压力容器与压力钢管使用厚钢板情况分析 A:压力容器用钢 容器钢板一般用来制造石油化工行业的球罐、油气储罐和各种化工容器,为厚板钢中一大类专用高附加值产品。优质容器钢板的生产需要有纯净的钢水条...
压力容器与压力钢管使用厚钢板情况分析
A:压力容器用钢
容器钢板一般用来制造石油化工行业的球罐、油气储罐和各种化工容器,为厚板钢中一大类专用高附加值产品。优质容器钢板的生产需要有纯净的钢水条件、非金属夹杂物的合理形状及分布、现代化的热处理炉和手段齐全的在线和离线检测仪表等。国内使用量最广泛的容器板是16Mn 系列和15MnV 系列。- 70～ – 20 ℃的低温压力容器钢板国内已经可以自给,但- 80 ℃或更低温度的容器板基本上还需依赖进口。
2. 1 0. 5Ni 钢
“七五”期间由武钢研制的含0. 5 %Ni 低温钢命名为09MnNiDR ,最低使用温度为- 70 ℃,抗拉强度为440 N/ mm2 级,交货状态为正火或正火加回火,显微组织为铁素体加珠光体,是我国- 70～- 40 ℃低温容器板的首选钢种,其典型实物性能指标[1 ]见表1。
09MnNiDR 低温钢已得到广泛应用,如设计温度为- 28 ℃的30 万t 合成氨装置的氨分离器和
高压氮气储罐,设计温度为- 65～ – 60 ℃的乙烯低温储罐,设计温度为- 50 ℃的CO2 低温储罐,设计温度为- 40 ℃的7 396 m3 液氨储罐等。
表1 09MnNiDR钢板的力学性能
Table 1 Mechanical property of plate 09MnNiDR
厂家板厚,mm σs ,N/ mm2 σb ,N/ mm2 δ, % – 70 ℃Akv ,J 180°冷弯d = 2 a
A 厂36 415 515 32 176 ,180 ,193 完好
B 厂36 415 560 28 193 ,212 ,233 完好
2. 2 3. 5Ni 钢
含3. 5 %Ni 钢是含Ni 系列低温钢的一种,广泛应用于- 101～ – 80 ℃低温容器(调质态的最
低使用温度可到- 110 ℃ ) 。代表牌号有SA203Gr. D、Gr. E、Gr. F、SL3N255、SL3N275、
SL3N440、10Ni14 等。国内某厂曾研制过3. 5Ni钢,但实物水平和国外差距很大,尚不能批量生产。进口SA203 Gr.D、Gr. F 钢板的实物质量[2 ]见表2。自20世纪80年代后期起,我国以大型乙烯、
表2 SA203 Gr. D、Gr. F 钢板的实物质量
Table 2 Quality of plates SA203 Gr. D and Gr. F
牌号厚度,mm σs ,N/ mm2 σb ,N/ mm2 δ, % – 101 ℃Akv ,J P , ×10 – 4 % S , ×10 – 4 %
SA203 Gr. D 12 454 545 23 356 ,356 ,356 40 5
SA203 Gr. F 90 488 581 30 155 ,185 ,151 60 10
合成氨及城市煤气装置中的低温设备国产化为目的,合肥工业大学、合肥通用机械研究所等单位对3. 5Ni 钢作了详细的应用研究,解决了3. 5Ni 钢焊接接头低温韧性低的难题,研制出了3. 5Ni 钢焊条,并制造出- 101 ℃低温下运行的脱甲烷氢塔[3 ] 。进口3. 5Ni 钢在我国化肥、乙烯等工业的低温容器中得到了广泛应用,常用厚度在25 mm
以下。
2. 3 9Ni 钢
含9 %Ni 钢也是含Ni 系列低温钢中的一种,最低使用温度为- 196 ℃,因其强度高,低温韧性
优异,成本比Cr – Ni 不锈钢便宜而逐渐被采用。主要牌号有SA353、SA553 Type Ⅰ、SA844、SL9N520、SL9N590、BS1501 – 510 – LT196、X8Ni9等。该钢种国内尚不能生产。X8Ni9 钢板的实绩成分[4 ]见表3。
表3 X8Ni9 钢实绩成分
Table 3 Chemical composition of plate X8Ni9 %
牌号C Si Mn P S Cr Ni
X8Ni9 0. 048 0. 242 0. 525 0. 006 0. 009 0. 10 8. 84
从上世纪80 年代开始,在燕山石化、大庆石化、扬子石化等地建设了多台9 %Ni 钢乙烯储罐,选用材质为X8Ni9、BS1501 – 510 – LT196 和A353 ,厚度为8. 4～33 mm。经过上述储罐的建设,在焊条选择、焊接裂纹的防止、低温韧性降低的控制、母材磁化引起的磁偏吹、焊缝缺陷的X 光辨认等方面取得了许多经验。
2. 4 CF – 62 钢
CF – 62 钢是由日本首先开发成功的一种σs不小于490 N/ mm2 、σb 不小于610 N/ mm2 的焊接无裂纹(Crack – Free) 调质钢,其特点是碳含量低( ≤0. 09 %) ,采用Cr – Mo – V – B – Ni – Cu 合金体系,碳当量(Ceq) 和焊接裂纹敏感性系数低(Pcm< 0. 20 %) ,不预热或稍加预热就可进行焊接。进口CF – 62 钢板的实物性能[5 ]见表4。20 世纪80 年代中期,武钢研制成功CF – 62钢(武钢牌号为WDL610) ,至2000 年,武钢已生产近4 万t 钢板。上世纪90 年代以前, 我国朱 岩等 国内压力容器和压力钢管用厚钢板使用情况分析451 000 m3 以上大型乙烯球罐由于无合适钢种可选,一般都是整体引进钢瓣片,国内安装。1995年,大庆石化用武钢产07MnNiCrMoVDR 钢板制造了壁厚44 mm 的1 500 m3 乙烯低温球罐,使我国具备了2 000 m3 以下乙烯球罐钢国产化的能力。采用武钢的CF – 62 钢板已成功建造了70 多台公称容积50～2 000 m3 的氧气、氮气、LPG、丙烯、乙烯球罐及大型浮顶式原油储罐等。
表4 进口CF – 62 钢板的实物质量
Table 4 Quality of imported plate CF – 62
牌号板厚,mm σs ,N/ mm2 σb ,N/ mm2 δ, % – 15 ℃Akv ,J Ceq , % Pcm , %
NK- HITEN610U 30 603 649 47 349 ,354 ,354 0. 34 0. 15
我国也从日本五大钢铁公司引进了大量CF- 62 钢板,建造了一大批天然气和液化石油气储罐。进口板板宽大,能制造容积2 000 m3 以上的储罐,如大连石化建设的2 台8 000 m3 液化石油气球罐, 采用的最大板幅尺寸为3 246 mm ×11 036 mm。采用宽幅球壳板还能减少焊缝长度,如上海高桥石化公司上海炼油厂4 台2 000 m3 液化石油气球罐,由于采用大瓣片高强钢压片的技术路线,最大板幅尺寸为3 350 mm ×10 700 mm ,焊缝长度分别比采用最大板幅为2 100 mm ×6 500 mm和2 500 mm ×8 500 mm 的球罐少45 %
和28 %[6 ] 。
2. 5 RIVER ACE60L、N- TUF490、LT – 50RIVER ACE60L 、N – TUF490 和LT – 50 分别
是川铁、新日铁和日本焊接协会(WES) 的σs ≥490 N/ mm2 调质低温板牌号,这三个钢种特点是低温韧性好,但碳含量比CF – 62 钢稍高。我国采用这三个钢种在燕山石化、扬子石化、金山石化、齐鲁石化、新疆独山子、中原乙烯、吉林化工、大庆石化、抚顺乙烯等工程中建造了一大批乙烯球罐,其板厚大多在30～45 mm 之间。
2. 6 SPV490Q
SPV490Q 是日本J IS 标准中σs ≥490 N/ mm2的调质容器板,与CF – 62、RIVER ACE60L、N –
TUF490 和LT – 50 钢种同属一个强度等级,但其Pcm比前者高,焊接性稍差;其低温冲击韧性比后三者差,通常适合常温容器(温度≥- 15 ℃) ,进口板实物质量[7 ]见表5。
表5 进口SPV490Q实物质量
Table 5 Quality of imported plate SPV490Q
板厚,mm σs ,N/ mm2 σb ,N/ mm2 δ, % – 15 ℃Akv ,J P , % S , % Ceq , % Pcm , %
12 596 659 33 183 0. 007 0. 003 0. 40 0. 22
我国采用日本产SPV490Q 钢板建造了一大批10 万m3 及以上级的大型浮顶储油罐。用
SPV490Q 钢板还建造了LPG罐、氯乙烯球罐、丙烯球罐等。
3 水电站压力钢管和蜗壳用钢
水电站引水压力钢管和蜗壳承受巨大的水压头,属压力容器结构,对材料、设计方法和焊接工
艺等有不同于一般水工建筑物的特殊要求。压力钢管、蜗壳制造一般选用压力容器钢板焊接。下面介绍国内几个大型水电站的典型用钢情况。
3. 1 三峡工程
三峡二期工程电站共有14 条压力钢管,下弯段以上采用国产16MnR 钢板,厚度26～34 mm ,宝钢股份与浦钢合作,曾供应了部分钢板。下弯段、厂内段及蜗壳采用日本NKK 生产的NK –
HITEN610U2 和住友金属生产的SUMITEN610F 钢板,厚度为46 mm、60 和70mm ,NK-HITEN610U2
的实物质量[8 ]见表6。
3. 2 二滩电站
二滩水电站引水钢管共6 条,下弯段及下平段为内衬钢管,钢管材质为ASTMA537 Cl . 1 ,壁厚为28～52 mm。蜗壳为钢板分节焊接结构,1 号至5 号机为WEL – TEN610CF 钢板, 厚度为30 ～65 mm ,6 号机为ASTM A543 Ty. B Cl . 2 (Ni – Cr -Mo调质合金钢,抗拉强度800N/ mm2级) 钢材,厚
表6 NK- HITEN610U2 实物质量
Table 6 Quality of plate NK- HITEN610U2
板厚,mm σs ,N/ mm2 σb ,N/ mm2 δ, % – 40 ℃Akv ,J P , % S , % Ceq , % Pcm , %
34 576 664 24. 3 331 ,320 ,330 < 0. 006 < 0. 005 0. 35 0. 185
60 534 635 25. 6 324 ,311 ,334
度为22. 5～67 mm。
3. 3 小浪底水电站
小浪底工程共有6 条地下埋藏式压力钢管,钢种为ASTM A537 Cl . 1 和ASTM A517 Gr. F(调质合金钢,抗拉强度800 N/ mm2 级) ,厚度为20～34 mm。A517 Gr. F 全部用于压力钢管下平段,厚度为32 mm 和34 mm。
3. 4 西藏羊湖抽水蓄能电站
压力钢管壁厚为14～60 mm ,岔管最大肋板厚度为150 mm ,采用NKK产的NK- HITEN610U、
NK- HITEN610U – M、NK- HITEN610 高强度调质钢板占总重的61. 65 %。
3. 5 十三陵抽水蓄能电站
压力钢管采用了日本产SHY685NS 低碳调质高强钢(抗拉强度780 N/ mm2 级) 和SM570Q 钢
板,SHY685NS 钢板厚度为32 ～ 52 mm , 实物性能[9 ]见表7。
表7 SHY685NS 实物质量
Table 7 Quality of plate SHY685NS
σs ,N/ mm2 σb ,N/ mm2 δ, % – 40 ℃Akv ,J P , % S , % Ceq , %
811 847 21 161 0. 009 0. 004 0. 47
4 压力容器和压力钢管用钢的发展趋势
随着中国石油化工行业的飞跃发展、西气东输工程的开工建设和国家储备油基地的建设,油
气加工和储运工程得到了蓬勃发展,我国需要建设一大批乙烯罐、LPG罐、LNG罐、油罐等各类容器,同时压力容器正向着大型化、高参数方向发展,这就给钢板制造商的发展提供了机遇,同时也提出了更高的要求。我国开发了一批高性能钢板用于容器建设,同时也引进了大量高性能钢板,在应用研究领域做了很多工作,解决了高性能钢板的成型、焊接等使用难题。如何高起点开发钢种,找准切入点,以替代进口是我们面临的一个问题。σs ≥490 N/ mm2 的调质高强度低合金板是容器大型化的关键之一,且应用非常广泛,国内又急需,应作为开发重点。虽然国内生产的钢板实物质量并不比进口板差,但生产能力和规格尺寸并不能满足需求。由于大型容器的焊缝长度相当长,焊接工作量大,采用大规格(如钢板宽度4 000 mm左右) 和大单重钢板可减少焊缝,提高容器的安全性,能提高钢板的利用率和减少钢板数量。建设5000 mm 轧机和现代化的无氧化辊底炉及淬火机,生产宽板调质钢将具有无可比拟的优势。容器用σs ≥490 N/ mm2 的调质板可优先开发SPV490Q 和CF – 62 ( – 20 ℃和- 40 ℃韧性等级) 钢种,以满足用户的需要。容器大型化的一个要求是采用低温和超低温钢板。低温容器(如LNG、LPG、乙烯容器等) 内压力低,适合于建造大型、超大型容器,同时容器的安全性也高,现在国内已意识到应当加快低温储罐的建设进程。国内现能生产- 70 ℃正火型容器钢板,但更低温度(到- 196 ℃) 的钢板尚无批量供货能力。建议宝钢开展- 70 ℃～ – 196 ℃系列含Ni 系列低温用钢板的基础研究和中试研究,优先在- 70 ℃～ – 110 ℃用钢范围内开展工作,以尽快填补国内低温用钢的空白。容器大型化的另一个要求是采用高强度钢板,采用高强度钢板可减小壁厚,取消球罐焊后的整体热处理。国内球罐用钢的最大强度为HT60级(CF – 62) ,而日本和美国的容器板强度可到国内压力容器和压力钢管用厚钢板使用情况分析47HT80 级,甚至到HT100 级。采用需要指出的是,在强度提高的同时,又要求钢板的综合性能不得有明显的降低,否则会影响容器的安全性。容器的主要破坏形式为湿硫化氢和无水液氨环境所引起的开裂[10 ] 。目前一般认为湿硫化氢引起的开裂不仅有一般的应力腐蚀开裂(SCC) ,还有氢鼓泡(HB) 、氢诱导开裂(HIC) 与氢应力诱导氢致开裂(SOHIC) 等形式。这对钢材提出了合理成分设计、尽可能降低碳当量、钢质纯净化(S ≤0. 002 % ,P ≤0. 008 %) 、减少中心偏析和硫化物夹杂球化等要求。我国压力容器用钢的纯净度与国外相比有较大差距,应利用自身铁水条件好,予处理手段多,钢水精炼装置功能齐全,钢质纯净、连铸机具有轻压下功能、轧机压下能力大等的优势,开发抗硫化氢腐蚀用容器钢板。无水液氨环境用钢,国内一般采用A537 Cl . 1 和A516 Gr. 70等HT50 级钢种,而不宜采用高强度钢种。国内水电站一般采用16Mn 和15MnV 系列钢种,随着水电站参数的提高和高水头抽水蓄能电站的建设,压力钢管和蜗壳建设大量采用了进口CF – 62 钢板和部分抗拉强度为80 公斤级的调质钢板。在日本SM570Q 钢是水电站成熟应用的钢
种,HT80 钢种也已得到广泛应用,NKK开发了板厚到200 mm 的HT80 钢、板厚到120 mm 的抗拉强度HT100 钢、住友金属开发了板厚到200 mm的HT100 钢、川铁和新日铁也已开发成功HT100钢的特厚板用于水电站压力钢管,国内和日本的钢板生产水平尚有较大差距,建议宝钢先从HT80钢的开发起步,逐步减小和发达国家的差距。
5 结语
国内压力容器行业的用钢水平较高,各类高性能钢板都有使用实绩; 水电行业用钢也已到
HT80 级水平。建议宝钢在压力容器和水电站用钢方面优先开发σs ≥490 N/ mm2 的调质容器钢板、低温容器钢板、抗硫化氢腐蚀用容器钢板和HT80 级高强度钢板,以缩短和钢铁发达国家钢板生产的差距。
