正火高强度压力容器用钢的研究进展
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R m / MPa 510～640 500～630 490～620 490～620 480～610 470～600 530～630 520～620 510～630 490～610 470～590 530～630 520～620 590～720 570～700 550～680
温度/ ℃
不小于
不小于
Q345R
R eL / MPa
拉伸试验 抗拉强度 厚度/ mm
R m / MPa
冲击试验 伸长率 厚度/ mm ≤ 16
> 16 > 40 A/ %
℃
A KV / J
弯曲试验 180°
b = 2a d = 1. 5a
SPV450
J IS G 3115
≥ 450
-
— 1990
J IS G 3115
570～700
正火高强度压力容器用钢的研究进展
芮晓龙 习天辉 郭 斌
( 武钢研究院 湖北 武汉 :430080)
摘 要 对国内外正火型高强度压力容器用钢的发展情况进行了调研 ,分析了国内正火高强度压 力容器用钢的研制思路 ,并对国内外相关标准进行解析 ,提出了新一代高韧性正火高强度压力容器 用钢的研制构想 。同时对新钢材的市场应用前景及应用领域进行了初步的探讨 。 关键词 正火 ; 高强度钢 ; 压力容器 ; 二甲醚 中图分类号 : T - 19 文献标识码 : A 文章编号 :167123524 ( 2010) 0420004204 我国 常 温 ( 设 计 温 度 > - 20 ℃) 球 形 压 力 容 器用低合金钢基本上可分成两大类 : 非调质钢和 调质钢 [ 1 ] 。微合金非调质钢是一种高效节能钢 , 经热锻或热 轧 后 其 力 学 性 能 即 达 到 中 碳 调 质 钢 的水平 , 由于取消了淬火 、 高温回火工序 , 从而简 化了生产工艺 , 降低了能耗 , 提高了材料利用率 , 改善 了 零 件 质 量 , 降 低 了 制 造 成 本 ( 25 % ～ 38 %) , 具有 良 好 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 [ 2 ] 。正 火高强度压 力 容 器 用 钢 是 一 种 铁 素 体 + 珠 光 体 型的非 调 质 钢 , 随 着 石 油 、 石化 、 化工、 能源、 交 通、 城建等领域对高性能压力容器用钢的市场需 求 , 国内正火高强度压力容器用钢已形成了系列 产品 , 一定 程度 上顶 替了 进口 , 为国 家大 型成 套 工程用钢国产化做出了突出贡献 , 企业效益和社
牌号
SPV450
a
标准
J IS G 3115
C
— 1990
J IS G 3115
≤ 0. 18 ≤ 0. 18 ≤ 0. 20
Si 0. 15
Mn
P
S
Cr / /
Cu / /
Mo / /
N / /
Nb / /
Ni / /
Ti / /
V / /
～0. 75
0. 15
≤ 1. 6 ≤ 1. 6
1. 0Leabharlann Baidu
≤ 0. 03 ≤ 0. 03 ≤ 0. 03
R eL / MPa 345 325 315 305 285 265 370 360 340 345 325 305 370 360 350 410 390 370
460M Pa ,抗拉强度不小于 570M Pa , 在开发我国新
一代屈服强度 420M Pa 级正火高强钢时可参考以上 两个钢种的相关指标 。
型高强钢的牌号也相应的变更为 Q345R 、 Q370R 。 表 1 为一些国内标准中对常用的正火型低合金高强 钢 ( 以下简称正火高强钢 ) 的化学成分要求 , 表 2 为 其力学性能要求 。
标准
GB713 — 2008 GB713 — 2008 Q/ W G ( ZB) 05 — 2010 Q/ W G ( ZB) 05 — 2010
SPV490
— 1990
≥ 490 ≥ 470
-
≤ 16
610～740 > 16 > 40
≥ 19 ≥ 26 ≥ 20 ≥ 18 ≥ 25 ≥ 29 ≥ 17
- 10
≥ 47
- 10 - 20
≥ 47 纵向 ≥ 40 纵向 ≥ 47 纵向 ≥ 55 横向 ≥ 20 横向 ≥ 27 横向 ≥ 31
d = 1. 5a
表5 国外非调质压力容器钢抗拉强度级别分布表
级别/ MPa
310 340 360 380 400 410 450 470 490 510 520 540 550 570 J IS AS TM EN
★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
★ ★ ★ ★ ★ ★
冶炼水平的提高和石油化工介质中 H2 S 含量的控 制 ,对钢材强度的限制有所放松 ,但是 W H530 钢的 强度级别已达到了液化石油气球罐所能选择材料的 极限值 。若想开发更高强度级别的正火高强钢 , 开 拓新的市场 ,就必须寻求新的应用领域 。
注 : CE = C + Mn/ 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Ni + Cu) / 15 ( %) “ ; /” 表示标准中未列出 。
从表 1 、 表 2 中可以看出 ,目前国内还没有屈服 强 度 大 于 420M Pa 或 同 级 别 的 正 火 高 强 钢 ,
W H590D 钢对于 CE 无要求 , 这就使其在压力容器
C
Si
Mn 1. 20～1. 60 1. 20～1. 60
Ni / / / /
Nb / 0. 015～ 0. 050 / 0. 010～ 0. 040
V / / / /
P
S
CE / /
≤ 0. 20 ≤ 0. 18
≤ 0. 55 ≤ 0. 55
≤ 0. 025 ≤ 0. 015 ≤ 0. 025 ≤ 0. 015
≤ 0. 20 0. 20～ 0. 55 1. 20～1. 60 ≤ 0. 18 0. 20～ 0. 55 1. 20～1. 60
≤ 0. 020 ≤ 0. 015 ≤ 0. 43 ≤ 0. 020 ≤ 0. 015 ≤ 0. 43 ≤ 0. 020 ≤ 0. 010
/
W H590D Q/ W G ( ZB) 05 - 2010 ≤ 0. 20 0. 20～ 0. 55 1. 30～1. 70 0. 20～ 0. 50 0. 010～ 0. 040 0. 02～0. 08
冲击试验 伸长率 A/ %
V 型冲击功
表2 国内标准中正火高强钢力学性能要求
弯曲试验
A KV / J 180° b = 2a d = 2a 21 0 20 d = 2a 20 - 20 34 d = 3a d = 2a d = 3a 34 d = 3a
牌号
标准
交货 状态
钢板厚 度/ mm
3～16
抗拉强度
GB713
热轧控 轧或正 火
> 16～36 > 36～60 > 60～100 > 100～150 > 150～200 10～16
— 2008
Q370R
GB713
— 2008
Q/ W G
正火
> 16～36 > 36～60 10～16
W H510
( ZB) 05
正火
> 16～36 > 36～60 10～16
≤ 0. 03 ≤ 0. 03 ≤ 0. 025
SPV490 a P460N b
— 1990
DIN EN 10028
～0. 75 ≤ 0. 6
— 3 :1993
～1. 7
≤ 0. 3
≤ 0. 7 c
≤ 0. 1
≤ 0. 025 ≤ 0. 05
≤ 0. 8
≤ 0. 03
≤ 0. 2
注 : a. SPV450 及 SPV490 可添加适当的合金元素 , 其碳当量由供需双方协议确定 ; b. 如果订货方面没有约定 , P460N 以 Nb + Ti + V ≤
21
0 - 20
47 34
— 2010
Q/ W G W H530 ( ZB) 05
正火
> 16～36 > 36～60 10～16
20
- 20
47
d = 3a
— 2010
Q/ W G W H590D ( ZB) 05
正火
> 16～36 > 36～60
21
- 20
60
d = 3a
— 2010
表3 国外标准中正火高强钢化学成分要求/ ( wt %)
( 德国) [ 3 ] 。相关标准有日本 J IS G 3115 - 1990 《压
力容器用钢板》 , 代表钢号为 SPV450 和 SPV490 , 以及德国 D IN EN 10028 - 3 :1993 《压力容器扁用钢 第 3 部分 焊接用细晶粒正火结构钢》 , 代表钢号为 P460N 。表 3 、 表 4 为国外标准中屈服强度高于 420M Pa 、 抗拉强度高于 570M Pa 的正火型高强钢代
制造和使用过程的焊接性能得不到保障 。 目前国外生产屈服强度高于 420M Pa 、 抗拉强 度高于 570M Pa 的正火高强钢的只有日本和欧洲
收稿日期 :2010208222
作者简介 : 芮晓龙 (1983～) ,男 ,助理工程师 . E2mail :ruixiaol @wisco . co m. cn
2 正火高强度压力容器用
钢国内外产品体系
由于非调质钢在生产上有很大的优势。美国 、 日 本和欧洲开发出了大量采用非调质技术生产的压力 容器用钢
[3 ]
企业牌号为 W H530 。该种钢板的强度和冲击韧性 优于 16MnR 钢板 , 焊接性能和抗硫化氢应力腐蚀 性能与 16MnR 相近 。且其冲击性能实验性能优于 国 内 15MnV R , 也 优 于 日 本 SPV355 和 欧 洲 P355N ; W H530 钢板也具有良好的抗拉强度 , 厚度 大于 36mm 钢板的抗拉强度下限值较相应厚度的 15MnV R 、 16MnR 钢板分别高出 6. 1 %和10. 6 %[ 7 ] 。 目前 ,W H530 钢已广泛应用于制造氧气球罐 、 丙烯 球罐和液化石油气球罐的制造中 , W H530 已基本 取代 16MnR ( Q345R) 钢 ,成为制造液化石油气球罐 的主流钢种 。 在石油化工的介 质中 , H2 S 是比 较常 见的 气 体 。由于存在 H2 S 应力腐蚀的原因 ,化工容器用低 合金钢 ( 包括焊接接头) 的强度需符合要求 [ 8 ] : ReL ≤
芮晓龙 习天辉 郭 斌 : 正火高强度压力容器用钢的研究进展
5
表钢种的化学成分和力学性能要求 。 从表 3 和表 4 中可看出 , SPV450 和 P460N 的 屈服强 度 要 求 分 别 为 不 小 于 450M Pa 和 不 小 于
拉伸试验 屈服强度
表1 国内标准中正火高强钢化学成分要求/ ( wt %)
牌号
Q345R Q370R W H510 W H530
会效益十分显著 。
1 正火高强度压力容器用
钢的国内外标准概况
国内标准中的正火型压力容器钢主要有原国标 GB 6654 - 1996 《压力容器用钢板》 中 的 16MnR 、 15MnNbR 两个牌号 ,2008 年 GB 6654 被 GB 713 2008 《锅炉和压力容器用钢板》 所取代 , 其中的正火
355M Pa ,Rm ≤ 630M Pa 。虽然近年来随着低合金钢
。表 5 列出了国外开发的非调质压力容
器钢所对应的抗拉强度级别分布情况。从表 5 可以 看出 ,现在国外的非调质压力容器钢的抗拉强度已经 从 300MPa 一直延伸到 570MPa 。在分布上可以看出 日本 J IS 标准划分得较为细致 ,从 400MPa 到 570MPa 的每个级别上都有对应的钢种 。
0. 22 % ,Mo + Cr ≤ 0. 30 %要求来取代碳当量 ;c. 当铜含量大于 0. 30 %时 ,镍含量必须至少为铜含量为 1/ 2 。d. “/ ” 表示标准中未列出 。
表4 国外标准中正火高强钢力学性能要求
牌号 标准 屈服强度 厚度/ mm 6～50 > 50～75 > 75～200 6～50 > 50～75 > 75～200 ≤ 16 > 16～35 > 35～50 > 50～70 > 70～100 > 100～150
DIN EN P460N 10028 — 3 :1993
≥ 460 ≥ 450 ≥ 440 ≥ 420 ≥ 400 ≥ 380
≤ 70
570～720
≤ 70
0 20 - 20
> 70～100 540～710 > 100～150 520～690 > 70～150
-
≥ 16
0 20
6
武汉工程职业技术学院学报 2010. 4
温度/ ℃
不小于
不小于
Q345R
R eL / MPa
拉伸试验 抗拉强度 厚度/ mm
R m / MPa
冲击试验 伸长率 厚度/ mm ≤ 16
> 16 > 40 A/ %
℃
A KV / J
弯曲试验 180°
b = 2a d = 1. 5a
SPV450
J IS G 3115
≥ 450
-
— 1990
J IS G 3115
570～700
正火高强度压力容器用钢的研究进展
芮晓龙 习天辉 郭 斌
( 武钢研究院 湖北 武汉 :430080)
摘 要 对国内外正火型高强度压力容器用钢的发展情况进行了调研 ,分析了国内正火高强度压 力容器用钢的研制思路 ,并对国内外相关标准进行解析 ,提出了新一代高韧性正火高强度压力容器 用钢的研制构想 。同时对新钢材的市场应用前景及应用领域进行了初步的探讨 。 关键词 正火 ; 高强度钢 ; 压力容器 ; 二甲醚 中图分类号 : T - 19 文献标识码 : A 文章编号 :167123524 ( 2010) 0420004204 我国 常 温 ( 设 计 温 度 > - 20 ℃) 球 形 压 力 容 器用低合金钢基本上可分成两大类 : 非调质钢和 调质钢 [ 1 ] 。微合金非调质钢是一种高效节能钢 , 经热锻或热 轧 后 其 力 学 性 能 即 达 到 中 碳 调 质 钢 的水平 , 由于取消了淬火 、 高温回火工序 , 从而简 化了生产工艺 , 降低了能耗 , 提高了材料利用率 , 改善 了 零 件 质 量 , 降 低 了 制 造 成 本 ( 25 % ～ 38 %) , 具有 良 好 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 [ 2 ] 。正 火高强度压 力 容 器 用 钢 是 一 种 铁 素 体 + 珠 光 体 型的非 调 质 钢 , 随 着 石 油 、 石化 、 化工、 能源、 交 通、 城建等领域对高性能压力容器用钢的市场需 求 , 国内正火高强度压力容器用钢已形成了系列 产品 , 一定 程度 上顶 替了 进口 , 为国 家大 型成 套 工程用钢国产化做出了突出贡献 , 企业效益和社
牌号
SPV450
a
标准
J IS G 3115
C
— 1990
J IS G 3115
≤ 0. 18 ≤ 0. 18 ≤ 0. 20
Si 0. 15
Mn
P
S
Cr / /
Cu / /
Mo / /
N / /
Nb / /
Ni / /
Ti / /
V / /
～0. 75
0. 15
≤ 1. 6 ≤ 1. 6
1. 0Leabharlann Baidu
≤ 0. 03 ≤ 0. 03 ≤ 0. 03
R eL / MPa 345 325 315 305 285 265 370 360 340 345 325 305 370 360 350 410 390 370
460M Pa ,抗拉强度不小于 570M Pa , 在开发我国新
一代屈服强度 420M Pa 级正火高强钢时可参考以上 两个钢种的相关指标 。
型高强钢的牌号也相应的变更为 Q345R 、 Q370R 。 表 1 为一些国内标准中对常用的正火型低合金高强 钢 ( 以下简称正火高强钢 ) 的化学成分要求 , 表 2 为 其力学性能要求 。
标准
GB713 — 2008 GB713 — 2008 Q/ W G ( ZB) 05 — 2010 Q/ W G ( ZB) 05 — 2010
SPV490
— 1990
≥ 490 ≥ 470
-
≤ 16
610～740 > 16 > 40
≥ 19 ≥ 26 ≥ 20 ≥ 18 ≥ 25 ≥ 29 ≥ 17
- 10
≥ 47
- 10 - 20
≥ 47 纵向 ≥ 40 纵向 ≥ 47 纵向 ≥ 55 横向 ≥ 20 横向 ≥ 27 横向 ≥ 31
d = 1. 5a
表5 国外非调质压力容器钢抗拉强度级别分布表
级别/ MPa
310 340 360 380 400 410 450 470 490 510 520 540 550 570 J IS AS TM EN
★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
★ ★ ★ ★ ★ ★
冶炼水平的提高和石油化工介质中 H2 S 含量的控 制 ,对钢材强度的限制有所放松 ,但是 W H530 钢的 强度级别已达到了液化石油气球罐所能选择材料的 极限值 。若想开发更高强度级别的正火高强钢 , 开 拓新的市场 ,就必须寻求新的应用领域 。
注 : CE = C + Mn/ 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Ni + Cu) / 15 ( %) “ ; /” 表示标准中未列出 。
从表 1 、 表 2 中可以看出 ,目前国内还没有屈服 强 度 大 于 420M Pa 或 同 级 别 的 正 火 高 强 钢 ,
W H590D 钢对于 CE 无要求 , 这就使其在压力容器
C
Si
Mn 1. 20～1. 60 1. 20～1. 60
Ni / / / /
Nb / 0. 015～ 0. 050 / 0. 010～ 0. 040
V / / / /
P
S
CE / /
≤ 0. 20 ≤ 0. 18
≤ 0. 55 ≤ 0. 55
≤ 0. 025 ≤ 0. 015 ≤ 0. 025 ≤ 0. 015
≤ 0. 20 0. 20～ 0. 55 1. 20～1. 60 ≤ 0. 18 0. 20～ 0. 55 1. 20～1. 60
≤ 0. 020 ≤ 0. 015 ≤ 0. 43 ≤ 0. 020 ≤ 0. 015 ≤ 0. 43 ≤ 0. 020 ≤ 0. 010
/
W H590D Q/ W G ( ZB) 05 - 2010 ≤ 0. 20 0. 20～ 0. 55 1. 30～1. 70 0. 20～ 0. 50 0. 010～ 0. 040 0. 02～0. 08
冲击试验 伸长率 A/ %
V 型冲击功
表2 国内标准中正火高强钢力学性能要求
弯曲试验
A KV / J 180° b = 2a d = 2a 21 0 20 d = 2a 20 - 20 34 d = 3a d = 2a d = 3a 34 d = 3a
牌号
标准
交货 状态
钢板厚 度/ mm
3～16
抗拉强度
GB713
热轧控 轧或正 火
> 16～36 > 36～60 > 60～100 > 100～150 > 150～200 10～16
— 2008
Q370R
GB713
— 2008
Q/ W G
正火
> 16～36 > 36～60 10～16
W H510
( ZB) 05
正火
> 16～36 > 36～60 10～16
≤ 0. 03 ≤ 0. 03 ≤ 0. 025
SPV490 a P460N b
— 1990
DIN EN 10028
～0. 75 ≤ 0. 6
— 3 :1993
～1. 7
≤ 0. 3
≤ 0. 7 c
≤ 0. 1
≤ 0. 025 ≤ 0. 05
≤ 0. 8
≤ 0. 03
≤ 0. 2
注 : a. SPV450 及 SPV490 可添加适当的合金元素 , 其碳当量由供需双方协议确定 ; b. 如果订货方面没有约定 , P460N 以 Nb + Ti + V ≤
21
0 - 20
47 34
— 2010
Q/ W G W H530 ( ZB) 05
正火
> 16～36 > 36～60 10～16
20
- 20
47
d = 3a
— 2010
Q/ W G W H590D ( ZB) 05
正火
> 16～36 > 36～60
21
- 20
60
d = 3a
— 2010
表3 国外标准中正火高强钢化学成分要求/ ( wt %)
( 德国) [ 3 ] 。相关标准有日本 J IS G 3115 - 1990 《压
力容器用钢板》 , 代表钢号为 SPV450 和 SPV490 , 以及德国 D IN EN 10028 - 3 :1993 《压力容器扁用钢 第 3 部分 焊接用细晶粒正火结构钢》 , 代表钢号为 P460N 。表 3 、 表 4 为国外标准中屈服强度高于 420M Pa 、 抗拉强度高于 570M Pa 的正火型高强钢代
制造和使用过程的焊接性能得不到保障 。 目前国外生产屈服强度高于 420M Pa 、 抗拉强 度高于 570M Pa 的正火高强钢的只有日本和欧洲
收稿日期 :2010208222
作者简介 : 芮晓龙 (1983～) ,男 ,助理工程师 . E2mail :ruixiaol @wisco . co m. cn
2 正火高强度压力容器用
钢国内外产品体系
由于非调质钢在生产上有很大的优势。美国 、 日 本和欧洲开发出了大量采用非调质技术生产的压力 容器用钢
[3 ]
企业牌号为 W H530 。该种钢板的强度和冲击韧性 优于 16MnR 钢板 , 焊接性能和抗硫化氢应力腐蚀 性能与 16MnR 相近 。且其冲击性能实验性能优于 国 内 15MnV R , 也 优 于 日 本 SPV355 和 欧 洲 P355N ; W H530 钢板也具有良好的抗拉强度 , 厚度 大于 36mm 钢板的抗拉强度下限值较相应厚度的 15MnV R 、 16MnR 钢板分别高出 6. 1 %和10. 6 %[ 7 ] 。 目前 ,W H530 钢已广泛应用于制造氧气球罐 、 丙烯 球罐和液化石油气球罐的制造中 , W H530 已基本 取代 16MnR ( Q345R) 钢 ,成为制造液化石油气球罐 的主流钢种 。 在石油化工的介 质中 , H2 S 是比 较常 见的 气 体 。由于存在 H2 S 应力腐蚀的原因 ,化工容器用低 合金钢 ( 包括焊接接头) 的强度需符合要求 [ 8 ] : ReL ≤
芮晓龙 习天辉 郭 斌 : 正火高强度压力容器用钢的研究进展
5
表钢种的化学成分和力学性能要求 。 从表 3 和表 4 中可看出 , SPV450 和 P460N 的 屈服强 度 要 求 分 别 为 不 小 于 450M Pa 和 不 小 于
拉伸试验 屈服强度
表1 国内标准中正火高强钢化学成分要求/ ( wt %)
牌号
Q345R Q370R W H510 W H530
会效益十分显著 。
1 正火高强度压力容器用
钢的国内外标准概况
国内标准中的正火型压力容器钢主要有原国标 GB 6654 - 1996 《压力容器用钢板》 中 的 16MnR 、 15MnNbR 两个牌号 ,2008 年 GB 6654 被 GB 713 2008 《锅炉和压力容器用钢板》 所取代 , 其中的正火
355M Pa ,Rm ≤ 630M Pa 。虽然近年来随着低合金钢
。表 5 列出了国外开发的非调质压力容
器钢所对应的抗拉强度级别分布情况。从表 5 可以 看出 ,现在国外的非调质压力容器钢的抗拉强度已经 从 300MPa 一直延伸到 570MPa 。在分布上可以看出 日本 J IS 标准划分得较为细致 ,从 400MPa 到 570MPa 的每个级别上都有对应的钢种 。
0. 22 % ,Mo + Cr ≤ 0. 30 %要求来取代碳当量 ;c. 当铜含量大于 0. 30 %时 ,镍含量必须至少为铜含量为 1/ 2 。d. “/ ” 表示标准中未列出 。
表4 国外标准中正火高强钢力学性能要求
牌号 标准 屈服强度 厚度/ mm 6～50 > 50～75 > 75～200 6～50 > 50～75 > 75～200 ≤ 16 > 16～35 > 35～50 > 50～70 > 70～100 > 100～150
DIN EN P460N 10028 — 3 :1993
≥ 460 ≥ 450 ≥ 440 ≥ 420 ≥ 400 ≥ 380
≤ 70
570～720
≤ 70
0 20 - 20
> 70～100 540～710 > 100～150 520～690 > 70～150
-
≥ 16
0 20
6
武汉工程职业技术学院学报 2010. 4