首鋼儲罐用鋼SG610E大線能量焊接性分析

鞠建斌

(首鋼技術研究院，北京 100043)

首鋼儲罐用鋼SG610E大線能量焊接性分析

鞠建斌

(首鋼技術研究院，北京 100043)

為滿足國內(nèi)對大線能量用鋼的需求，首鋼開發(fā)了用于大型石油儲備罐建設的大線能量鋼板SG610E。并對其進行了大線能量焊接性研究工作，結果表明，大線能量鋼板SG610E經(jīng)線能量100 kJ／cm氣電立焊后，焊接接頭在-20℃下仍具有優(yōu)良的低溫韌性，鋼板可用于建造大型石油儲罐。

儲罐用鋼；大線能量焊接；熱模擬；HAZ

0 前言

為了保證我國能源安全，國家從2003年上半年開始建立石油戰(zhàn)略儲備，并計劃到2015年實現(xiàn)石油儲備90天的遠期目標，實現(xiàn)該目標的前提條件是建設用于儲油的10～15萬m3(或容積更大)的大型原油儲罐。

大型原油儲罐用鋼屬于壓力容器用鋼材料制造領域。隨著我國石油儲備罐設計向大型化、高參數(shù)方向的不斷發(fā)展，以及工程建設向西部、西南環(huán)境條件比較惡劣的地區(qū)擴展，如甘肅、新疆、西藏等地區(qū)，對原油儲罐用鋼板的性能提出了高強度、耐低溫、耐腐蝕、同時具有低焊接裂紋敏感性和大線能量焊接性能等更加嚴格的要求。由于大型原油儲罐用鋼標準要求高、生產(chǎn)工藝復雜、生產(chǎn)難度大，2004年以前國內(nèi)原油儲罐建設的高強壓力容器鋼板全部依賴日本進口。

早在20世紀70年代初，日本新日鐵、NKK等公司就已成功地研制出SPV490Q等高強度壓力容器鋼板。新日鐵采用DQ-T技術開發(fā)了HT590-610，住友采用TMCP工藝開發(fā)了用于低溫環(huán)境下的大型儲油罐建設的HT610，JFE采用DQ+T、DQ+HOP技術開發(fā)了JFE-HITEN610E。

在國家發(fā)改委的組織下，2004年7月，中石化牽頭成立了由鋼鐵企業(yè)、使用單位以及有關科研單位等組成的大型石油儲罐用鋼板國產(chǎn)化聯(lián)合攻關組。目前，已經(jīng)有多家鋼鐵企業(yè)(寶鋼、鞍鋼、武鋼、舞鋼、濟鋼、南鋼)完成了石油儲備罐用大線能量焊接用高強度壓力容器鋼板的試制，推動了鋼板的國產(chǎn)化，并完成了我國第一期石油儲備基地的建設。

為了滿足國內(nèi)對大線能量用鋼的需求，首鋼開發(fā)了用于大型石油儲備罐建設的大線能量鋼板SG610E。本研究對開發(fā)的儲罐用鋼SG610E進行了大線能量焊接性研究工作，對該鋼板進行大線能量焊接試驗、焊接熱模擬試驗以及裂紋敏感性試驗等工作。結果表明：大線能量鋼板SG610E經(jīng)線能量100 kJ／cm氣電立焊后，焊接接頭在-20℃下仍具有優(yōu)良的低溫韌性，鋼板可用于建造大型石油儲罐。

1 首鋼SG610E鋼板大線能量焊接性分析

傳統(tǒng)的低合金鋼板進行大線能量焊接時，由于焊接熱循環(huán)的作用，在焊接熱影響區(qū)(HAZ，即焊縫兩側母材發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域)晶粒異常長大，導致韌性急劇下降。因此，HAZ的韌性成為制約鋼大線能量焊接的關鍵因素。為了解決HAZ的韌性問題，國內(nèi)外相繼開展了大線能量焊接用鋼的研究工作[1-9]，提出的改善韌性的方法主要有：降低C含量和Ceq，利用微合金元素和氧化物夾雜細化奧氏體晶粒，獲得韌性好的組織如針狀鐵素體以及貝氏體組織的超低碳鋼，通過改進生產(chǎn)工藝提高韌性等。從合金設計來看，通過添加微量合金元素可以改善鋼板的韌性，提高焊接性能。合金元素在鋼中形成細小的化合物顆粒，不僅可以細化晶粒，還能充當AF的形核質點，形成更多的AF組織，或是降低有害夾雜的含量，從而提高材料的韌性。

20世紀70年代后期已有鋼鐵廠采用添加微量Ti的方法，利用TiN的沉淀物抑制焊接時奧氏體的粗大化，增大鐵素體的沉淀核。Nb可以加強Ti的細化作用。Nb在鋼中與N也有著強烈的親和力，能夠取代部分Ti，與N形成(Ti，Nb)N顆粒，其溶解溫度在1 350℃以上，可以釘軋、拖拽高溫奧氏體晶界的遷移。

基于以上分析，首鋼儲罐用鋼SG610E鋼板在設計生產(chǎn)中采取以下措施：

(1)成分設計上采取低碳路線。根據(jù)低碳低合金鋼冶煉的N含量水平，添加微量Ti，控制合理的w (Ti)／w(N)，形成彌散細小的第二相粒子TiN防止晶粒長大；合金元素加入方面，采用合適的w(Mo)和較低的碳當量減少熱影響區(qū)上貝氏體和M-A島，以提高韌性。

(2)細化母板奧氏體晶粒。通過合理的加熱制度以及控制軋制使鋼板奧氏體晶粒充分細化，在淬火中通過合理的加熱溫度和保溫時間使合金元素充分固溶又不增加奧氏體晶粒尺寸，保證回火后鋼板晶粒度細小。

1.1 首鋼SG610E鋼板的化學成分和性能

試驗用儲罐用鋼SG610E鋼板由首秦金屬材料有限公司生產(chǎn)，通過采用低C、低Pcm值的微量合金化技術和離線淬火加離線回火工藝，從而獲得細小的貝氏體組織以保證其高強度和良好的低溫韌性。

鋼板的化學成分按照GB／T 4336-2002《碳素鋼和中低合金鋼 火花源原子發(fā)射光譜分析方法(常規(guī)法)》的有關規(guī)定進行光譜分析，光譜分析在德國斯派克公司生產(chǎn)的SPECTRO MAXX型光電光譜儀上進行。鋼板的化學成分(成品分析)如表1所示。

表1 首鋼儲罐用鋼SG610E鋼板化學成分 %

對鋼板分別進行拉伸、冷彎、沖擊試驗，拉伸試驗按照GB／T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行，冷彎試驗按照GB／T232-1999《金屬材料彎曲試驗方法》進行，試驗按照GB／T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法進行，試驗結果如表2所示。

表2 首鋼儲罐用鋼SG610E鋼板力學性能

從表2結果看，母材滿足國標GB 19189-2003關于壓力容器用調(diào)質高強度鋼板的規(guī)定(屈服強度大于等于490 MPa，抗拉強度610～730 MPa，延伸率大于等于17%，-20℃沖擊功大于等于47 J)。

1.2 首鋼SG610E鋼板焊接冷裂紋敏感性評定試驗

為評定SG610E鋼板的焊接冷裂紋敏感性，從而確定SG610E鋼板的焊接預熱溫度，分別采用焊接熱影響區(qū)最高硬度法試驗和斜Y坡口焊接裂紋試驗。

1.2.1 熱影響區(qū)最高硬度法試驗

試驗用試板的制作及硬度測定按GB 4675.5-1984《焊接性試驗——焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法》標準的有關規(guī)定進行。將SG610E鋼板從一個軋制面機加工至20 mm厚，然后分別加工成20 mm× 75mm×200mm(室溫下施焊用試板)和20mm×125 mm× 200 mm(預熱溫度下施焊用試板)兩種規(guī)格。

試驗用焊條采用φ 4.0 mm的JQ.J607RH焊條(400℃×1 h烘干)，試板焊前預熱溫度分別為室溫20℃、預熱75℃和預熱125℃，施焊電流種類為直流，焊接電流170～180 A，電弧電壓22～24 V，焊接速度150 mm／min。試驗焊縫在原始軋制面上進行，焊后試板經(jīng)解剖，以切于焊接熔合線底部切點為0點，在其左右每隔0.5 mm作為硬度的測定點。維氏硬度測定按GB／T 4340-1984《金屬維氏硬度試驗方法》的規(guī)定進行，試板在不同焊前預熱溫度下施焊的維氏硬度測定點位置及其硬度值如表3所示。

表3 維氏硬度測定點位置及其硬度值 HV10

焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗主要用于評價鋼板的抗冷裂紋性能。一般認為，鋼板的焊接熱影響區(qū)最高硬度大于HV350時，即有一定的冷裂紋傾向。由結果可見：SG610E鋼板在預熱至75℃時，焊接熱影響區(qū)最高硬度在HV10310左右，冷裂紋傾向不大。

1.2.2 斜Y型坡口焊接裂紋試驗

斜Y坡口焊接裂紋試驗按GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂紋試驗方法》進行，主要用于評價厚板多層焊根部焊道的冷裂紋敏感性。試驗分為焊前試板不預熱(室溫)、預熱75℃和預熱100℃共三組試驗，每組試驗制作了2塊試板。施焊時，環(huán)境溫度23℃～25℃，環(huán)境濕度50%～55%。焊接采用交流電源，其焊接電流170～180 A，電弧電壓22～24 V，焊接速度150 mm／min。試板焊后經(jīng)48 h自然冷卻后，對試驗焊縫表面進行滲透檢測，結果均未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。然后將每試板的試驗焊縫切成4片5個斷面進行裂紋檢查，試驗結果如表4所示。

由表4可知，SG610E鋼板在焊前預熱75℃時，未發(fā)現(xiàn)任何焊接冷裂紋；通常認為當裂紋率小于20%時可判定該鋼板無冷裂紋傾向，所以SG610E鋼板在焊前預熱75℃以上時，實際焊接接頭出現(xiàn)冷裂紋的可能性較小。

1.3 首鋼SG610E鋼板焊接熱模擬試驗

利用Gleeble2000熱模擬機對SG610E鋼板進行了焊接熱模擬試驗。將鋼板加工成11mm×11mm× 90 mm方形熱模擬試樣，輸入程序模擬熱輸入線能量100kJ／cm，對應t8／5＝125s，峰值溫度分別為1300℃、1 200℃。

觀察SG610E熱模擬試樣金相組織，金相照片如圖1、圖2所示。

圖1 1 300℃熱模擬組(500×)

不同峰值溫度SG610E熱模擬試樣組織均為貝氏體+魏氏組織，并且隨著峰值溫度增加，組織粗化更明顯，魏氏組織比例增多。

將熱模擬后的試樣以熱電偶焊點處為中心點加工成標準的V型缺口沖擊試樣，在-20℃進行沖擊試驗，其結果如表5所示。

圖2 1 200℃熱模擬組織(500×)

表5 熱模擬試樣的沖擊試驗結果

由表5可以看出，不同峰值溫度熱模擬試樣沖擊功的平均值均超過47 J，隨加熱峰值溫度升高，熱模擬試樣沖擊功呈下降趨勢，這一點和金相照片組織粗化、魏氏組織增多相對應。

1.4 首鋼SG610E鋼板焊接接頭力學性能試驗

1.4.1 焊條電弧焊焊接接頭力學性能試驗

對32 mm厚的SG610E鋼板進行了焊條電弧焊工藝試驗，焊接工藝為：焊條直徑φ 4.0 mm，牌號JQ.J607RH，焊條焊前經(jīng)400℃×1 h的烘干處理，焊接預熱溫度100℃，焊接線能量20～30 kJ／cm，焊后立即進行250℃×0.5 h的消氫處理，測定上述工藝焊接的焊態(tài)焊接接頭系列溫度下的沖擊功，結果如表6所示。

表6 焊條電弧焊系列溫度沖擊試驗結果(板厚32 mm)

從表6可知，焊條電弧焊焊接接頭-20℃沖擊功的平均值均大于47 J，且余量較大，能夠滿足國標GB 19189-2003關于壓力容器用調(diào)質高強度鋼板的要求。

1.4.2 埋弧自動焊焊接接頭力學性能試驗

選用32 mm厚的鋼板進行埋弧自動焊，焊接材料為四川大西洋生產(chǎn)的CHW-S7，焊劑牌號CHF26H (350℃×2 h的烘干，150℃保溫)，坡口為不對稱K型(45°)，按照大型儲罐常用的焊接方法進行橫焊位置施焊，焊接線能量35 kJ／cm。對焊態(tài)焊接接頭進行系列溫度沖擊功的測定，結果如表7所示。

表7 埋弧自動焊系列溫度沖擊試驗結果(板厚32 mm)

從表7可知，埋弧自動焊焊接接頭-20℃沖擊功的平均值均大于47 J，且有一定余量，可以滿足國標GB 19189-2003關于壓力容器用調(diào)質高強度鋼板的規(guī)定。

1.4.3 氣電立焊焊接接頭力學性能試驗

選用21 mm厚的SG610E鋼板進行氣電立焊，氣電立焊設備使用南京佳創(chuàng)機電設備有限公司制造的YS-EGW型自動立焊機，配合林肯DC-1000電源，焊接材料為日本神戶制鋼生產(chǎn)的氣保護藥芯焊絲DWS-60G，直徑φ 1.6 mm。根據(jù)大型原油儲罐的實際現(xiàn)場焊接方式，采用單V型坡口，單面焊接，一次成形。焊接工藝參數(shù)為：焊接電壓40 V，焊接電流320 A，焊接速度7.4 cm／min，實際焊接線能量102 kJ／cm。

對氣電立焊焊接接頭焊態(tài)進行力學性能試驗，其拉伸、冷彎試驗結果如表8所示，系列溫度沖擊功測定結果如表9所示。

表8 氣電立焊焊接接頭拉伸、冷彎試驗結果

觀察了氣電立焊焊接接頭金相組織，金相照片如圖3、圖4所示。

焊接接頭不同部位的金相組織檢驗結果發(fā)現(xiàn)，焊縫金屬的組織為先共析鐵素體+針狀鐵素體；焊接熔合區(qū)的組織為貝氏體+魏氏組織；焊接熱影響區(qū)的組織為貝氏體。這一點和熱模擬試驗結果比較接近。

氣電立焊焊接接頭的力學性能均滿足國標GB 19189-2003關于壓力容器用調(diào)質高強度鋼板的規(guī)定，-20℃沖擊功的結果低于熱模擬試驗峰值溫度1 200℃的結果，高于峰值溫度1 300℃的結果，這是由于實際接頭比熱模擬試樣粗晶區(qū)范圍窄。

表9 氣電立焊系列溫度沖擊試驗結果(板厚21 mm)

圖3 氣電立焊接頭焊縫(200×)

圖4 氣電立焊接頭熔合線(100×)

2 結論

對開發(fā)的儲罐用鋼SG610E進行了大線能量焊接性研究工作，對該鋼板進行大線能量焊接試驗、焊接熱模擬試驗和裂紋敏感性試驗等。

結果表明，SG610E通過采用低C、低Pcm值的微量合金化技術和離線淬火加離線回火工藝，獲得細小的貝氏體組織以保證其高強度和良好的低溫韌性，母材性能滿足國標GB 19189-2003關于壓力容器用調(diào)質高強度鋼板的規(guī)定。

分別采用焊接熱影響區(qū)最高硬度法試驗、斜Y坡口焊接裂紋試驗對SG610E鋼板的焊接冷裂紋敏感性進行了評價，結果表明SG610E鋼板冷裂紋傾向較小。

利用Gleeble2000熱模擬機對SG610E鋼板進行了不同峰值溫度焊接熱模擬試驗，試樣沖擊功的平均值都能達到47 J，滿足國標GB 19189-2003的規(guī)定。

檢測了焊條電弧焊、埋弧自動焊和氣電立焊SG610E鋼板焊接接頭鋼板力學性能，結果表明，焊接接頭在-20℃下仍具有優(yōu)良的低溫韌性，滿足國標GB 19189-2003關于壓力容器用調(diào)質高強度鋼板的規(guī)定，SG610E鋼板可用于建造大型的石油儲罐。

目前，首鋼已經(jīng)通過了全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會的技術評審，成為國內(nèi)第7家具備原油儲罐用鋼板生產(chǎn)能力的企業(yè)，可以期待SG610E鋼板將很快應用于國內(nèi)10～15萬m3的大型原油儲罐建造。SG610E鋼板的成功開發(fā)，表明首鋼高端熱處理產(chǎn)品已經(jīng)開始投放市場，具備了為我國大型國民經(jīng)濟建設工程服務的能力。

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Study of the high heat input weldability of SG610E oil tank steel of Shougang group

JU Jian-bin
(Shougang Reasearch Institute of Techology，Beijing 100043，China)

For the high demand of the steel alloy for high heat input welding，SG610E is developed in Shougang group for using in the construction of large oil equipment with high heat input.Lot of high heat input weldability work has done for the SG610E oil tank steel alloy in this paper，and the results indicate that under the heat input of 100 kJ／cm，the-20℃impact toughness of the SG610E weld joints is yet very high，and it is very suitable for the construction of large oil tanks.

oil tank steel；high heat input welding；thermal simulation；HAZ

TG406

A

1001-2303(2010)02-0095-05

2010-01-20

鞠建斌(1973—)，男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，博士，主要從事金屬焊接性和大線能量焊接的研究工作。