CN106086642A - 一种200mm厚抗氢致开裂压力容器钢板及其制造方法 - Google Patents

一种200mm厚抗氢致开裂压力容器钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种200mm厚抗氢致开裂压力容器钢板，该钢板的化学成分按重量百分比计为C0.15～0.20%，Si0.20～0.40%，Mn1.05～1.20%，P≤0.006%，S≤0.001%，Cr0.15～0.25%，Ni0.15～0.35%，Nb≤0.01%，V≤0.01%，Ti≤0.01%，B≤0.0005%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。采用模铸扁锭生产，路线：电炉→LF精炼→VD精炼→模铸→钢锭缓冷→钢锭加热→钢锭轧制→钢板缓冷→探伤→正火+水加速冷却→回火→精整→检验→入库。钢板具有匹配良好的力学性能和优异的抗氢致开裂性能，在高温长时间模拟焊后热处理后，钢板的强度和低温冲击韧性不明显减弱。

Description

一种200mm厚抗氢致开裂压力容器钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于钢板制造领域，具体涉及一种厚度为200mm的SA516Gr70(HIC)抗氢致开裂压力容器钢板及其制造方法。
背景技术
SA516Gr70(HIC)钢板是石化行业湿硫化氢（含有气相或溶解在液相水中，不论是否有氢气存在的酸性工艺环境）环境使用的主要金属材料。氢致开裂(HIC)是湿硫化氢环境造成设备破坏的主要形式之一。压力容器一旦失效，将造成巨大的经济损失，也是当前采油、炼油、化工、煤气生产中最为突出的腐蚀问题和技术难题之一，严重困扰着石化企业生产装置的安全运行。随着资源品质劣化和设备大型化的发展趋势，湿硫化氢环境用压力容器钢板的需求量逐年增大，且向大厚度、大单重、高性能方向发展，设计上需要钢板在更高温度和更长时间的模拟焊后热处理条件下，仍然具有良好的内部质量、力学性能和优异的抗氢致开裂（HIC）性能。
目前，国内公开报道的最大厚度抗氢致开裂钢板为舞阳钢厂生产的SA516Gr65(HIC) ，最大厚度为165mm。涉及湿硫化氢环境使用的抗氢致开裂压力容器钢的专利较少，公告号为CN102605242A 涉及一种“一种抗氢致开裂压力容器钢及其制造方法”，提供了一种抗氢致开裂压力容器钢板，通过Ni、Mo合金化以及后续正火+水加速冷却+回火热处理得到贝氏体组织，达到提高钢板强度，替代低强度级别抗氢致开裂钢板的目的，但钢板最大厚度只有130mm，仍然不能满足石化项目工程设备大型化的需求。目前200mm及以上厚度抗氢致开裂压力容器钢板仍然依赖进口。
基于以上原因，本申请提出了一种抗氢致开裂压力容器钢及其制造方法，钢板厚度为200mm，在高温长时间模拟焊后热处理后仍然具有良好的综合机械性能和优异的抗氢致开裂性能，适用于在湿硫化氢环境使用，该钢板成分设计和生产工艺简单，适合批量生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种200mm厚抗氢致开裂SA516Gr70(HIC)压力容器钢板，能够应用于湿H2S腐蚀环境使用的石油化工装置的制作，具有匹配良好的综合机械性能和优异的抗氢致开裂性能，在高温长时间模拟焊后热处理后，钢板的强度和低温冲击韧性不明显减弱，可以满足国内外大型石化工程项目的需要。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种200mm厚抗氢致开裂压力容器钢板，该钢板的化学成分按重量百分比计为C：0.15～0.20%，Si：0.20～0.40%，Mn：1.05～1.20%，P：≤0.006%，S：≤0.001%， Cr：0.15～0.25%，Ni：0.15～0.35%，Nb：≤0.01%，V：≤0.01%，Ti：≤0.01%，B：≤0.0005%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
本发明抗氢致开裂压力容器钢板按照NACE TM0284-2011《管道压力容器抗氢致开裂钢性能评价的实验方法》中的A溶液进行抗氢致开裂检验，单个检验截面的裂纹长度率（CLR）、裂纹宽度率（CTR）和裂纹敏感率（CSR）均为0，无氢鼓泡，即腐蚀后无缺陷。635±14℃×24h模拟焊后热处理后检验力学性能，可以满足屈服强度≥320Mpa，抗拉强度≥520Mpa，心部-29℃横向夏比冲击功单值≥150J，Z向拉伸断面收缩率≥35%，钢板表面布氏硬度≤200HB。
本发明200mm抗氢致开裂压力容器钢板的化学成分是这样确定的:
本发明钢板的主要化学成分采用C、Si、Mn、Ni、Cr合金化组合成分设计，尽量降低S、P含量，不有意添加Cu、Mo、Nb、V、Ti、B等合金元素。
C能够显著提高钢板的强度和硬度，但随着碳含量的增加容易出现碳化物偏析，造成偏析区硬度与周围组织出现差异，导致HIC腐蚀。Mn通过固溶强化提高钢的强度，但Mn添加到1.05%以上时，可提高开裂敏感性，然而通过正火+水加速冷却、回火处理可消除其不良影响。Si主要作为炼钢时的还原剂和脱氧剂使用，有一定的固溶强化作用，同时Si元素易偏析于晶粒边界，助长晶间裂纹的产生；虽然随着C、Mn、Si含量增加，会提高HIC的敏感性，但作为主要强化元素，其含量仍然要在允许范围内尽量按上限控制。本申请成分控制范围：C：0.15～0.20%，Si：0.20～0.40%，Mn：1.05～1.20%，其不利影响通过后续热处理进行消除。
Cr是提高淬透性元素，可以显著提高钢的强度，但含量过高会提高脆性转变温度，本申请Cr含量控制范围为0.15-0.25%；Ni在钢中主要起固溶强化作用，同时可以提高韧性，本申请Ni含量控制范围为0.15-0.35%；P、S是有害元素，随钢中S含量升高，在H2S中浸泡时进入钢中的氢量也升高，从而产生HIC的敏感性也升高。当P含量很低时，裂纹能在MnS上形核，但尺寸很小，不能被测出，但如P高（如P=0.4%），则即使S很低（S=0.001%），裂纹也能在氧化物夹杂以及晶界上形核并扩展。因此，本申请应尽可能降低钢中S、P含量。
本发明另一目的是提供上述抗氢致开裂压力容器钢板的制造方法，具体如下：采用45吨模铸扁锭生产，其工艺路线：电炉→LF精炼→VD精炼→模铸→钢锭缓冷→钢锭加热→钢锭轧制→钢板缓冷→探伤→正火+水加速冷却→回火→精整→检验→入库。
1）冶炼工艺
冶炼原料选用自产废钢和优质生铁，电炉冶炼和LF精炼炼工序结束后均进行扒渣处理，严格控制S≤0.001%，P≤0.006%，A类、B类、C类、D类和Ds非金属夹杂物类单项≤1.0级，其总和≤3.5级；采用低过热度氩气保护浇注，浇注时钢水过热度控制在25～35℃。钢锭脱模后入坑缓冷48小时以上，确保钢中的氢充分扩散。
2）加热、轧制工艺
钢锭采用均热炉加热，总加热时间≥30h，预热段温度为600～650℃，保温时间2-4h；然后以不大于80℃/h速度升温至第一保温段，第一保温段温度为800～850℃，保温时间4-6h后，再以不大于80℃/h速度升温至第二保温段（均热段）；第二保温段温度为1260～1280℃，保温时间为14-16h。
采用“高温大压下”轧制工艺，开轧温度为1150-1200℃，为了变形充分渗透到钢锭心部，纵轧道次至少有2个道次的单道次压下量≥50mm；为了防止混晶，单道次压下率≥6%，终轧温度控制在900～950℃，钢板下线后堆垛缓冷72小时以上，充分扩氢。
3） 热处理工艺
采用正火+水加速冷却+回火工艺，正火加热温度为890～910℃，保温时间系数：2.0～2.5min/mm，水冷，使钢板表面冷却至500-600℃；为了防止模拟焊后热处理后钢板强度大幅度下降，本发明钢板回火温度不低于模拟焊后热处理温度，回火：回火温度640～660℃，保温时间系数：3.5～4.5min/mm。
正火+水加速冷却，是将钢板加热到Ac3以上30-50℃进行奥氏体化，并保温一定时间后通过层流水快速冷却，使钢板表面冷却至500-600℃，然后在静止空气中冷却的工艺过程。该工艺可以降低相变温度，细化晶粒，减少带状组织，抑制合金元素碳氮化物长大粗化，使其低温弥散析出，从而提高强度并且保持钢板韧性不明显下降。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明涉及一种SA516Gr70(HIC)抗氢致开裂压力容器钢板，厚度为200mm，该钢板具有匹配良好的综合机械性能和优异的抗氢致开裂性能，在高温长时间模拟焊后热处理后，钢板的强度和低温冲击韧性不明显减弱。钢板按照NACE TM0284-2011《管道压力容器抗氢致开裂钢性能评价的实验方法》中的A溶液进行抗氢致开裂检验，单个检验截面的裂纹长度率（CLR）、裂纹宽度率（CTR）和裂纹敏感率（CSR）均为0，无氢鼓泡，即腐蚀后无缺陷。635±14℃×24h模拟焊后热处理后检验力学性能，可以满足屈服强度≥320Mpa，抗拉强度≥520Mpa，心部-29℃横向夏比冲击功单值≥150J，Z向拉伸断面收缩率≥35%，钢板表面布氏硬度≤200HB。
为了实现上述目的，本发明采用钢锭生产，通过提高钢水纯净度和钢板内部质量等手段，降低氢致开裂敏感性。
钢板采用C、Si、Mn、Ni、Cr合金化组合成分设计，尽量降低S、P含量，不有意添加Cu、Mo、Nb、V、Ti、B等合金元素，通过降低S、P、H、O、N元素含量，提高钢水的纯净度，降低钢板氢致开裂的敏感性。
钢锭采用均热炉加热，通过延长均热段保温时间可使偏析充分扩散，通过高温轧制阶段的高温大压下轧制工艺，可以有效将疏松缺陷充分压合，提高钢板内部质量。
本发明钢板的热处理工艺采用正火+水加速冷却+回火工艺，可以降低相变温度，细化晶粒，减少带状组织，抑制合金元素碳氮化物长大粗化，使其低温弥散析出，从而提高强度并且保持钢板韧性不明显下降。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例的抗氢致开裂压力容器钢板的厚度为200mm，其化学成分按重量百分比计为：C：0.18%，Si：0.30%，Mn：1.17%，P：0.003%，S：0.0005%， H：0.00006%，O：0.0012%，N：0.0040%，Cr：0.20%，Ni：0.25%，Nb：0.005%，V：0.003%，Ti：≤0.002%，B：≤0.0001%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
该钢板的制造工艺为如下：
1）冶炼工艺
冶炼原料选用自产废钢和优质生铁，电炉冶炼和LF冶炼后均进行扒渣处理，严格控制S≤0.001%，P≤0.006%，A类、B类、C类、D类和Ds非金属夹杂物类单项≤1.0级，其总和≤3.5级；采用低过热度氩气保护浇注，钢水浇注时过热度为32℃。钢锭脱模后入坑缓冷48小时以上，确保钢中的氢充分扩散。
2）加热、轧制工艺
钢锭采用均热炉加热，预热段温度为620℃，保温时间3h；第一保温段温度为820℃，保温时间5h，升温速度为60℃/h；均热段温度为1270℃，保温时间为16h，升温速度为60℃/h；总加热时间为35h。
采用“高温大压下”轧制工艺，开轧温度为1180℃，纵轧道次2个道次的单道次压下量≥50mm，压下量分别为55mm、55mm；单道次压下率最小为6.2%，终轧温度为920℃，钢板下线后堆垛缓冷72小时以上，充分扩氢。
3） 热处理工艺
采用正火+水加速冷却+回火工艺，正火加热温度为900℃，保温时间系数：2.2min/mm，水冷，使钢板表面冷却至500-600℃；为了防止模拟焊后热处理后钢板强度大幅度下降，本发明钢板回火温度不低于模拟焊后热处理温度，回火：回火温度650℃，保温时间系数：4.0min/mm。
经由上述制造工艺制得的200mm厚的抗氢致开裂压力容器钢板具有匹配良好的综合机械性能和优异的抗氢致开裂性能，其机械性能详见表1，抗氢致开裂性能见表4。
实施例2
本实施例的抗氢致开裂压力容器钢板的厚度为200mm，其化学成分按重量百分比计为：C：0.18%，Si：0.28%，Mn：1.18%，P：0.004%，S：0.0006%， H：0.00006%，O：0.0013%，N：0.0042%，Cr：0.21%，Ni：0.28%，Nb：≤0.006%，V：≤0.004%，Ti：≤0.003%，B：≤0.0001%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
该钢板的制造工艺为：
1）冶炼工艺
冶炼原料选用自产废钢和优质生铁，电炉冶炼和LF冶炼后均进行扒渣处理，严格控制S≤0.001%，P≤0.006%，A类、B类、C类、D类和Ds非金属夹杂物类单项≤1.0级，其总和≤3.5级；采用低过热度氩气保护浇注，钢水浇注时过热度为30℃。钢锭脱模后入坑缓冷48小时以上，确保钢中的氢充分扩散。
2）加热、轧制工艺
钢锭采用均热炉加热，预热段温度为630℃，保温时间4h；第一保温段温度为830℃，保温时间6h，升温速度为70℃/h；均热段温度为1260℃，保温时间为15h，升温速度为80℃/h；总加热时间为33h。
采用“高温大压下”轧制工艺，开轧温度为1170℃，纵轧道次2个道次的单道次压下量≥50mm，压下量分别为52mm、55mm；单道次压下率最小为6.1%，终轧温度为910℃，钢板下线后堆垛缓冷72小时以上，充分扩氢。
3） 热处理工艺
采用正火+水加速冷却+回火工艺，正火加热温度为900℃，保温时间系数：2.3min/mm，水冷，使钢板表面冷却至500-600℃；为了防止模拟焊后热处理后钢板强度大幅度下降，本发明钢板回火温度不低于模拟焊后热处理温度，回火：回火温度645℃，保温时间系数：4.2min/mm。
经由上述制造工艺制得的200mm厚的抗氢致开裂压力容器钢板具有匹配良好的综合机械性能和优异的抗氢致开裂性能，其机械性能详见表2，抗氢致开裂性能见表4。
实施例3
本实施例的抗氢致开裂压力容器钢板的厚度为200mm，其化学成分按重量百分比计为：C：0.18%，Si：0.26%，Mn：1.16%，P：0.005%，S：0.0007%， H：0.00005%，O：0.0010%，N：0.0038%，Cr：0.22%，Ni：30%，Nb：≤0.006%，V：≤0.004%，Ti：≤0.002%，B：≤0.0003%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
该钢板的制造工艺为如下：
1）冶炼工艺
冶炼原料选用自产废钢和优质生铁，电炉冶炼和LF冶炼后均进行扒渣处理，严格控制S≤0.001%，P≤0.006%，A类、B类、C类、D类和Ds非金属夹杂物类单项≤1.0级，其总和≤3.5级；采用低过热度氩气保护浇注，钢水浇注时过热度为30℃。钢锭脱模后入坑缓冷48小时以上，确保钢中的氢充分扩散。
2）加热、轧制工艺
钢锭采用均热炉加热，预热段温度为620℃，保温时间2.5h；第一保温段温度为840℃，保温时间5h，升温速度为60℃/h；均热段温度为1260℃，保温时间为16h，升温速度为80℃/h；总加热时间为32.5h。
采用“高温大压下”轧制工艺，开轧温度为1175℃，纵轧道次2个道次的单道次压下量≥50mm，压下量分别为55mm、58mm；单道次压下率最小为6.2%，终轧温度为925℃，钢板下线后堆垛缓冷72小时以上，充分扩氢。
3） 热处理工艺
采用正火+水加速冷却+回火工艺，正火加热温度为910℃，保温时间系数：2.2min/mm，水冷，使钢板表面冷却至500-600℃；为了防止模拟焊后热处理后钢板强度大幅度下降，本发明钢板回火温度不低于模拟焊后热处理温度，回火：回火温度655℃，保温时间系数：3.8min/mm。
经由上述制造工艺制得的200mm厚的抗氢致开裂压力容器钢板具有匹配良好的综合机械性能和优异的抗氢致开裂性能，其机械性能详见表3，抗氢致开裂性能见表4。
表1 实施例1所生产的钢板的机械性能
注：模拟焊后热处理：635±14℃×24h。模拟（正火+水加速冷却）+模拟回火工艺制度与钢板热处理工艺参数相同。
表2实施例2所生产的钢板的机械性能
注：模拟焊后热处理：635±14℃×24h。模拟（正火+水加速冷却）+模拟回火工艺制度与钢板热处理工艺参数相同。
表3 实施例3所生产的钢板的机械性能
注：模拟焊后热处理：635±14℃×24h。模拟（正火+水加速冷却）+模拟回火工艺制度与钢板热处理工艺参数相同。
表4 各实施例所生产的钢板的抗氢致开裂（HIC）性能

Claims (2)

1.一种200mm厚抗氢致开裂压力容器钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按重量百分比计为C：0.15～0.20%，Si：0.20～0.40%，Mn：1.05～1.20%，P：≤0.006%，S：≤0.001%， Cr：0.15～0.25%，Ni：0.15～0.35%，Nb：≤0.01%，V：≤0.01%，Ti：≤0.01%，B：≤0.0005%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
2.一种制造如权利要求1所述200mm厚抗氢致开裂压力容器钢板的方法，其特征在于：工艺步骤如下：
采用模铸扁锭生产，其工艺路线：电炉→LF精炼→VD精炼→模铸→钢锭缓冷→钢锭加热→钢锭轧制→钢板缓冷→探伤→正火+水加速冷却→回火→精整→检验→入库；
主要工序的具体操作如下，
1）冶炼工艺
电炉冶炼和LF精炼炼工序结束后均进行扒渣处理，严格控制S≤0.001%，P≤0.006%，A类、B类、C类、D类和Ds非金属夹杂物类单项≤1.0级，其总和≤3.5级；采用低过热度氩气保护浇注，钢锭脱模后入坑缓冷48小时以上，确保钢中的氢充分扩散；
2）加热、轧制工艺
钢锭采用均热炉加热，总加热时间≥30h，预热段温度为600～650℃，保温时间2-4h；然后以不大于80℃/h速度升温至第一保温段，第一保温段温度为800～850℃，保温时间4-6h后，再以不大于80℃/h速度升温至第二保温段即均热段；第二保温段温度为1260～1280℃，保温时间为14-16h；
采用“高温大压下”轧制工艺，开轧温度为1150-1200℃，为了变形充分渗透到钢锭心部，纵轧道次至少有2个道次的单道次压下量≥50mm；为了防止混晶，单道次压下率≥6%，终轧温度控制在900～950℃，钢板下线后堆垛缓冷72小时以上，充分扩氢；
3） 热处理工艺
采用正火+水加速冷却+回火工艺，正火加热温度为890～910℃，保温时间系数：2.0～2.5min/mm，水冷，使钢板表面冷却至500-600℃；回火：回火温度640～660℃，钢板回火温度不低于模拟焊后热处理温度，保温时间系数：3.5～4.5min/mm。
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