具有良好低溫韌性的大型丙烷儲罐用鋼研制

陳凱力，王金光，陸戴丁

(1.中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101；2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031)

丙烯是僅次于乙烯的重要石化原料.近年來，國內(nèi)丙烯生產(chǎn)原料需求量大增.丙烷脫氫制丙烯(簡稱PDH)是一種以丙烷替代各種餾分油為原料集中生產(chǎn)丙烯的新型工藝[1-2].液化丙烷通過低溫常壓型運(yùn)輸船運(yùn)抵接收站后，進(jìn)入丙烷低溫罐中，為PDH裝置提供原料.建造大型低溫丙烷儲罐(容積在1.0×105～1.2×105m3)成為近年來沿海石化項(xiàng)目的重要需求之一[3].

為建造大型儲罐，選擇強(qiáng)度級別高的鋼材是設(shè)計(jì)人員的首要考慮，但對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，隨著強(qiáng)度的升高，其韌性也會隨之降低[4-5].丙烷通常為氣態(tài)，常壓下沸點(diǎn)為-42.09 ℃，因此液態(tài)丙烷儲罐用鋼板需要長期在低溫下服役.當(dāng)介質(zhì)溫度較低時(shí)，如忽略了材料的韌性指標(biāo)，材料斷裂韌性被破壞的概率將增加[6].同時(shí)，成形和焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中及殘余應(yīng)力會促使裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，最終造成脆性斷裂[7-8].由此可見，丙烷儲罐用鋼板在低溫下應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)具備穩(wěn)定的工藝性能和可靠的焊接性[9-10].

本文對照歐標(biāo)EN 10028-4：2017進(jìn)行了13MnNi6-3鋼板的設(shè)計(jì)和試制，分析了所試制鋼板的力學(xué)性能及焊接接頭性能，證明了所試制13MnNi6-3鋼板在-60 ℃時(shí)具有良好的強(qiáng)度和低溫韌性，能夠滿足大型低溫丙烷罐的制造和焊接要求.

1 試驗(yàn)方法

1.1 化學(xué)成分與生產(chǎn)工藝

相較于其他正火或正火加回火類的容器用鋼板，13MnNi6-3鋼除了要滿足《壓力容器用鋼板——特殊低溫性能鎳合金鋼》(歐標(biāo)EN 10028-4：2017)中的成分、性能等要求外，還要滿足《低溫工作條件下立式平底圓筒型儲罐 第2部分：儲存最低溫度達(dá)-165 ℃液化氣的單容、雙容和全容金屬罐的設(shè)計(jì)與建造規(guī)范》(歐標(biāo)BS 7777-2:1993)中關(guān)于焊接后鋼板性能的規(guī)定，以適應(yīng)低溫工況.為此，根據(jù)EN 10028-4：2017標(biāo)準(zhǔn)中對13MnNi6-3鋼板的規(guī)定，并考慮大型儲罐現(xiàn)場焊接的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)試制用13MnNi6-3鋼板的化學(xué)成分、軋制工藝和熱處理工藝分別見表1、表2和表3.

表1 鋼板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions (mass fraction) %

表2 鋼板軋制工藝Table 2 Rolling process

表3 鋼板熱處理工藝Table 3 Heat treatment process

1.2 測試技術(shù)

研究使用日本OLYMPUS公司型號為OLYMPUS-BX51的金相顯微鏡對經(jīng)飽和苦味酸加熱腐蝕后的試制鋼板奧氏體晶粒形貌進(jìn)行觀察.

采用Gleeble-2000熱模擬試驗(yàn)機(jī)測量應(yīng)變對組織轉(zhuǎn)變的影響.將試樣加熱至1 200 ℃，均熱保溫3 min，采用無應(yīng)變情況測試，以0.05～40 ℃/s的不同冷卻速率冷卻至100 ℃，測定CCT曲線.

鋼板強(qiáng)度測試取樣方法按國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》(GB/T 2975—2018)進(jìn)行，試驗(yàn)方法按國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料 拉伸試驗(yàn)方法 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)進(jìn)行.沖擊試驗(yàn)按國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》(GB/T 229—2020)進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為-40，-60，-70，-80，-100 ℃.由于鋼板在預(yù)制過程中會采用冷加工成形，對其力學(xué)性能有一定的影響，為此本研究同時(shí)測試了鋼板冷變形后的沖擊性能.

采用手工焊條電弧焊(SMAW)和埋弧自動焊(SAW)方法焊接10，20，38 mm厚度的13MnNi6-3試制鋼板，并于焊接接頭板厚1/2處焊接焊縫中心、熔合線、熔合線外0.5 mm、熔合線外1 mm、熔合線外2 mm及熔合線外5 mm處取樣進(jìn)行低溫沖擊功測試和維氏硬度測試.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 加熱溫度和保溫時(shí)間對奧氏體晶粒長大傾向性的影響

鋼的奧氏體粗化溫度反映奧氏體晶粒長大的傾向性，是加熱時(shí)影響奧氏體晶粒尺寸的一個(gè)重要參數(shù).當(dāng)加熱溫度超過奧氏體粗化溫度時(shí)，奧氏體晶粒長大明顯，會降低熱軋鋼板的韌性；當(dāng)加熱溫度過低時(shí)，溶解于奧氏體中的第二相粒子較少[11].因此，有必要對13MnNi6-3的奧氏體晶粒長大傾向性進(jìn)行研究.

圖1～3是加熱溫度分別為1 000，1 100和1 200 ℃，保溫20，40，60，90和120 min后淬火試樣的原奧氏體晶粒典型形貌.從不同加熱溫度和保溫時(shí)間下獲得的金相組織照片中可以看出13MnNi6-3鋼的晶粒生長具有以下規(guī)律：隨著加熱溫度的升高和保溫時(shí)間的延長，其奧氏體晶粒有長大的趨勢；奧氏體晶粒對溫度更加敏感.由圖1可知，保溫時(shí)間為20 min時(shí)奧氏體晶粒大小不均勻，說明奧氏體化不均勻，保溫時(shí)間為40 min時(shí)奧氏體晶粒細(xì)小，保溫時(shí)間為60 min時(shí)奧氏體晶粒開始粗化；保溫40 min，加熱溫度為1 000，1 100和1 200 ℃時(shí)奧氏體晶粒大小分別為13，50和60 μm，因此加熱溫度為1 000 ℃、保溫時(shí)間為40 min時(shí)晶粒大小及均勻性較好.

2.2冷卻速度對組織和硬度的影響

鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(簡稱CCT曲線)反映了在連續(xù)冷卻條件下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律，是分析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織與性能的依據(jù)，也是制定熱處理工藝的重要參考資料[12].本文得到圖4所示的13MnNi6-3鋼的靜態(tài)CCT曲線.圖中t表示時(shí)間，θ表示溫度，B代表貝氏體，F(xiàn)代表鐵素體，P代表珠光體，Ac1代表加熱過程中全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度，Ac3代表加熱過程中從奧氏體中析出過剩鐵素體和滲碳體的溫度，Ms代表馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，HV代表維氏硬度.

將13MnNi6-3鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中冷卻速度與轉(zhuǎn)變組織、硬度的關(guān)系列出，如表4所示.

圖1 13MnNi6-3鋼1 000 ℃保溫不同時(shí)間后的奧氏體晶粒形貌Fig.1 Austenite grain morphology of 13MnNi6-3 steel held at 1 000 ℃ for different time(a)—20 min; (b)—40 min; (c)—60 min; (d)—90 min; (e)—120 min.

圖2 13MnNi6-3鋼1 100 ℃保溫不同時(shí)間后的奧氏體晶粒形貌Fig.2 Austenite grain morphology of 13MnNi6-3 steel held at 1 100 ℃ for different time(a)—20 min; (b)—40 min; (c)—60 min; (d)—90 min; (e)—120 min.

圖3 13MnNi6-3鋼1 200 ℃保溫不同時(shí)間后的奧氏體晶粒形貌Fig.3 Austenite grain morphology of 13MnNi6-3 steel held at 1 200 ℃ for different time(a)—20 min; (b)—40 min; (c)—60 min; (d)—90 min; (e)—120 min.

圖4 13MnNi6-3鋼靜態(tài)CCT曲線Fig.4 Static CCT curve of 13MnNi6-3 steel

從圖4中可以看出，當(dāng)13MnNi6-3鋼完全奧氏體化后以不同速度冷卻時(shí)，存在著四種類型的相變：奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變、奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變、奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變和奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變.從表4中可以看出，隨著冷卻速度的增加，鋼板硬度逐漸增加，冷卻速度增加到5 ℃/s和40 ℃/s時(shí)鋼板硬度增加幅度較大.影響鋼板硬度的主要因素為化學(xué)成分、組織類型、硬質(zhì)相質(zhì)量分?jǐn)?shù)、晶粒大小、組織大小等.由圖4和表4可知，當(dāng)冷卻速度為0.05～1 ℃/s時(shí)，組織為鐵素體和珠光體，此時(shí)主要是各相組織質(zhì)量分?jǐn)?shù)與大小的變化使得硬度變化；當(dāng)冷卻速度為1 ℃/s時(shí)，開始發(fā)生硬質(zhì)相貝氏體相變；隨著冷卻速度的增加，貝氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，當(dāng)冷卻速度達(dá)到20 ℃/s時(shí)，開始發(fā)生硬質(zhì)相馬氏體相變；當(dāng)冷卻速度達(dá)到40 ℃/s時(shí)，相變組織完全為馬氏體.綜上可知，隨著硬質(zhì)相質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，13MnNi6-3鋼的硬度逐漸增加.

表4 13MnNi6-3 鋼靜態(tài)CCT試樣冷卻速度與組織、硬度的關(guān)系Table 4 Effect of cooling rate on microstructure and hardness

2.3 鋼板性能分析與評價(jià)

根據(jù)EN 10028-4：2017標(biāo)準(zhǔn)中對13MnNi6-3鋼板的規(guī)定，試制鋼板應(yīng)達(dá)到表5所示的力學(xué)性能要求.

表6為13MnNi6-3試制鋼板的拉伸性能.對比表5和表6中拉伸性能數(shù)據(jù)，本研究所試制的13MnNi6-3不同厚度的系列產(chǎn)品的拉伸性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)橫、縱向拉伸性能相差很小.

表5 鋼板的力學(xué)性能要求Table 5 Mechanical properties

表6 13MnNi6-3鋼板的拉伸性能Table 6 The tensile of 13MnNi6-3

本研究對10，20和38 mm厚鋼板進(jìn)行系列溫度沖擊試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果見表7.

表7 不同厚度鋼板不同部位取樣的系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果(晶狀斷面率)Table 7 Series temperature impact test results (crystal cross section rate)

由表7中可以看出，鋼板不同部位取樣(包括表層、1/4厚度及1/2厚度)的沖擊功均在200 J以上(溫度高于-60℃)，顯示鋼板具有優(yōu)良的低溫韌性.不同試驗(yàn)溫度下1/4厚度處試樣的沖擊功稍高于1/2厚度處.

由于鋼板在預(yù)制過程中會采用冷加工成形，這種工藝對鋼板的力學(xué)性能有一定的影響.為此，試制中包括了鋼板冷變形后沖擊性能研究，對38 mm厚鋼板進(jìn)行了應(yīng)變時(shí)效敏感性沖擊試驗(yàn).試樣橫向取樣，結(jié)果見表8.表8中的數(shù)據(jù)表明，該鋼板對應(yīng)變時(shí)效不敏感.

表8 38 mm鋼板應(yīng)變時(shí)效敏感性試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Test results of strain aging sensitivity of 38 mm steel plate

2.4 焊接接頭性能分析與評價(jià)

不同焊接條件下，10，20及38 mm厚度的13MnNi6-3鋼板焊接接頭各部位沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表9.從表中可以看出，采用SMAW和SAW方法焊接10，20及38 mm厚度的13MnNi6-3鋼板，各部位的低溫沖擊功大多滿足使用性能要求；對于有些結(jié)果接近或低于臨界值的焊接接頭，應(yīng)結(jié)合焊接工藝做進(jìn)一步研究和分析.

表9 13MnNi6-3鋼板焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 9 The impact test results of 13MnNi6-3 welded joints

兩種不同焊接方式下，10，20及38 mm厚度的13MnNi6-3鋼板焊接接頭硬度結(jié)果見表10.硬度值曲線、焊接接頭宏觀金相照片如圖5所示.其中，1號為10 mm厚度埋弧自動焊試樣；2號為10 mm厚度手工焊條電弧焊試樣；3號為20 mm厚度埋弧自動焊試樣，焊后進(jìn)行580 ℃保溫2 h熱處理；4號為20 mm厚度埋弧自動焊試樣.

表10 各位置硬度值Table 10 Hardness values of each position

圖5 焊接接頭宏觀的金相及離焊縫中心位置硬度分布圖Fig.5 Macroscopic metallographic distribution of welding joint and hardness distribution of off-weld center position(a)(b)—1號試樣; (c)(d)—2號試樣; (e)(f)—3號試樣; (g)(h)—4號試樣.

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用手工焊條電弧焊(SMAW)及埋弧自動焊(SAW)方法焊接10，20及38 mm厚度的13MnNi6-3鋼板，接頭的焊接質(zhì)量良好、綜合力學(xué)性能優(yōu)良.

3 結(jié) 論

(1)研究試制的13MnNi6-3鋼板產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于歐標(biāo)EN 10028-4：2017要求，產(chǎn)品成分均勻，性能穩(wěn)定.鋼板屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率分別為363～393，505～540 MPa和31.5%～36.5%，-60 ℃沖擊功不低于113 J，鋼板性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

(2)隨著應(yīng)變量從0增加到5%，鋼板沖擊性能有下降趨勢，但是鋼板-60 ℃沖擊功始終高于200 J，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求值且余量充足.

(3)通過合理的焊后熱處理，鋼板焊接接頭低溫韌性得到顯著改善，焊接接頭低溫韌性和硬度能滿足大型低溫丙烷罐的建造.

所研制鋼板于2014年和2018年先后成功應(yīng)用于福建和遼寧兩個(gè)項(xiàng)目中的1.0×105m3大型低溫丙烷儲罐建造；2019年開始廣東某項(xiàng)目使用同種材料建造1.2×105m3大型低溫丙烷儲罐，罐體已于2020年10月完成機(jī)械竣工，現(xiàn)場各項(xiàng)試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)良好，預(yù)計(jì)2021年6月份進(jìn)料投入使用.