壓力容器常用鋼板的橫向與縱向力學性能差異

熊從貴 何 靜 陳送送

（臺州龍江化工機械科技有限公司）

卷焊壓力容器因具有制造簡單、對工藝裝備要求不高、 加工周期短及設備制造成本低等優(yōu)點，故普遍應用于中、低壓和小直徑高壓容器的生產中。薄壁圓筒受力分析的理論依據是無力矩理論，被認為用于制造薄壁圓筒的鋼板其物理性能是均勻的， 薄壁圓筒在承受內部氣壓狀態(tài)下，其環(huán)向應力是經向應力的2 倍。

生產壓力容器用鋼板的原料通常為鋼錠或連鑄坯［1］。 鋼錠缺陷較多，原料消耗較大，生產出來的鋼板質量較差，一般只在生產特厚板時采用鋼錠作為原料；而連鑄坯的原料消耗較小，生產鋼板的成材率較高［2］，是目前生產鋼板普遍使用的原料。 鋼坯在高溫下延伸變形時，非金屬夾雜物也沿著晶粒變形的方向被拉長， 形成纖維組織，可能導致鋼板的橫向力學性能比縱向力學性能低。 因此，有的壓力容器標準［3］和專業(yè)教材［4，5］規(guī)定，用于制造筒體受壓元件時，筒體的卷制方向應與鋼板的軋制方向相同。

1 我國鋼板軋制裝備與技術的發(fā)展

20 世紀60 年代開始，我國中厚板的軋機以2 500mm 軋機為主流， 軋機的技術水平較低，軋機剛度較低、軋制的鋼板幅面較窄、厚度較薄，無控制冷卻和熱處理的手段。 1973 年，我國引進技術建設了1 700mm 軋機工程，軋制1 700mm 熱軋薄板，用連鑄坯取代模鑄坯，至1978 年投產。 20世紀末，我國一方面大力進行中厚板軋機的改造，另一方面消化吸收引進技術，進行自主開發(fā)，自行設計、建造了大型高剛度、高精度的3 500mm 中厚板軋機，開發(fā)了厚度自動控制、加速冷卻技術、控軋控冷技術，于2004 年投產。 2013 年，我國南鋼投產了5 000mm 具有厚度控制、 板形控制、平面形狀控制的超強力中厚板軋機［6］。

鞍鋼等國內鋼鐵企業(yè)集成開發(fā)的中薄板坯連鑄連軋技術，形成了一套高效、節(jié)能、規(guī)模化、品種齊全的工業(yè)化熱軋鋼生產工藝流程。 寶鋼的5 000mm 寬厚板軋機和熱處理線集成了國內技術、引進關鍵技術和裝備，采用聯合設計、制造和國內設計、制造的方式，可軋制鋼板的厚度為5～400mm，寬度為900～4 800mm。 目前，我國的薄板連鑄連軋數量、 產能和軋機的裝備水平位居世界前列，熱軋機組的軋制能力、板形控制技術、板厚控制技術、溫度控制精度、層流冷卻線的控制能力和控制水平達到了國際新水平［7］。

中厚板的軋制過程分粗軋和精軋， 粗軋使鋼板橫向展寬和縱向延伸，精軋控制鋼板厚度、板形、性能和表面質量。 鋼板粗軋的常見軋制方法有縱軋、橫軋、橫軋+縱軋。 縱軋法是使鋼板沿鋼坯或鋼錠的縱向延伸， 容易造成鋼板組織和力學性能的各向異性，橫向沖擊韌性較低。 橫軋法是使鋼板沿鋼坯或鋼錠的橫向延伸， 可以減少鋼板組織和力學性能的各向異性。 橫軋+縱軋法是先使鋼板沿鋼坯或鋼錠的橫向延伸， 再將板坯旋轉90°進行軋制，能提高鋼板的橫向力學性能，適用于以連鑄坯為原料生產鋼板，是目前廣泛應用的中厚板生產工藝［8］。我國鋼鐵軋機裝備和技術水平的進步，為減少鋼板各向差異，提高和穩(wěn)定鋼板質量提供了可靠的裝備保障和技術保障， 使我國鍋爐和壓力容器用鋼板的質量顯著提高。

2 鋼板力學性能試驗的取樣規(guī)定

常用壓力容器鋼板的現行標準有GB/T 713—2014 《鍋 爐 和 壓 力 容 器 用 鋼 板》［1］、GB/T 3531—2014 《低 溫 壓 力 容 器 用 鋼 板》［9］、GB/T 3274—2017《碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋鋼板和鋼帶》［10］、GB/T 24511—2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》［1］，文獻［1，9］規(guī)定了鋼板力學性能試驗的取樣方向為橫向，即試樣的軸線方向與鋼板的軋制方向垂直； 文獻［10，11］只規(guī)定了鋼板力學性能試驗的取樣方法按GB/T 2975—2018《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》［12］的規(guī)定，但文獻［12］卻規(guī)定試樣軸線的方向與產品加工主方向的關系應在相應的產品標準或合同中注明。

3 壓力容器常用鋼板的力學性能對比試驗

為了掌握如今我國在軋鋼裝備和技術水平都處于世界前列的形勢下，壓力容器常用鋼板橫向與縱向力學性能的差異，隨機抽取了3 家鋼廠（A、B、C）生產的Q345R、Q245R 鋼板，分別進行橫向、縱向力學性能試驗，試驗的鋼板厚度為6、8、10、12、14mm，試驗結果見表1。

表1 Q345R、Q245R 鋼板橫向和縱向的力學性能試驗結果

從表1 可以看出，3 家鋼廠生產的Q345R、Q245R 鋼板，在試驗條件下，除C 廠生產的14mm厚Q245R 鋼板縱向沖擊吸收能量比橫向沖擊吸收能量的最大值大104%外， 其余鋼板的橫向力學性能與縱向力學性能試驗結果差異均較小，所有測試項目的試驗值均高于標準規(guī)定的指標。

楊景紅等用Q345R 熱連軋鋼板進行橫向、縱向拉伸試驗，試驗結果均滿足GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的要求，橫向、縱向的力學性能無明顯差異［13］。 宋立秋采用攀鋼生產的厚度3mm 的連鑄熱連軋HP295 焊接氣瓶用熱軋鋼板進行橫向、縱向力學性能試驗，發(fā)現兩向力學性能差異很小，沒有明顯的各向異性［14］。 王元清等采用坯料厚度為250、300mm 的鋼板進行縱向和橫向力學性能試驗，試驗結果表明鋼板的屈服強度、抗拉強度的試驗數值差異非常小， 斷后伸長率的試驗結果相差也很小， 縱向和橫向的沖擊吸收能量在厚度方向上呈無明顯規(guī)律變化， 單一厚度處的縱向和橫向沖擊吸收能量差異較大［15］。

本次采用不同鋼廠生產的6～14mm 壓力容器用Q345R、Q245R 鋼板進行縱向、 橫向力學性能試驗，相同試驗條件下鋼板的縱向和橫向的抗拉強度、斷后伸長率和沖擊吸收能量沒有明顯差異，試驗結論與其他研究人員的試驗結論基本一致。

4 結束語

幾十年前，由于我國的軋鋼裝備和技術水平比較落后， 生產的鋼板各向力學性能差異較大，存在橫向力學性能嚴重低于縱向力學性能的情況，因此，壓力容器制造標準根據圓筒受氣壓時環(huán)向應力是經向應力的2 倍的特點，要求卷制筒體時，應使鋼板的軋制方向與鋼板的卷制方向一致，以克服鋼板橫向力學性能不足的缺點。 隨著軋鋼裝備和技術水平的進步，當今我國的軋鋼裝備、技術水平已位居世界前列，有能力保障軋制鋼板的質量。 試驗證明，如今我國軋制鋼板各向力學性能的差異非常小，且均超過標準規(guī)定的技術指標，為方便壓力容器卷焊圓筒的備料、排料和加工，提高加工靈活性，對于厚度較薄的中低壓壓力容器卷焊圓筒， 不必限制鋼板的卷制方向，完全能夠滿足薄壁壓力容器的安全要求。