壓力容器常用鋼板的橫向與縱向力學(xué)性能差異

熊從貴 何 靜 陳送送

（臺(tái)州龍江化工機(jī)械科技有限公司）

卷焊壓力容器因具有制造簡(jiǎn)單、對(duì)工藝裝備要求不高、 加工周期短及設(shè)備制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，故普遍應(yīng)用于中、低壓和小直徑高壓容器的生產(chǎn)中。薄壁圓筒受力分析的理論依據(jù)是無力矩理論，被認(rèn)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(nèi)部氣壓狀態(tài)下，其環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力的2 倍。

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

1 我國(guó)鋼板軋制裝備與技術(shù)的發(fā)展

20 世紀(jì)60 年代開始，我國(guó)中厚板的軋機(jī)以2 500mm 軋機(jī)為主流， 軋機(jī)的技術(shù)水平較低，軋機(jī)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(guó)引進(jìn)技術(shù)建設(shè)了1 700mm 軋機(jī)工程，軋制1 700mm 熱軋薄板，用連鑄坯取代模鑄坯，至1978 年投產(chǎn)。 20世紀(jì)末，我國(guó)一方面大力進(jìn)行中厚板軋機(jī)的改造，另一方面消化吸收引進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行自主開發(fā)，自行設(shè)計(jì)、建造了大型高剛度、高精度的3 500mm 中厚板軋機(jī)，開發(fā)了厚度自動(dòng)控制、加速冷卻技術(shù)、控軋控冷技術(shù)，于2004 年投產(chǎn)。 2013 年，我國(guó)南鋼投產(chǎn)了5 000mm 具有厚度控制、 板形控制、平面形狀控制的超強(qiáng)力中厚板軋機(jī)［6］。

鞍鋼等國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)集成開發(fā)的中薄板坯連鑄連軋技術(shù)，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(chǎn)工藝流程。 寶鋼的5 000mm 寬厚板軋機(jī)和熱處理線集成了國(guó)內(nèi)技術(shù)、引進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)和裝備，采用聯(lián)合設(shè)計(jì)、制造和國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、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(guó)的薄板連鑄連軋數(shù)量、 產(chǎn)能和軋機(jī)的裝備水平位居世界前列，熱軋機(jī)組的軋制能力、板形控制技術(shù)、板厚控制技術(shù)、溫度控制精度、層流冷卻線的控制能力和控制水平達(dá)到了國(guó)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(zhì)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(xué)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(xué)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(zhuǎn)90°進(jìn)行軋制，能提高鋼板的橫向力學(xué)性能，適用于以連鑄坯為原料生產(chǎn)鋼板，是目前廣泛應(yīng)用的中厚板生產(chǎn)工藝［8］。我國(guó)鋼鐵軋機(jī)裝備和技術(shù)水平的進(jìn)步，為減少鋼板各向差異，提高和穩(wěn)定鋼板質(zhì)量提供了可靠的裝備保障和技術(shù)保障， 使我國(guó)鍋爐和壓力容器用鋼板的質(zhì)量顯著提高。

2 鋼板力學(xué)性能試驗(yàn)的取樣規(guī)定

常用壓力容器鋼板的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋鋼板和鋼帶》［10］、GB/T 24511—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》［1］，文獻(xiàn)［1，9］規(guī)定了鋼板力學(xué)性能試驗(yàn)的取樣方向?yàn)闄M向，即試樣的軸線方向與鋼板的軋制方向垂直； 文獻(xiàn)［10，11］只規(guī)定了鋼板力學(xué)性能試驗(yàn)的取樣方法按GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》［12］的規(guī)定，但文獻(xiàn)［12］卻規(guī)定試樣軸線的方向與產(chǎn)品加工主方向的關(guān)系應(yīng)在相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或合同中注明。

3 壓力容器常用鋼板的力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)

為了掌握如今我國(guó)在軋鋼裝備和技術(shù)水平都處于世界前列的形勢(shì)下，壓力容器常用鋼板橫向與縱向力學(xué)性能的差異，隨機(jī)抽取了3 家鋼廠（A、B、C）生產(chǎn)的Q345R、Q245R 鋼板，分別進(jìn)行橫向、縱向力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)的鋼板厚度為6、8、10、12、14mm，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 Q345R、Q245R 鋼板橫向和縱向的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

從表1 可以看出，3 家鋼廠生產(chǎn)的Q345R、Q245R 鋼板，在試驗(yàn)條件下，除C 廠生產(chǎn)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(xué)性能與縱向力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果差異均較小，所有測(cè)試項(xiàng)目的試驗(yàn)值均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)。

楊景紅等用Q345R 熱連軋鋼板進(jìn)行橫向、縱向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(xué)性能無明顯差異［13］。 宋立秋采用攀鋼生產(chǎn)的厚度3mm 的連鑄熱連軋HP295 焊接氣瓶用熱軋鋼板進(jìn)行橫向、縱向力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩向力學(xué)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(jìn)行縱向和橫向力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)值差異非常小， 斷后伸長(zhǎng)率的試驗(yàn)結(jié)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(chǎn)的6～14mm 壓力容器用Q345R、Q245R 鋼板進(jìn)行縱向、 橫向力學(xué)性能試驗(yàn)，相同試驗(yàn)條件下鋼板的縱向和橫向的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和沖擊吸收能量沒有明顯差異，試驗(yàn)結(jié)論與其他研究人員的試驗(yàn)結(jié)論基本一致。

4 結(jié)束語

幾十年前，由于我國(guó)的軋鋼裝備和技術(shù)水平比較落后， 生產(chǎn)的鋼板各向力學(xué)性能差異較大，存在橫向力學(xué)性能嚴(yán)重低于縱向力學(xué)性能的情況，因此，壓力容器制造標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)圓筒受氣壓時(shí)環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力的2 倍的特點(diǎn)，要求卷制筒體時(shí)，應(yīng)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(xué)性能不足的缺點(diǎn)。 隨著軋鋼裝備和技術(shù)水平的進(jìn)步，當(dāng)今我國(guó)的軋鋼裝備、技術(shù)水平已位居世界前列，有能力保障軋制鋼板的質(zhì)量。 試驗(yàn)證明，如今我國(guó)軋制鋼板各向力學(xué)性能的差異非常小，且均超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，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(duì)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。