高性能壓力容器用鋼板的開發(fā)與應用

壓力容器廣泛運用于石油化工設備、能源化工、電力工程、冶金工業(yè)、天然氣、電力能源等社會經濟主導產業(yè)及其航天工程、國防軍工等關鍵行業(yè)，其材料、設計方案、生產制造技術實力是體現一個國家高端裝備制造綜合實力的關鍵標示。壓力容器用鋼板是壓力容器產品上五大類材料（包含鋼板、無縫鋼管、鋼鑄鋼件、圓鋼和電焊焊接材料）最為重要的材料，其總重占鋼質壓力容器商品重量90%，年產值占生產總值的40%上下。壓力容器承受著持續(xù)高溫、髙壓、超低溫制氫、繁雜浸蝕等嚴苛情況，因而，做為壓力容器關鍵材料的壓力容器用鋼板必需要承受持續(xù)高溫、超低溫制氫、繁雜腐蝕環(huán)境等長期性運作考評，必須比較高的技術要求和綜合性能。

1 壓力容器用鋼板的技術要求

壓力容器用鋼板應當符合TSG 21-2016上對建筑鋼材的技術要求。

1.1 冶煉廠方式

壓力容器受壓元件用鋼板，應該是O2煉鋼爐或是加熱爐冶煉廠的低合金鋼。對規(guī)范抗拉強度下限制值超過540MPa的高合金鋼鋼板和馬氏體-430不銹鋼鋼板，以及用于設計方案溫度小于-20℃的超低溫鋼板，還應當采用爐外精煉加工工藝。

1.2 成分

用以焊接碳鋼和高合金鋼鋼板，其C≤0.25%、P≤0.035%、S≤0.035%。

壓力容器專用型鋼里的碳鋼和高合金鋼鋼板的成分如下所示：

1）規(guī)范抗拉強度下限制值≤540MPa的建筑鋼材，P≤0.030%、S≤0.020%；

2）規(guī)范抗拉強度下限制值>540MPa的建筑鋼材，P≤0.025%、S≤0.015%；

3）用以設計方案溫度小于-20℃而且規(guī)范抗拉強度下限制值≤540MPa的建筑鋼材，P≤0.025%、S≤0.012%；

4）用以設計方案溫度小于-20℃而且規(guī)范抗拉強度下限制值>540MPa的建筑鋼材，P≤0.020%、S≤0.010%。

1.3物理性能

1.3.1沖擊性吸取能量

薄厚≥6mm的鋼板，依照設計要點的應力測試溫度中的V型空缺試件沖擊性吸取能量（KV2）指標值必須符合表1的相關規(guī)定。

1.3.2斷后伸長率

焊接件用碳鋼、低合金高強度鋼和合金結構鋼低溫鋼鋼板，其斷后伸長率指標值應當符合表2的相關規(guī)定；壓力容器受壓元件用鋼板的斷后伸長率指標值還應當符合相對應鋼板標準化的要求；采用不同規(guī)格試樣的斷后伸長率指標值，理應按照GB/T 17600.1《鋼的伸長率換算 第1部分：碳素鋼和低合金鋼》和GB/T 17600.2《鋼的伸長率換算 第2部分：奧氏體鋼》開展計算，計算后指標值合乎斷后伸長率的相關規(guī)定。

1.4 鋼板超聲波檢測

1.4.1檢驗規(guī)定

薄厚≥12mm的碳鋼和高合金鋼鋼板（不包含雙層壓力容器的多層板）用于制造壓力容器關鍵受壓元件時，對符合以下條件之一的，理應逐張開展超聲波檢測：

1）盛放毒副作用傷害程度為極其、相對高度傷害介質壓力容器用鋼板；

2）在濕H2S腐蝕環(huán)境中常用的壓力容器用鋼板；

3）設計壓力≥10MPa（壓力容器）的壓力容器用鋼板；

4）產品執(zhí)行標準或是設計師規(guī)定逐張開展超聲波檢測的壓力容器用鋼板。

1.4.2檢測和合格分數線

鋼板超聲波檢測理應按照NB/T 47013.3《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》的相關規(guī)定開展，合乎第（1）-（3）項的鋼板，達標級別不少于Ⅱ級；合乎第（4）項的鋼板，達標級別依照相對應產品執(zhí)行標準或是施工圖紙的相關規(guī)定。

2 壓力容器用鋼板規(guī)范及其應用

現階段，由中國鋼標準化技術委員會歸口管理擬定且早已施行的壓力容器用鋼板規(guī)范主要包括4項：GB/T 713-2014《加熱爐和壓力容器用鋼板》、GB/T 3531-2014《超低溫壓力容器用鋼板》、GB/T 19189-2011《壓力容器用熱處理高韌性鋼板》和GB/T 24511-2017《承壓設備用不銹鋼板和耐磨鋼鋼板和帶鋼》。在壓力容器產品執(zhí)行標準GB/T 150.2-2011《壓力容器 第2一些：材料》里還明確了別的型號的壓力容器用鋼板，及其壓力容器用鋼板在壓力容器產品生產里的明確的規(guī)定。在GB/T 150.2中可以應用ISO 9328-2-2009里的P265GH和P355GH鋼板，在GB/T 150.2第1號改動單里容許應用國外機械設備工程師協會加熱爐壓力容器標準ASME BPVC.Ⅱ.A SA-516M、ASME BPVC.Ⅱ.A SA-537M、ASME BPVC.Ⅱ.A SA-387M里的SA-516 Gr70、SA-537 Cl 1和SA-387 Gr12Cl 2鋼板。

GB 150.2里還明確了壓力容器用復合板（含發(fā)生爆炸電焊焊接法及軋制復合法制造出來的復合板）的要求，復合板規(guī)范分別是NB/T 47002.1-2019《壓力容器用復合板 第1一部分：不銹鋼板-鋼復合板》，NB/T 47002.2-2019《壓力容器用復合板 第2一些：鎳-鋼復合板》，NB/T 47002.3-2019《壓力容器用復合板 第3一部分：鈦-鋼復合板》，NB/T 47002.4-2019《壓力容器用復合板 第4一部分：銅-鋼復合板》。

2.1 《加熱爐和壓力容器用鋼板》規(guī)范及其應用

GB/T 713-2014規(guī)范共納入Q245R、Q345R、Q370R、Q420R、18MnMoNbR、13MnNiMoR、15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R、12Cr2Mo1VR、12Cr1MoVR和07Cr2AlMoR等12個型號。

Q420R是為了挪動壓力容器研發(fā)的鋼板。移動壓力容器（包含車輛槽罐車、鐵路線槽罐車）里的油罐車材料一直采用傳統Q345R材料，該材料的抗拉強度下限制值為510MPa，材料的抗剪強度值太低，油罐車設計薄厚相對性大，汽車的物流效率低（因為油罐車容器凈重大）。為了緩解汽車的自身凈重，提升汽車的密度比來運輸高效率，依照歐盟國家統一標準EN 10028-3規(guī)范里的P460NH鋼研發(fā)了淬火型Mn-Ni-V-Nb-N低合金高強度鋼Q420R，比傳統Q345R，材料規(guī)范抗拉強度下限制值由510MPa提升到590MPa，可有效降低挪動器皿厚度，緩解挪動壓力容器的本身凈重，提升運輸高效率。選用該鋼板可生產制造外觀尺寸為13590×2550×4000（mm），容量為61.9m3的液化氣體運送大貨車，能夠運載LPG凈重26噸，此車儲罐減脂實際效果十分明顯。

2.25Cr-1Mo-0.30V（12Cr2Mo1VR）為板焊式厚壁管加氫反應器建筑用鋼，為ASME BPVC.Ⅱ.A SA-542M里的Type D Cl 4a，基本特征為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼，即在傳統2.25Cr-1Mo（12Cr2Mo1R）抗氫鋼里加入0.25%-0.35%V，與此同時調節(jié)別的營養(yǎng)元素，大幅度減少建筑鋼材里的S、P等雜質及其Sn、Sb等有害元素，從而顯著提升其高熱抗壓強度、抗回火脆性及抗堆焊層脫離特性。12Cr2Mo1VR和12Cr2Mo1R對比具備優(yōu)點：提升了抗壓強度，在常溫下，2.25Cr-1Mo-0.30V標準的抗拉強度為590-760MPa，而原先的2Cr-1Mo鋼僅是520-680 MPa，標準的最小抗拉強度值提升了13.5%；2021年版ASME 標準第Ⅷ卷第Ⅱ冊中給的2Cr-1Mo-V鋼在454℃中的設計方案抗剪強度對比2Cr-1Mo鋼提升了30%之上。那可使設備輕量。除此之外，因為釩原素在鋼中構成了耐熱性非常高的炭化釩，因此使12Cr2Mo1VR具有非常好的抗持續(xù)高溫氫腐蝕能；與此同時，提升了抗淬火老化特性，鋼板和焊縫金屬的“步脆性斷裂化”處理及系列產品溫度應力測試結果顯示，實驗前后變化溫度增加量都不大，表明沒有明顯淬火老化狀況。

在GB/T 713中要求，Q245R和Q345R鋼板的供應狀態(tài)為熱扎、控軋或淬火，但沒有明確在什么樣的條件下務必淬火，所以在GB150.2中明確了Q245R和Q345R鋼板在符合以下條件之一者需在正火狀態(tài)下應用：

1）用以雙層容器中筒的Q245R和Q345R；

2）用以外殼厚度超過36mm的Q245R和Q345R；

3）用以別的受壓元件（法蘭盤、筒體、平蓋等）厚度超過50mm的Q245R和Q345R。

在壓力容器的設計中，最主要的基礎數據便是材料的抗剪強度，抗剪強度計算應同時考慮：材料常溫下的抗拉強度；材料設計方案溫度中的抗拉強度；材料設計方案溫度下經10萬鐘頭斷裂的長久屈服極限的均值；材料設計方案溫度下經10萬鐘頭應力松弛率是1%的應力松弛極限值均值。計算，用抗拉強度下標準值、抗拉強度下限制值、長久屈服極限均值、應力松弛極限值均值等各自除于最少安全性能，抗拉強度的最小安全性能為1.5，抗拉強度的最小安全性能2.7，長久屈服極限的最小安全性能1.5，應力松弛極限最少安全性能為1.0，以上4個系數的極小值為材料的抗剪強度。