09MnNiDR鋼制2000m3乙烯低溫球罐的力學(xué)性能研究

沈建成 王振興 梁 晟 王宏斌

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院 a. 機(jī)電工程學(xué)院；b.甘肅省綠色切削及應(yīng)用重點(diǎn)實驗室；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司)

09MnNiDR鋼制2000m3乙烯低溫球罐的力學(xué)性能研究

沈建成1a,1b王振興2梁 晟2王宏斌2

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院 a. 機(jī)電工程學(xué)院；b.甘肅省綠色切削及應(yīng)用重點(diǎn)實驗室；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司)

通過對-70℃低溫鋼09MnNiDR鋼板及其配套鍛件、焊接材料的試驗研究與分析得出，材料的力學(xué)性能滿足設(shè)計及制造要求，同時確定了乙烯低溫球罐制造的材料工藝參數(shù)。

乙烯球罐 09MnNiDR鋼 低溫鋼 力學(xué)性能

乙烯球罐屬于保冷球罐，使用時操作壓力高，溫度低，介質(zhì)易燃易爆，這使得乙烯球罐在設(shè)計、選材、制造、焊接及熱處理等施工關(guān)鍵技術(shù)方面存在諸多難題。隨著壓力容器建設(shè)向大型化和更低的使用溫度方向發(fā)展，20世紀(jì)80年代末期以來-70℃級低溫壓力容器用09MnNiDR鋼板及其配套鍛件，開始廣泛應(yīng)用于各類低溫壓力容器的制造。但迄今為止09MnNiDR鋼還未用于低溫球罐的建造，這嚴(yán)重阻礙了我國石油化工成套裝備中設(shè)計溫度-70～-45℃的乙烯低溫球罐制造的國產(chǎn)化[1]。

青海鹽湖鎂業(yè)有限公司的金屬鎂一體化項目DMTO裝置是世界第一套1Mt系列DMTO裝置。本次項目的烯烴裝置中需建造4臺乙烯球罐,考慮到系統(tǒng)的工藝要求，基于本質(zhì)安全的理念，將乙烯球罐的設(shè)計溫度定為-67℃，公稱容積為2 000m3。若低溫球罐在施工條件惡劣的現(xiàn)場進(jìn)行組裝、焊接和焊后熱處理，與通常的低溫壓力容器相比，除用材除需足夠的強(qiáng)度外，對其低溫韌性和焊接性能提出了更高的技術(shù)要求[2～4]。為此，根據(jù)青海鹽湖DMTO項目4臺09MnNiDR鋼制2 000m3乙烯球罐的設(shè)計、制造和安裝技術(shù)要求，對09MnNiDR鋼板及其配件的低溫韌性進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究和分析[5～7]，為乙烯球罐的設(shè)計、制造和安裝提供一定的實驗依據(jù),以滿足中石化系統(tǒng)乙烯改擴(kuò)建及新建的需要,從而實現(xiàn)大型乙烯低溫球罐的國產(chǎn)化。

1 試驗方案

試驗方案依據(jù)低溫乙烯球罐的制造工藝特點(diǎn)，采用了手工焊條電弧焊的方法。針對球罐組焊后應(yīng)進(jìn)行一次整體消除應(yīng)力熱處理(SR處理)，考慮到開罐檢查返修時可能還需進(jìn)行SR處理，故對09MnNiDR鋼板及其鍛件分別進(jìn)行兩次模擬SR處理試驗。根據(jù)已有的試驗結(jié)果和低溫壓力容器制造的工程實踐，并按NB/T 47015-2011中有關(guān)SR處理保溫時間的規(guī)定，同時考慮到箱式電阻爐的溫度波動范圍(±l0℃)，對09MnNiDR鋼的一次SR處理規(guī)范確定為：580±10℃×2.5h。SR處理時，試板隨爐升溫、冷卻，400℃以上的升、降溫速度為模擬球罐焊后整體熱處理工藝按GB12337-1998的規(guī)定均控制在50～80℃/h。

為便于試樣加工和焊接試板的制作，將試驗用09MnNiD鍛件鍛造成鍛造比不大于球罐人孔凸緣鍛造比，厚度為56～60mm的鍛板?？紤]到56mm厚09MnNiDR鋼板(正火+回火狀態(tài)供貨)和56～60mm厚09MnNiD鍛板(調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨)的板厚中心處可能產(chǎn)生化學(xué)成分偏析且其冷卻方式和鍛鋼的固有淬透性，致使鋼板和鍛板厚度方向的組織和性能有所變化。為此對不同熱處理狀態(tài)(供貨態(tài)及SR 處理態(tài))下鋼板和鍛板厚度方向的不同部位分別取樣并進(jìn)行了拉伸、沖擊和金相組織檢驗。拉伸、沖擊試樣的取樣方向均垂直于鋼板的軋制或鍛造方向，試樣的軸線分別位于試板厚度方向的表層、t/4和t/2處(t為板厚)。

2 力學(xué)性能試驗分析

2.1 鋼板

基于青海鹽湖DMTO項目中，試驗用鋼板為舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司生產(chǎn)的56mm厚09MnNiDR鋼板，試板化學(xué)成分見表1。

表1 09MnNiDR鋼板化學(xué)成分(熔煉分析) wt%

其中，Cr、Mo、V和Ti會在SR處理時析出，該鋼板滿足試驗用的技術(shù)要求。

表2是試驗用鋼板不同熱處理狀態(tài)和部位試件的力學(xué)性能檢驗數(shù)據(jù)。試件進(jìn)行兩次SR熱處理，該鋼板的拉伸、沖擊和彎曲試驗數(shù)據(jù)均滿足技術(shù)要求。

表2 09MnNiDR鋼板力學(xué)性能的檢驗數(shù)據(jù)

2.2 鍛件

試驗鍛件與青海鹽湖DMTO項目乙烯球罐用鍛鋼保持一致。由寶山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的09MnNiD鋼軋制坯尺寸為400 mm×650mm×(4000～10000)mm，表3是試驗用09MnNiD鍛件化學(xué)成分的檢驗參數(shù)。

表3 09MnNiD鍛件化學(xué)成分的檢驗參數(shù) wt%

爐號為177969的09MnNiD鍛件的化學(xué)成分滿足試驗用的技術(shù)要求，該鍛件的晶粒度為8。

試驗用09MnNiD鍛板的鍛造比按照不大于球罐人孔凸緣的鍛造比進(jìn)行控制，鍛板的調(diào)質(zhì)熱處理工藝為920±10℃×2.5h，水淬加680±10℃×2.5h回火。鍛板的尺寸為(56～60)mm×200mm×630mm。

表4是09MnNiD鍛件力學(xué)性能的檢驗數(shù)據(jù)。該鍛件的拉伸、沖擊和彎曲試驗數(shù)據(jù)均滿足試技術(shù)要求。

表4 09MnNiD鍛件力學(xué)性能的檢驗數(shù)據(jù)

2.3 焊條

試驗用W707DR焊條由哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司生產(chǎn)，其規(guī)格為φ4.0mm[8，9]。焊條熔敷金屬化學(xué)成分的檢驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 W707DR焊條熔敷金屬化學(xué)成分的檢驗數(shù)據(jù) wt%

焊條批號為3217034的W707DR焊條熔敷金屬化學(xué)成分滿足技術(shù)條件的要求。

焊條熔敷金屬在焊后及焊后熱處理狀態(tài)(SR處理規(guī)范：590℃×5h)的力學(xué)性能(表6)滿足技術(shù)要求，可以用于產(chǎn)品焊接。

表6 W707DR焊條熔敷金屬力學(xué)性能的檢驗數(shù)據(jù)

2.4 焊接試件

制作焊接試件，09MnNiDR鋼板與09MnNiD鍛件進(jìn)行橫向?qū)邮止ず笚l電弧焊的方法，采用φ4.0mm 的W707DR焊條(350℃×1h烘干)。坡口為不對稱的X形，施焊時，先焊大坡口面，反面進(jìn)行碳弧氣刨清根并經(jīng)砂輪修磨后再焊小坡口面。焊前預(yù)熱125～150℃，控制層間溫度在150～200℃，焊接線能量在20kJ/cm以下。

焊接試件依據(jù)實驗方案進(jìn)行兩次SR處理，對不同熱處理次數(shù)的焊接試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果見表7。

表7 09MnNiDR鋼板與09MnNiD鍛件焊接試件力學(xué)性能的檢驗數(shù)據(jù)

從表7數(shù)據(jù)可以看出，使用W707DR焊條焊接的對接試件的力學(xué)性能滿足技術(shù)條件要求。

3 結(jié)論

3.1 09MnNiDR鋼板和09MnNiD鍛件在供貨態(tài)及經(jīng)兩次SR處理后厚度方向不同部位橫向取樣的抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度和斷后伸長率均高于訂貨技術(shù)要求，不同熱處理狀態(tài)下09MnNiDR鋼板和09MnNiD鍛件的-70℃低溫沖擊韌性優(yōu)良，完全滿足青海鹽湖金屬鎂一體化項目2 000m3乙烯球罐的設(shè)計及制造要求。

3.2 采用W707DR焊條施焊的09MnNiDR鋼板和09MnNiD鍛件橫向?qū)咏宇^，經(jīng)不同次數(shù)(一次和兩次)SR處理后焊接接頭抗拉強(qiáng)度均高于技術(shù)條件要求，焊縫金屬和熱影響區(qū)(鋼板側(cè)和鍛件側(cè))-70℃低溫沖擊韌性優(yōu)良，表明W707DR焊條可作為2 000m3乙烯球罐制造用焊接材料。

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MechanicalPropertyStudyandAnalysisof2000m3VinylLow-temperatureSphericalTankMadeof09MnNiDRSteel

SHEN Jian-cheng1a,1b, WANG Zhen-xing2, LIANG Sheng2, WANG Hong-bin2
(1a.CollegeofElectromechanicalEngineering; 1b.GansuProvincialKeyLaboratoryofGreenCuttingTechnologyandApplication,LanzhouInstituteofTechnology; 2.LanpecTechnologiesLimited)

Experimentally studying and analyzing 09MnNiDR steel plates and their matched forgings at -70℃shows that, the mechanical properties of these materials can meet the manufacturing demands. Meanwhile, the manufacturing process’ parameters of vinyl low-temperature spherical tank were determined.

vinyl spherical tank,09MnNiDR steel, low-temperature steel,mechanical property

沈建成(1981-)，講師，從事機(jī)械設(shè)計與制造的教學(xué)工作，shenjian8211@163.com。

TQ053.2

A

0254-6094(2017)02-0156-04

2016-10-21，

2017-01-03)