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1、抗氢致裂纹Q345R钢板生产工艺的开发与应用1 概 述在湿硫化氢环境中引起的压力容器与管道开裂事故的逐年增多和用户对成品油质的要求不断提高，石油化工行业对低温腐蚀环境下使用的材料提出了越来越严格的要求。由于Q345R钢板在苛刻的H2和H2S环境条件下因应力腐蚀裂纹和氢致裂纹会迅速开裂，因此抗氢致裂纹Q345R钢板（Q345R（HIC）开始大规模应用在石油化工行业中。但是随着用户对钢板安全性的要求不断提高，很多抗氢致裂纹Q345R钢板需要进行模拟焊后热处理检验。这不仅要求钢板在常规状态下（正火态）满足所有力学性能要求，而且模拟焊后热处理后的性能仍然要满足同一标准，并且容器封头钢板（以下简称封头板
2、）还要在模拟焊后热处理工艺前增加模拟封头热成型的热过程，严格的检验要求给钢厂提出了严峻的挑战。2 工艺开发难点分析抗氢致裂纹性能指标是本次工艺开发的难点之一。抗氢致裂纹是钢吸收由腐蚀而产生的氢所引起的，当材料中存在硫化夹杂物时，氢致开裂敏感性增大。为了提高材料的抗氢致开裂性能，应控制其质量分数与形态【7】。可通过提高钢水的洁净度，提高成分和组织的均匀性，在降低S元素含量的同时，进行喂钙处理，限制带状组织，细化晶粒，尽量降低叫C元素和Mn元素的含量，添加Re元素，Cu元素，Ni元素等合金元素来提高钢板的抗HIC能力。提高钢板模拟焊后热处理的性能是本次工艺开发的另一个难点。由于技术协议的限制，钢板
3、的碳当量不能高于0.43，同时为保证抗氢致裂纹性能，要降低C元素和Mn元素的含量，导致钢板强度降低。同时，由于GB713-2014的要求，Mo元素的含量不能超过0.08%。Mo元素在钢中能显著提高钢板的热强性，因此Mo元素含量较低将造成钢板经过模拟焊后热处理后，强度会大幅度降低。为提高钢板模拟焊后热处理强度，在正火工艺后增加弱冷工艺，提高正火态钢板强度，从而提高钢板模拟焊后热处理后的性能。3 抗氢致裂纹Q345R钢板成分及工艺设计由于钢板的特殊要求，成分设计时采用低S设计，并适当降低C元素和Mn元素的含量，通过合理的工艺控制，减少中心偏析，减少各类夹杂物，净化钢质。合金元素添加方面，添加Re元
4、素，Cu元素，Ni元素等合金元素来提高钢板的抗HIC能力。工业生产中化学成分设计值，由于钢中含有较多的有较高的Ni元素、Nb元素和Ti元素，此类钢钢温度达到900 以上，铌的碳氮化合物才开始分解固溶，使奥氏体晶粒开始形核长大，至1 2301 270 晶粒大小比较均匀，温度提高到1 300 时晶粒将进一步长大，即所谓二次再结晶发生。因此，为了轧制后的钢材具有均匀细小的晶粒，加热温度一般以1 250 为宜。若加热超过1 300 ，则奥氏体晶粒大小不均，使轧后钢材易产生混晶，并且晶粒会粗化。因此，加热温度设定为1 2301 270 。轧制工艺上，采用控轧的方法，在奥氏体未再结晶区控制轧制，目的是使奥
5、氏体晶粒拉长，同时在晶内形成大量变形带，增加奥氏体向铁素体转变时的晶核生成能，获得极其细小的铁素体晶粒，以提高钢的韧性，并在钢中形成铌的碳化物和氮化物，以抑制再结晶。其轧制工艺参数设定，热处理工艺上，由于传统的正火工艺难以满足抗氢致裂纹Q345R钢板模拟焊后热处理的性能要求，因此采用了正火+弱冷的方式提高钢板的强度。根据技术协议要求，钢板硬度不得大于200，但是弱冷会提高钢板的硬度，因此对弱冷工艺的选择变得十分重要。根据钢板的C曲线特性，最终选择钢板弱冷后的返红温度为520580 。因此最后选择的正火工艺为：温度880 10 ，升温速率1.4 min/mm，净保温时间为10 min，弱冷后空冷
6、。4 抗氢致裂纹Q345R钢板工业试制根据上述成分及工艺设计，一次性生产300余t抗氢致裂纹Q345R钢板，各种工艺参数完全符合设计工艺参数。经检验室检验后，正火态试样性能全部合格且富余量较大，筒体钢板性能全部合格，部分封头板强度和冲击不合。典型的钢板厚度及性能数据，见表5。由表5可见，以40 mm为厚度组距分界，厚度在40 mm以下的筒体板和封头板的常规性能差别不大，厚度在40 mm以上的筒体板和封头板的常规性能也基本相同，但是经过模拟焊后热处理后的性能相差较大，因此模拟焊后热处理工艺的差别导致钢板模拟焊后热处理后性能的差别。由于封头板在模拟焊后热处理前有一个模拟封头热成型的热过程，其温度远
7、高于模拟焊后热处理的温度，因此导致封头板的力学性能发生较大变化。同时，由于碳当量和合金元素含量上的限制，成分上没有调整的空间，只能在工艺上加以改进。为应对封头板模拟焊后热处理工艺的严苛要求，对钢板的弱冷工艺做出了调整，即将原返红温度范围从520580 降低至480520 ，提高了钢板的强度和组织均匀性。经过重新热处理的封头钢板送检后，封头板常规性能没有明显变化，但是钢板模拟焊后热处理的性能有了较大提高。封头钢板典型厚度及性能，见表6。在钢板上取试样委托鞍钢技术中心进行抗氢致裂纹俭测。试样尺寸为100x20x30 mm（厚度小于30 mm的钢板试样规格为板厚x100x20 mm），压力为常压、密
8、闭隔氧，温度为常温。试验标准采用NACE TM 0284，试验溶液为A溶液，通入H2S气体至饱和。试验开始时PH≤3.3，结束时PH≤4.0，试验时间为 96 h，试验结束后取出试样观察氢鼓泡现象。结果显示，裂纹敏感率CSR、裂纹长度率CLR、裂纹宽度率CTR均为0，充分说明研制的抗氢致裂纹Q345R钢板具有优异的抗HIC性能。同时，在鞍钢技术中心对抗氢致裂纹Q345R钢板进行了1/4处金相组织分析，结果表明钢板带状组织轻微，晶粒比较细小，如图1所示。5 结 语通过合理的成分设计和工艺路线制定，成功开发出抗氢致裂纹Q345R钢板，检测结果表明，钢板的探伤结果、力学性能全部合格，抗氢致裂纹检测结果优异。另外，由于钢板成分上的限制，为满足严苛的模拟焊后热处理性能的要求，需要对正火后的钢板进行弱冷处理，提高钢板性能。参考文献：【1】 张安良，姚希梦.压力容器用钢的硫化氢应力腐蚀.压力容器，1998，15（1）：25-27.