mm和20 mm XG630DR正火鋼板拉伸試驗結果

2.3.2 鋼板沖擊韌性

對XG630DR正火鋼板進行了沖擊性能檢驗。在鋼板頭尾寬度1/4處取樣，進行了厚度1/4處的－40℃橫向沖擊性能檢驗，其中厚度20 mm鋼板還進行了厚度1/2處的－40℃橫向沖擊性能檢驗，結果分別見表4。表4表明鋼板不同取樣位置的沖擊吸收能量在－40℃時均在83 J以上，沖擊斷口為韌性斷裂，此類鋼斷口結晶區(qū)為韌窩加解理結構，其中大多數(shù)區(qū)域為韌窩［10］，表明鋼板具有良好的低溫沖擊性能。

表4　厚度10 mm和20 mm XG630DR正火板－40℃沖擊性能

2.3.3 系列溫度沖擊試驗

委托合肥通用機械研究院分別對批號為H3－76323、H3－76320的10 mm、20 mm鋼板進行了20～－100℃的系列溫度沖擊測試，其結果見表5。沖擊吸收能量與試驗溫度的關系曲線如圖2，3所示。

表5　不同厚度正火鋼板系列溫度沖擊試驗結果

從表5數(shù)據(jù)及圖2，3可以看出，鋼板橫向取樣方向的沖擊吸收能量在－50℃時平均在76 J以上，V型沖擊缺口側向膨脹值平均在0.84 mm以上，鋼板具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。

圖2　厚度10 mm正火鋼板表層橫向取樣KV2—T曲線

圖3　厚度20 mm正火鋼板表層橫向取樣KV2—T曲線

2.3.4 鋼板韌脆性轉變溫度

分別按沖擊吸收能量及沖擊試樣的纖維斷面率確定的不同厚度鋼板的韌脆性轉變溫度列于表6。表6中，VTE為50%上平臺能所對應的溫度，VTS為50%晶狀斷面率所對應的溫度，－50℃的KV2為試驗溫度－50℃下3個試樣沖擊吸收能量的平均值。由表6所列的數(shù)據(jù)可以看出，鋼板的VTE和VTS均低于－53℃，表明鋼板具有良好的低溫韌性。

表6　不同厚度正火鋼板的韌性特征值

2.3.5 鋼板的Z向性能

對20 mm厚度XG630DR進行了Z向性能測試，取樣位置在鋼板的頭部和尾部板寬1/4處和1/2處，檢測結果見表7。

表7　XG630DR正火鋼板Z向性能

檢測結果表明，XG630DR正火鋼板Z向斷面收縮率大于55%，具有良好的抗層狀撕裂性能。

2.3.6 落錘試驗測定鋼板無塑性轉變溫度（NDTT）

落錘試驗按照GB/T 6803—2008《鐵素體鋼的無塑性轉變溫度落錘試驗方法》進行，試驗低溫介質(zhì)為液氮加分析純酒精，試驗時試樣過冷度為1～2℃，保溫時間40 min，保溫儀器為3102－1低溫儀，試樣為P2型，試驗時的打擊能量為400 J，落錘試驗機型號為ZCJ2203。按照標準試驗方法，落錘試樣必須在鋼板的軋制表面堆焊裂紋源，對20 mm鋼板表層進行落錘試驗。試驗結果見表8。

表8　正火態(tài)鋼板落錘試驗結果

上述結果顯示，鋼板無塑性轉變溫度為－55℃，表明鋼板具有優(yōu)良的無塑性轉變溫度。

2.4 焊后應力消除熱處理（簡稱SR處理）后鋼板性能分析

2.4.1 試驗目的及步驟

大型壓力容器制造過程中焊接成形后帶有很大的組裝與焊接殘余應力，有的可達到材料的屈服極限［11］，因此，大多需要進行焊后應力消除熱處理（簡稱SR處理），SR處理的目的是降低焊接殘余應力，改善焊接接頭及母材性能，防止H2S應力腐蝕開裂。

參照國內(nèi)相同類型鋼種的熱處理溫度，該試驗分別選定560，580，600，620℃作為消除應力熱處理溫度，以考核該鋼板在消除應力熱處理過程中的力學性能。試驗選用20 mm厚鋼板進行SR處理，試樣均橫向T/4取樣。

試板尺寸為500 mm×300 mm，將試板在熱處理爐中采用選定的溫度進行應力消除熱處理，恒溫保溫時間為1 h，試板的升溫、保溫和冷卻過程按照GB 150—2011《壓力容器》的規(guī)定，熱處理示意曲線見圖4。對應力消除熱處理后的鋼板進行力學性能試驗。

圖4　SR處理工藝曲線示意

2.4.2 鋼板拉伸試驗

表9　厚度20 mm鋼板消除應力熱處理拉伸試驗結果

對消除應力熱處理后的20 mm厚鋼板進行拉伸試驗，試驗結果見表9。

由表9可以看出，在給定的熱處理溫度下，鋼板的下屈服強度、抗拉強度略有下降。

2.4.3 不同應力消除熱處理溫度鋼板沖擊試驗

對不同溫度熱處理的鋼板進行沖擊試驗，試驗結果見表10。

由表10可以看出，在給定的消除應力熱處理試驗溫度下（560～620℃），鋼板的沖擊吸收能量稍有下降，幅度不大。

2.4.4 系列溫度沖擊試驗

對經(jīng)過580℃應力消除熱處理的20 mm厚鋼板表層取樣進行系列溫度沖擊試驗，試樣橫向取樣。試驗結果見表11。

表10　厚度20 mm鋼板母材不同熱處理溫度沖擊試驗結果

表11　厚度20 mm鋼板SR處理后系列溫度沖擊試驗結果

從表11數(shù)據(jù)可以看出，SR后鋼板的沖擊吸收能量在－50℃時平均在95 J以上，表明鋼板比正火態(tài)具有更優(yōu)良的低溫沖擊韌性。

2.4.5 鋼板韌脆性轉變溫度

表12　厚度20 mm鋼板SR處理后的韌性特征值

試驗結果見表12。鋼板的VTE和VTS均低于－50℃，變化不大，表明鋼板仍具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。

2.4.6 落錘試驗測定鋼板SR態(tài)無塑性轉變溫度（NDTT）

對經(jīng)580℃應力消除熱處理的20 mm厚鋼板進行了落錘試驗測定鋼板的無塑性轉變溫度，試樣橫向取樣。試驗結果見表13。

表13　SR處理（580℃）后鋼板的落錘試驗結果

由表13可以看出，經(jīng)過580℃的應力消除熱處理，鋼板的NDTT溫度與原供貨態(tài)鋼板的NDTT溫度相當。

2.5 XG630DR鋼板焊接工藝試驗

2.5.1 焊接線能量試驗

分別對不同焊接工藝的對接接頭焊縫金屬、熱影響區(qū)進行沖擊試驗，其拉伸、冷彎和沖擊試驗結果分別見表14，15。

表14　焊接接頭不同焊接工藝力學性能試驗結果

表15　焊接接頭不同焊接工藝沖擊試驗結果

由表14，15中的數(shù)據(jù)可以看出，在15～40 kJ/cm焊接線能量范圍內(nèi)，隨著焊接線能量的增加，焊接接頭的抗拉強度稍有下降，焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性也稍有下降，從結果來看，焊接線能量在15～40 kJ/cm范圍內(nèi)時，焊接接頭的強度和韌性均能滿足罐體、罐箱的使用要求。

2.5.2 焊后應力消除熱處理試驗

試驗選用20 mm厚的鋼板，焊條焊前經(jīng)400℃×1 h的烘干處理。焊接預熱溫度為100℃，焊接線能量為30～35 kJ/cm，焊后立即進行250℃×0.5 h的消氫處理，然后進行應力消除熱處理。試驗中選擇4組應力消除熱處理溫度進行試驗，試驗中焊接1組未進行焊后熱處理的焊態(tài)試板，以便進行力學性能的對比。具體焊接規(guī)范如表16所示。

表16　焊后熱處理試板焊接工藝規(guī)范

對不同焊后熱處理的焊接接頭進行拉伸、冷彎和沖擊試驗。其拉伸、冷彎、沖擊試驗結果如表17，18所示。

表17　焊后熱處理的焊接接頭不同焊接工藝力學性能試驗結果

表18　焊接接頭不同熱處理溫度沖擊試驗結果

結果表明，隨著應力消除熱處理溫度的升高，與焊態(tài)焊接接頭相比，接頭的抗拉強度稍有下降；焊縫金屬、焊接熱影響區(qū)室溫和低溫沖擊吸收能量有一定的下降。但從結果來看，焊接接頭的強度和韌性均能滿足罐體、罐箱使用要求。因此，在保溫1 h的前提下，應力消除熱處理溫度可以選擇在560～620℃范圍內(nèi)。

3　結論

（1）XG630DR鋼板正火后的組織為鐵素體＋珠光體＋少量貝氏體組織；

（2）XG630DR正火態(tài)鋼板具有良好的強韌匹配，屈服強度在492～527 MPa范圍內(nèi)，抗拉強度在635～658 MPa范圍內(nèi)，斷后伸長率在25.0%～27.0%范圍內(nèi)；

（3）XG630DR正火態(tài)鋼板不同取樣方向的沖擊吸收能量在－50℃時均在76 J以上，韌脆性轉變溫度最高為－53℃，具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性；

（4）XG630DR鋼板Z向斷面收縮率大于55%，具有良好的抗層狀撕裂性能；

（5）XG630DR鋼板SR處理后鋼板的屈服強度、抗拉強度略有下降，在560℃熱處理溫度下能保證企業(yè)標準規(guī)定的性能；

（6）XG630DR鋼板在給定的消除應力熱處理試驗溫度下（560～620℃），鋼板的沖擊吸收能量稍有下降，幅度不大；

（7）XG630DR鋼板經(jīng)15～40 kJ/cm的線能量焊接熱輸入后，熱影響區(qū)的－40℃低溫沖擊及焊接接頭的性能完全滿足罐體、罐箱使用要求；

（8）XG630DR鋼板焊接接頭經(jīng)560～620℃消除應力處理后，焊接接頭的強度和韌性完全滿足罐體、罐箱的使用技術要求。

參考文獻：

［1］ GB 713—2014，鍋爐和壓力容器用鋼板［S］.

［2］ 許強，王利，徐亮，等.汽車罐車罐體用WH590 （17MnNiVNbR）鋼板的開發(fā)和試驗研究［J］.壓力容器，2010，27（3）：7－12.

［3］ 徐亮，王利，章敏，等.汽車罐車用17MnNiVNbR鋼板的性能［J］.機械工程材料，2014，38（5）：52－56.

［4］ EN 10028－3：2009，承壓用扁平鋼第3部分：正火可焊接細晶粒鋼［S］.

［5］ JIS G 3115—2010，壓力容器用鋼板［S］.

［6］ 芮曉龍，習天輝，郭斌，等.正火高強度壓力容器用鋼的研究進展［J］.武漢工程職業(yè)技術學院學報，2010，22（4）：4－7.

［7］ TSG R0004—2009，固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程［S］.

［8］ TSG R0005—2011，移動式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程［S］.

［9］ 新余鋼鐵集團有限公司.屈服強度460 MPa級正火高強韌鋼板及其制造方法：中國，ZL201210253970.3 ［P］.2013－09－18.

［10］ 劉丹，楊勇.優(yōu)化罐車用鋼板P460 NLl沖擊韌性的工藝實踐［J］.寬厚板，2014，20（5）：10－13.

［11］ 李友，楊成剛，李強，等.P460NL1鋼制球罐焊后消除應力退火工藝研究［J］.金屬熱處理，2002，27（2）：32－34.

修稿日期：2015－09－26

試 驗 研 究

Development of Steel Plates XG630DR for Pressure Vessel

WANG Guo－wen，YANG Wen－rong，LIU Xiao－lin
（Xinyu Iron＆Steel Group Co.，Ltd.，Xinyu 338001，China）

Abstract：Research and development is implemented for a 630 MPa strength level high strength-toughness steel plate grade XG630DR according to the present status that the highest strength of 590 MPa for pres-sure vessel plates in normalizing is allowed to use in China.Comprehensive assessment are made for the microstructure properties.In this paper，performance are systematically studied for the plates in normali-zing condition and after SR treatment through microstructure analysis，tensile test，impact test，impact test at different temperature，through thickness test，drop weight test，the SR treatment and welding joint test.The results show that the XG630DR steel has the properties of high strength，good impact toughness，and can be used as the upgrading materials for tanks and tank box.

Key words：steel grade XG630DR；structure property；NDTT；tanks；tank box

作者簡介：王國文（1961－）男，工程師，主要從事標準、專利管理工作，參與20余項專利技術研發(fā)，

通信地址：338001江西省新余市冶金路1號新余鋼鐵集團有限公司技術中心，E－mail：6293752＠163.com。

收稿日期：2015－09－02

doi：10.3969/j.issn.1001－4837.2015.10.002

文章編號：1001－4837（2015）10－0008－09

文獻標志碼：B

中圖分類號：TH142；TH49