35RZ58.610MPa级大型石油储罐用高强度钢板的开发-RAL肖桂枝.pdf

2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 198 610MPa 级大型石油储罐用高强度钢板的开发 肖桂枝 1，邸洪双1，朱伏先1，金 茹2，姜中行2 1. 东北大学轧制技术及连扎自动化国家重点实验室 沈阳；2. 首钢技术研究院，北京 摘摘 要要本文简要介绍了大型原油储罐用高强钢的开发研究过程。对不同成分试验钢进行常规力学性能实验和冲击 实验，并分析了其组织结构和断口形貌。最终确定大型原油储罐用高强钢板的化学成分，在此基础上建议采用 TMCP 和离线调质处理两种工艺来生产大型原油储罐用高强度钢板。 关键词关键词石油储罐；高强度钢；调质处理；力学性能 Development of 610MPa Grade High Strength Steel Plate for Oil Storage Tank XIAO Guizhi1，DI Hongshuang 1，ZHU Fuxian1， JIN Ru2，JIANG Zhonghang2 1. The State Key Lab of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang； 2. Shougang Institute of Technology, Beijing AbstractThe development history of high strength steel plate for large crude oil storage tanks has been briefly described in this paper. The mechanical properties and impact properties of different testing steels are tested, and the microstructure and fracture appearance of testing steel are analyzed. According to the experimental results of testing steel, the reasonable chemical compositions of high strength steel plate for large crude oil storage tanks has been proposed. On the basis of the chemical compositions of 610MPa high strength steel plate has been successfully developed, that TMCP process and off-line thermal refining process can be adopted to product high strength steel plate for large crude oil storage tanks is suggested. Key words oil storage tank；high strength steel；quenching and tempering；mechanical properties 1 前言 为了保证我国能源安全， 国家从2004年3月正式启动建立国家石油战略储备基地。 一台10104m3 储油罐用钢总量约为 1948.5t，其中高强度钢板 789.4t，占单罐用钢总量的 40.5％。在 2004 年之前我 国建造 10104m3石油储罐所用的高强度钢板 90％以上都是进口， 为了解决目前石油储罐用高强度钢 板供货地和渠道单一的状况，国内多家钢铁企业都在致力于大型油罐用高强钢的研究。本文通过实 验室阶段化学成分设计、热轧试验工艺方案制定和离线调质热处理试验等，测试了试验钢板拉伸、 冲击性能并对其组织结构和断口形貌进行分析，取得了大量试验数据，确定了适合生产大型油罐用 高强钢板的化学成分和生产工艺，为该钢板的工业性试制奠定了基础。 2 石油储罐用高强度钢板的技术目标 表 1 高强度钢板化学成分（） Table1 Chemical composition of high strength steel plate（wt％） C Si Mn P S Ni Cr Mo V PCM ≤0.15 0.150.40 1.20～1.60 ≤0.025 ≤0.010 0.150.40 ≤0.30 ≤ 0.30 0.02～0.06 0.26 Pcm 为焊接裂纹敏感性组成，公式计算为PcmCSi/30Mn/20Cu/20Ni/60Cr/20Mo/15V/105B 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 199 钢板的化学成分、交货状态、力学性能和工艺性能应满足 GB/19189-2003压力容器用调质高 强度钢板要求。如表 1 和表 2 所示。 表 2 钢板的交货状态、力学性能和冷弯性能 Table 2 Condition of delivery，mechanical property and cold bend property of steel plate 冲击试验 交货状态 板厚/mm Rel/MPa Rm/Mpa A/ 温度/ Akv/J℃ 冷弯 （b＝za，180） 调质 12～60 ≥490 610～730≥17 －10 ≥57 －20 ≥54 d＝3a 3 试验材料和方法 3.1 化学成分确定 钢板的化学成分设计参考了国内外同类钢种化学成分，以 C-Si-Mn 系为合金化基础，辅之以 Mo、V、B、 Ni、Ti、Nb 等微合金元素，通过合理工艺制度，得到满足钢板力学性能的组织结构。 其中 V、Ti、Nb 具有细化晶粒、提高强韧性的作用；V、Mo 提高钢在高温下的热稳定性；而 Ni、 Mo、B 对钢的淬透性有利；而 Ti 所生成的 TiN 质点使钢在≥100kJ 的大线能量下也能表现出良好的 熔合线韧性[1,2]。 表 3 试验钢化学成分（％） Table3 Chemical composition of testing steel plate（％） 钢号 C Si Mn P S Ni Mo V Ti PCM 1 0.09 0.4 1.60 0.013 0.005 0.274 0.292 0.043 0.025 0.21 2 0.09 0.307 1.49 0.010 0.005 0.252 0.244 0.041 0.023 0.20 3.2 试验方法 采用 50kg 真空感应电炉进行冶炼，并浇铸成钢锭，对钢锭取样进行化学成分测定，结果如表 3 所示。将钢锭锻造成坯料后加热到 1200℃，保温 2h，使其充分奥氏体化后进行轧制试验。目前原油 储罐用高强钢板除了采用调质处理工艺生产外，国外也有采用 TMCP 工艺来生产如日本住友公司。 本文试验钢分别采用 TMCP 和离线调质处理两种工艺制度。TMCP 工艺采用奥氏体再结晶区和非再 结晶区两阶段轧制，精轧开轧温度小于 900℃，终轧温度 850℃，钢板终轧厚度为 16mm，轧后钢板 进行加速冷却，终轧温度在 650℃左右。采用离线调质处理是使合金化元素充分固溶、析出，并达 到有效的钢板强韧化目的。淬火处理后，钢板的金相组织为板条马氏体和少量贝氏体，高温回火处 理后的组织为回火马氏体。设定钢板淬火温度为 930℃，保温时间 30min，回火温度为 640℃，保温 时间为 40min。对处理后的试验钢板进行常规拉伸试验、冲击试验、组织结构和断口形貌观察。 4 试验结果与分析 4.1 试验钢板的拉伸实验结果 拉伸试验按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法将拉伸试样加工成标距为50mm，直 径为10mm的圆棒，在Instron拉伸实验机测定常规力学性能，其结果见表4。 表4 试验钢板的力学性能 Table 4 Mechanical properties of testing steel plate 钢号 试样状态 屈服强度Re/MPa 抗拉强度Rm/MPa 断后延伸率A/ 屈强比 TMCP 540 520 540（533） 795 785 790（790） 18.1 18.0 17.4（17.8） 0.67 1 调质 845 840 845（843） 895 895 910（900） 18.6 19.4 18.3（18.8） 0.97 TMCP 550 555 560（555） 715 710 720（715） 25.0 23.3 24.4（24.2） 0.78 2 调质 545 555 530（543） 650 650 640（647） 25.8 23.9 26.7（25.5） 0.84 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 200 由表 4 看出，1 号钢采用 TMCP 工艺得到的屈服强度平均值为 533MPa，满足国家标准要求 ≥490MPa，但是抗拉强度在 785～795MPa 范围内，超出了国家标准要求的上限值 730MPa，并且断 后延伸率为 17.8％，虽然满足要求但是富裕量较小。 图 1 试验钢的金相组织 Fig.1Microstructure of testing steel 通过金相显微镜观察其组织（图 1a）为粒状贝氏体。粒状贝氏体是指在高位错密度的铁素体上 弥散分布有马氏体和残余奥氏体组成的小岛（通常称为 M-A 组织） 。由于粒状贝氏体本身为硬而脆 的高碳颗粒，它的形成使得钢获得较高的强度，而降低了钢的低温韧性[3]。因此为了使钢板获得良 好的力学性能，应当避免生成粒状贝氏体。在上贝氏体温区较高温度等温或缓慢冷却，往往是形成 粒状贝氏体的主要条件。另外，研究表明 Mn，Mo，Cr，B 等元素也促使粒状贝氏体的形成[4]。2 号 钢采用 TMCP 工艺得到组织为针状铁素体和贝氏体的复合组织（图 1c） ，针状铁素体具有良好的强 韧性配合[5]。 由表 4 看出 2 号钢采用 TMCP 工艺屈服强度在 550～560MPa 范围内， 抗拉强度在 710～ 720MPa 范围内，延伸率在 23.3～25.0％范围内，均满足国家标准要求，并且有一定的富裕量。采用 同样的 TMCP 工艺，2 号试验钢的抗拉强度低于 1 号钢，而屈服强度略高于 1 号钢，尤其是 2 号试 验钢的延伸率平均值为 24.2％，远远高于 1 号试验钢。从合金元素含量看，1 号试验钢的 Si、Mn、 Ni、Mo 的含量均高于 2 号试验钢，而前面提到 Mn，Mo 等元素促使粒状贝氏体的形成，这可能导 致 1 号试验钢在轧制过程中倾向于发生粒状贝氏体转变，由于粒状贝氏体的产生使得 1 号试验钢强 度过高，而塑性较差。 经过调质处理后组织为回火索氏体，回火索氏体具有较高的抗拉强度和屈服屈服强度，又具有 足够的塑性和韧性。1 号钢经过离线调质处理后组织为回火索氏体（图 1b） ，其屈服强度为 843MPa， 抗拉强度为 900MPa，延伸率为 18.8％，与采用 TMCP 工艺相比 1 号试验钢的各项性能均有所提高， 但是其抗拉强度和屈服强度远远超过了国家标准要求的上限值，强度的提高可能造成材料的可焊性 降低、冲击功下降，增加了油罐脆性破坏的机率。2 号钢经过调质处理后得到回火索氏体（图 1ｄ） 与采用 TMCP 工艺相比，除了抗拉强度有所下降，其他性能大致相同。 4.2 试验钢的冲击试验结果 试验按照GB/T4160－2004金属夏比冲击试验对试验钢板进行纵向和横向取样。将试样加工 成10 mm10 mm55 mm 的V型缺口夏比冲击试样。表5是-20℃试验钢的冲击试验结果。 表5 钢板冲击试验结果 Table 5 Impact properties of testing steel plate 夏比冲击性能AKV /J-20℃ 钢号 试样状态 横向 纵向 TMCP 83 87 92 （87） 97 99 101 99 1 调质 115 124 132（124） 124 137 133（131） TMCP 136 142 140（139） 146 151 163（153） 2 调质 192 223 219（211） 221 245 232（232） a b cd 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 201 图 2 试验钢的冲击断口扫描照片 Fig.2 Scanning electron micrographs of impact fracture of testing steel 由表5可以看出，两种试验钢板的横、纵向韧性无明显差别，并且纵向的韧性要优于横向。2号 钢采用TMCP工艺和离线调质处理工艺均具有优良的低温韧性，冲击功均在100J以上，2号试验钢的 横纵向冲击功甚至超过200J。并且两种试验钢采用离线调质处理工艺所获得的韧性均优于其采用 TMCP工艺的韧性。1号钢采用TMCP工艺其韧性较差，前面已提到这是由于粒状贝氏体降低了钢的 韧性。通过冲击断口扫描电镜照片图2可以看出1号钢冲击断口完全表现为河流状图2a、b，说明发 生脆性断裂；2号钢冲击断口表现为韧窝状（图2c、d），发生韧性断裂。 通过上述试验结果看出相同的工艺制度下 2 号试验钢的各项性能优于 1 号试验钢，合理的合金 成分设计和生产工艺配合能够得到综合性能良好的石油储罐用高强钢板。 5 结论 1 通过实验室研究，确定了 610MPa 大型石油储罐用高强钢的化学成分和生产工艺； 2 采用 TMCP 工艺轧制出的钢板组织为针状铁素体和少量贝氏体，综合性能良好满足 610MPa 级 储油罐高强钢的要求； 3 采用离线调质处理工艺轧制储油罐用高强钢板组织为回火索氏体，不仅具有较高的强度，而且 具有良好的韧性，其各项性能满足 610MPa 级储油罐高强钢的要求。 参考文献 [1] 章小浒，王正东，涂善东. 原油储罐用钢的开发与应用新进展[J]，压力容器，2005，23338－43. 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