抗氫致裂紋Q345R鋼板生產工藝的開發與應用

付穎

摘 要：采用鋼坯在鞍鋼5 500+5 000 mm寬厚板生產線控軋+正火+弱冷工藝成功地開發并批量生產了抗氫致裂紋Q345R鍋爐壓力容器用鋼板，鋼板超聲波探傷全部符合JB/T 4730.3 一級標準，鋼板常規力學性能和模擬焊后熱處理性能全部合格，抗氫致開裂性（HIC）試驗測結果表明：裂紋敏感率、裂紋長度率、裂紋寬度率均為0。

關鍵詞：抗氫致裂紋；模擬焊后熱處理；弱冷工藝

中圖分類號：TQ051.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0033-02

1 概 述

在濕硫化氫環境中引起的壓力容器與管道開裂事故的逐年增多和用戶對成品油質的要求不斷提高，石油化工行業對低溫腐蝕環境下使用的材料提出了越來越嚴格的要求。由于Q345R鋼板在苛刻的H2和H2S環境條件下因應力腐蝕裂紋和氫致裂紋會迅速開裂，因此抗氫致裂紋Q345R鋼板（Q345R（HIC））開始大規模應用在石油化工行業中[1-6]。但是隨著用戶對鋼板安全性的要求不斷提高，很多抗氫致裂紋Q345R鋼板需要進行模擬焊后熱處理檢驗。這不僅要求鋼板在常規狀態下（正火態）滿足所有力學性能要求，而且模擬焊后熱處理后的性能仍然要滿足同一標準，并且容器封頭鋼板（以下簡稱封頭板）還要在模擬焊后熱處理工藝前增加模擬封頭熱成型的熱過程，嚴格的檢驗要求給鋼廠提出了嚴峻的挑戰。

2 工藝開發難點分析

抗氫致裂紋性能指標是本次工藝開發的難點之一。抗氫致裂紋是鋼吸收由腐蝕而產生的氫所引起的，當材料中存在硫化夾雜物時，氫致開裂敏感性增大。為了提高材料的抗氫致開裂性能，應控制其質量分數與形態[7]。可通過提高鋼水的潔凈度，提高成分和組織的均勻性，在降低S元素含量的同時，進行喂鈣處理，限制帶狀組織，細化晶粒，盡量降低叫C元素和Mn元素的含量，添加Re元素，Cu元素，Ni元素等合金元素來提高鋼板的抗HIC能力。

提高鋼板模擬焊后熱處理的性能是本次工藝開發的另一個難點。由于技術協議的限制，鋼板的碳當量不能高于0.43，同時為保證抗氫致裂紋性能，要降低C元素和Mn元素的含量，導致鋼板強度降低。同時，由于GB713-2014的要求，Mo元素的含量不能超過0.08%。Mo元素在鋼中能顯著提高鋼板的熱強性，因此Mo元素含量較低將造成鋼板經過模擬焊后熱處理后，強度會大幅度降低。為提高鋼板模擬焊后熱處理強度，在正火工藝后增加弱冷工藝，提高正火態鋼板強度，從而提高鋼板模擬焊后熱處理后的性能。

3 抗氫致裂紋Q345R鋼板成分及工藝設計

由于鋼板的特殊要求，成分設計時采用低S設計，并適當降低C元素和Mn元素的含量，通過合理的工藝控制，減少中心偏析，減少各類夾雜物，凈化鋼質。

合金元素添加方面，添加Re元素，Cu元素，Ni元素等合金元素來提高鋼板的抗HIC能力。工業生產中化學成分設計值，

由于鋼中含有較多的有較高的Ni元素、Nb元素和Ti元素，此類鋼鋼溫度達到900 ℃以上，鈮的碳氮化合物才開始分解固溶，使奧氏體晶粒開始形核長大，至1 230～1 270 ℃晶粒大小比較均勻，溫度提高到1 300 ℃時晶粒將進一步長大，即所謂二次再結晶發生。因此，為了軋制后的鋼材具有均勻細小的晶粒，加熱溫度一般以1 250 ℃為宜。若加熱超過1 300 ℃，則奧氏體晶粒大小不均，使軋后鋼材易產生混晶，并且晶粒會粗化。因此，加熱溫度設定為1 230～1 270 ℃。

軋制工藝上，采用控軋的方法，在奧氏體未再結晶區控制軋制，目的是使奧氏體晶粒拉長，同時在晶內形成大量變形帶，增加奧氏體向鐵素體轉變時的晶核生成能，獲得極其細小的鐵素體晶粒，以提高鋼的韌性，并在鋼中形成鈮的碳化物和氮化物，以抑制再結晶。其軋制工藝參數設定，

熱處理工藝上，由于傳統的正火工藝難以滿足抗氫致裂紋Q345R鋼板模擬焊后熱處理的性能要求，因此采用了正火+弱冷的方式提高鋼板的強度。根據技術協議要求，鋼板硬度不得大于200，但是弱冷會提高鋼板的硬度，因此對弱冷工藝的選擇變得十分重要。根據鋼板的C曲線特性，最終選擇鋼板弱冷后的返紅溫度為520～580 ℃。因此最后選擇的正火工藝為：溫度880 ±10 ℃，升溫速率1.4 min/mm，凈保溫時間為10 min，弱冷后空冷。

4 抗氫致裂紋Q345R鋼板工業試制

根據上述成分及工藝設計，一次性生產300余t抗氫致裂紋Q345R鋼板，各種工藝參數完全符合設計工藝參數。經檢驗室檢驗后，正火態試樣性能全部合格且富余量較大，筒體鋼板性能全部合格，部分封頭板強度和沖擊不合。典型的鋼板厚度及性能數據，見表5。

由表5可見，以40 mm為厚度組距分界，厚度在40 mm以下的筒體板和封頭板的常規性能差別不大，厚度在40 mm以上的筒體板和封頭板的常規性能也基本相同，但是經過模擬焊后熱處理后的性能相差較大，因此模擬焊后熱處理工藝的差別導致鋼板模擬焊后熱處理后性能的差別。由于封頭板在模擬焊后熱處理前有一個模擬封頭熱成型的熱過程，其溫度遠高于模擬焊后熱處理的溫度，因此導致封頭板的力學性能發生較大變化。同時，由于碳當量和合金元素含量上的限制，成分上沒有調整的空間，只能在工藝上加以改進。

為應對封頭板模擬焊后熱處理工藝的嚴苛要求，對鋼板的弱冷工藝做出了調整，即將原返紅溫度范圍從520～580 ℃降低至480～520 ℃，提高了鋼板的強度和組織均勻性。

經過重新熱處理的封頭鋼板送檢后，封頭板常規性能沒有明顯變化，但是鋼板模擬焊后熱處理的性能有了較大提高。封頭鋼板典型厚度及性能，見表6。

在鋼板上取試樣委托鞍鋼技術中心進行抗氫致裂紋儉測。試樣尺寸為100×20×30 mm（厚度小于30 mm的鋼板試樣規格為板厚×100×20 mm），壓力為常壓、密閉隔氧，溫度為常溫。試驗標準采用NACE TM 0284，試驗溶液為A溶液，通入H2S氣體至飽和。試驗開始時PH≤3.3，結束時PH≤4.0，試驗時間為 96 h，試驗結束后取出試樣觀察氫鼓泡現象。結果顯示，裂紋敏感率CSR、裂紋長度率CLR、裂紋寬度率CTR均為0，充分說明研制的抗氫致裂紋Q345R鋼板具有優異的抗HIC性能。同時，在鞍鋼技術中心對抗氫致裂紋Q345R鋼板進行了1/4處金相組織分析，結果表明鋼板帶狀組織輕微，晶粒比較細小，如圖1所示。

5 結 語

通過合理的成分設計和工藝路線制定，成功開發出抗氫致裂紋Q345R鋼板，檢測結果表明，鋼板的探傷結果、力學性能全部合格，抗氫致裂紋檢測結果優異。另外，由于鋼板成分上的限制，為滿足嚴苛的模擬焊后熱處理性能的要求，需要對正火后的鋼板進行弱冷處理，提高鋼板性能。

參考文獻：

[1] 張安良，姚希夢.壓力容器用鋼的硫化氫應力腐蝕[J].壓力容器，1998，15

（1）：25-27.

[2] 孫華鵬.Q345R（HIC）鋼與SA-516鋼的比

較與應用[J].石油化工設備，2011，40（5）：

87-89.

[3] 李剛，梁瑞，張建曉.濕H2S環境下容器用鋼 的焊接[J].現代焊接，2009，7（4）：46-47.

[4] 孔德楹，肖艷華.液化石油氣裝置中濕H2S

環境的腐蝕機理及選材[J].石油化工設備，

2010，39（5）：82-85.

[5] 徐翔，唐懿.壓力容器用調質鋼的H2S應力 腐蝕行為[J].石油化工設備，2009，38（3）：

10-15.

[6] 姚艾.石油化工設備在濕硫化氫環境中的 腐蝕與防護[J].石油化工設備，2008，37（5）：

96-97.

[7] 許少普，崔冠軍.抗HIC壓力容器用鋼Q345

R—Z35特厚板的開發[J].鋼鐵研究.2011，

39（2）：55-58.