高性能壓力容器用鋼板的開發(fā)與應(yīng)用

壓力容器廣泛運(yùn)用于石油化工設(shè)備、能源化工、電力工程、冶金工業(yè)、天然氣、電力能源等社會經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)及其航天工程、國防軍工等關(guān)鍵行業(yè)，其材料、設(shè)計(jì)方案、生產(chǎn)制造技術(shù)實(shí)力是體現(xiàn)一個(gè)國家高端裝備制造綜合實(shí)力的關(guān)鍵標(biāo)示。壓力容器用鋼板是壓力容器產(chǎn)品上五大類材料（包含鋼板、無縫鋼管、鋼鑄鋼件、圓鋼和電焊焊接材料）最為重要的材料，其總重占鋼質(zhì)壓力容器商品重量90%，年產(chǎn)值占生產(chǎn)總值的40%上下。壓力容器承受著持續(xù)高溫、髙壓、超低溫制氫、繁雜浸蝕等嚴(yán)苛情況，因而，做為壓力容器關(guān)鍵材料的壓力容器用鋼板必需要承受持續(xù)高溫、超低溫制氫、繁雜腐蝕環(huán)境等長期性運(yùn)作考評，必須比較高的技術(shù)要求和綜合性能。

1 壓力容器用鋼板的技術(shù)要求

壓力容器用鋼板應(yīng)當(dāng)符合TSG 21-2016上對建筑鋼材的技術(shù)要求。

1.1 冶煉廠方式

壓力容器受壓元件用鋼板，應(yīng)該是O2煉鋼爐或是加熱爐冶煉廠的低合金鋼。對規(guī)范抗拉強(qiáng)度下限制值超過540MPa的高合金鋼鋼板和馬氏體-430不銹鋼鋼板，以及用于設(shè)計(jì)方案溫度小于-20℃的超低溫鋼板，還應(yīng)當(dāng)采用爐外精煉加工工藝。

1.2 成分

用以焊接碳鋼和高合金鋼鋼板，其C≤0.25%、P≤0.035%、S≤0.035%。

壓力容器專用型鋼里的碳鋼和高合金鋼鋼板的成分如下所示：

1）規(guī)范抗拉強(qiáng)度下限制值≤540MPa的建筑鋼材，P≤0.030%、S≤0.020%；

2）規(guī)范抗拉強(qiáng)度下限制值>540MPa的建筑鋼材，P≤0.025%、S≤0.015%；

3）用以設(shè)計(jì)方案溫度小于-20℃而且規(guī)范抗拉強(qiáng)度下限制值≤540MPa的建筑鋼材，P≤0.025%、S≤0.012%；

4）用以設(shè)計(jì)方案溫度小于-20℃而且規(guī)范抗拉強(qiáng)度下限制值>540MPa的建筑鋼材，P≤0.020%、S≤0.010%。

1.3物理性能

1.3.1沖擊性吸取能量

薄厚≥6mm的鋼板，依照設(shè)計(jì)要點(diǎn)的應(yīng)力測試溫度中的V型空缺試件沖擊性吸取能量（KV2）指標(biāo)值必須符合表1的相關(guān)規(guī)定。

1.3.2斷后伸長率

焊接件用碳鋼、低合金高強(qiáng)度鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼低溫鋼鋼板，其斷后伸長率指標(biāo)值應(yīng)當(dāng)符合表2的相關(guān)規(guī)定；壓力容器受壓元件用鋼板的斷后伸長率指標(biāo)值還應(yīng)當(dāng)符合相對應(yīng)鋼板標(biāo)準(zhǔn)化的要求；采用不同規(guī)格試樣的斷后伸長率指標(biāo)值，理應(yīng)按照GB/T 17600.1《鋼的伸長率換算 第1部分：碳素鋼和低合金鋼》和GB/T 17600.2《鋼的伸長率換算 第2部分：奧氏體鋼》開展計(jì)算，計(jì)算后指標(biāo)值合乎斷后伸長率的相關(guān)規(guī)定。

1.4 鋼板超聲波檢測

1.4.1檢驗(yàn)規(guī)定

薄厚≥12mm的碳鋼和高合金鋼鋼板（不包含雙層壓力容器的多層板）用于制造壓力容器關(guān)鍵受壓元件時(shí)，對符合以下條件之一的，理應(yīng)逐張開展超聲波檢測：

1）盛放毒副作用傷害程度為極其、相對高度傷害介質(zhì)壓力容器用鋼板；

2）在濕H2S腐蝕環(huán)境中常用的壓力容器用鋼板；

3）設(shè)計(jì)壓力≥10MPa（壓力容器）的壓力容器用鋼板；

4）產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)或是設(shè)計(jì)師規(guī)定逐張開展超聲波檢測的壓力容器用鋼板。

1.4.2檢測和合格分?jǐn)?shù)線

鋼板超聲波檢測理應(yīng)按照NB/T 47013.3《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》的相關(guān)規(guī)定開展，合乎第（1）-（3）項(xiàng)的鋼板，達(dá)標(biāo)級別不少于Ⅱ級；合乎第（4）項(xiàng)的鋼板，達(dá)標(biāo)級別依照相對應(yīng)產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)或是施工圖紙的相關(guān)規(guī)定。

2 壓力容器用鋼板規(guī)范及其應(yīng)用

現(xiàn)階段，由中國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口管理擬定且早已施行的壓力容器用鋼板規(guī)范主要包括4項(xiàng)：GB/T 713-2014《加熱爐和壓力容器用鋼板》、GB/T 3531-2014《超低溫壓力容器用鋼板》、GB/T 19189-2011《壓力容器用熱處理高韌性鋼板》和GB/T 24511-2017《承壓設(shè)備用不銹鋼板和耐磨鋼鋼板和帶鋼》。在壓力容器產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 150.2-2011《壓力容器 第2一些：材料》里還明確了別的型號的壓力容器用鋼板，及其壓力容器用鋼板在壓力容器產(chǎn)品生產(chǎn)里的明確的規(guī)定。在GB/T 150.2中可以應(yīng)用ISO 9328-2-2009里的P265GH和P355GH鋼板，在GB/T 150.2第1號改動單里容許應(yīng)用國外機(jī)械設(shè)備工程師協(xié)會加熱爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)ASME BPVC.Ⅱ.A SA-516M、ASME BPVC.Ⅱ.A SA-537M、ASME BPVC.Ⅱ.A SA-387M里的SA-516 Gr70、SA-537 Cl 1和SA-387 Gr12Cl 2鋼板。

GB 150.2里還明確了壓力容器用復(fù)合板（含發(fā)生爆炸電焊焊接法及軋制復(fù)合法制造出來的復(fù)合板）的要求，復(fù)合板規(guī)范分別是NB/T 47002.1-2019《壓力容器用復(fù)合板 第1一部分：不銹鋼板-鋼復(fù)合板》，NB/T 47002.2-2019《壓力容器用復(fù)合板 第2一些：鎳-鋼復(fù)合板》，NB/T 47002.3-2019《壓力容器用復(fù)合板 第3一部分：鈦-鋼復(fù)合板》，NB/T 47002.4-2019《壓力容器用復(fù)合板 第4一部分：銅-鋼復(fù)合板》。

2.1 《加熱爐和壓力容器用鋼板》規(guī)范及其應(yīng)用

GB/T 713-2014規(guī)范共納入Q245R、Q345R、Q370R、Q420R、18MnMoNbR、13MnNiMoR、15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R、12Cr2Mo1VR、12Cr1MoVR和07Cr2AlMoR等12個(gè)型號。

Q420R是為了挪動壓力容器研發(fā)的鋼板。移動壓力容器（包含車輛槽罐車、鐵路線槽罐車）里的油罐車材料一直采用傳統(tǒng)Q345R材料，該材料的抗拉強(qiáng)度下限制值為510MPa，材料的抗剪強(qiáng)度值太低，油罐車設(shè)計(jì)薄厚相對性大，汽車的物流效率低（因?yàn)橛凸捃嚾萜鲀糁卮螅?。為了緩解汽車的自身凈重，提升汽車的密度比來運(yùn)輸高效率，依照歐盟國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)EN 10028-3規(guī)范里的P460NH鋼研發(fā)了淬火型Mn-Ni-V-Nb-N低合金高強(qiáng)度鋼Q420R，比傳統(tǒng)Q345R，材料規(guī)范抗拉強(qiáng)度下限制值由510MPa提升到590MPa，可有效降低挪動器皿厚度，緩解挪動壓力容器的本身凈重，提升運(yùn)輸高效率。選用該鋼板可生產(chǎn)制造外觀尺寸為13590×2550×4000（mm），容量為61.9m3的液化氣體運(yùn)送大貨車，能夠運(yùn)載LPG凈重26噸，此車儲罐減脂實(shí)際效果十分明顯。

2.25Cr-1Mo-0.30V（12Cr2Mo1VR）為板焊式厚壁管加氫反應(yīng)器建筑用鋼，為ASME BPVC.Ⅱ.A SA-542M里的Type D Cl 4a，基本特征為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼，即在傳統(tǒng)2.25Cr-1Mo（12Cr2Mo1R）抗氫鋼里加入0.25%-0.35%V，與此同時(shí)調(diào)節(jié)別的營養(yǎng)元素，大幅度減少建筑鋼材里的S、P等雜質(zhì)及其Sn、Sb等有害元素，從而顯著提升其高熱抗壓強(qiáng)度、抗回火脆性及抗堆焊層脫離特性。12Cr2Mo1VR和12Cr2Mo1R對比具備優(yōu)點(diǎn)：提升了抗壓強(qiáng)度，在常溫下，2.25Cr-1Mo-0.30V標(biāo)準(zhǔn)的抗拉強(qiáng)度為590-760MPa，而原先的2Cr-1Mo鋼僅是520-680 MPa，標(biāo)準(zhǔn)的最小抗拉強(qiáng)度值提升了13.5%；2021年版ASME 標(biāo)準(zhǔn)第Ⅷ卷第Ⅱ冊中給的2Cr-1Mo-V鋼在454℃中的設(shè)計(jì)方案抗剪強(qiáng)度對比2Cr-1Mo鋼提升了30%之上。那可使設(shè)備輕量。除此之外，因?yàn)殁C原素在鋼中構(gòu)成了耐熱性非常高的炭化釩，因此使12Cr2Mo1VR具有非常好的抗持續(xù)高溫氫腐蝕能；與此同時(shí)，提升了抗淬火老化特性，鋼板和焊縫金屬的“步脆性斷裂化”處理及系列產(chǎn)品溫度應(yīng)力測試結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)前后變化溫度增加量都不大，表明沒有明顯淬火老化狀況。

在GB/T 713中要求，Q245R和Q345R鋼板的供應(yīng)狀態(tài)為熱扎、控軋或淬火，但沒有明確在什么樣的條件下務(wù)必淬火，所以在GB150.2中明確了Q245R和Q345R鋼板在符合以下條件之一者需在正火狀態(tài)下應(yīng)用：

1）用以雙層容器中筒的Q245R和Q345R；

2）用以外殼厚度超過36mm的Q245R和Q345R；

3）用以別的受壓元件（法蘭盤、筒體、平蓋等）厚度超過50mm的Q245R和Q345R。

在壓力容器的設(shè)計(jì)中，最主要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)便是材料的抗剪強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)同時(shí)考慮：材料常溫下的抗拉強(qiáng)度；材料設(shè)計(jì)方案溫度中的抗拉強(qiáng)度；材料設(shè)計(jì)方案溫度下經(jīng)10萬鐘頭斷裂的長久屈服極限的均值；材料設(shè)計(jì)方案溫度下經(jīng)10萬鐘頭應(yīng)力松弛率是1%的應(yīng)力松弛極限值均值。計(jì)算，用抗拉強(qiáng)度下標(biāo)準(zhǔn)值、抗拉強(qiáng)度下限制值、長久屈服極限均值、應(yīng)力松弛極限值均值等各自除于最少安全性能，抗拉強(qiáng)度的最小安全性能為1.5，抗拉強(qiáng)度的最小安全性能2.7，長久屈服極限的最小安全性能1.5，應(yīng)力松弛極限最少安全性能為1.0，以上4個(gè)系數(shù)的極小值為材料的抗剪強(qiáng)度。