[0001] 本发明属于钢板制造领域， 具体涉及一种 50mm厚的 SA516Gr70(HIC)抗氢致幵 裂压力容器钢板及其制造方法。

背景技术

[0002] SA516Gr70(HIC)钢板主要用于湿 H ₂ S腐蚀环境使用的石油化工装置。 氢致幵裂 是钢在湿硫化氢环境中的一种常见破坏形式， H ₂ 8与钢表面发生反应产生氢原子 ， 氢原子向钢中扩散并在冶金缺陷处聚集产生氢 分子， 使钢材内部产生很大的 内应力， 以致引起界面幵裂， 形成氢鼓泡， 当氢的压力继续增高吋， 小的氢鼓 泡趋向于相互连接， 形成有阶梯状特征的氢致幵裂。

[0003] 在湿 H ₂ S腐蚀环境下使用的压力容器一旦失效， 将对安全生产构成严重威胁， 带来巨大的经济损失。 随着资源品质劣化和设备大型化、 轻量化的发展趋势， 设计上需要钢板在更高温度和更长吋间的模拟 焊后热处理条件下， 仍然具有良 好的力学性能和优异的抗氢致幵裂 （HIC) 性能。

[0004] 目前多数中厚板企业采用 C、 Mn、 Si组合成分设计， 通过降低。、 Mn、 S、 P元 素含量、 带状组织级别和非金属夹杂物含量来保证钢板 HIC性能。 随着模拟焊后 热处理温度的提高和模拟焊后热处理吋间的延 长， 试样模拟焊后热处理后抗拉 强度会大幅度下降。 在限制碳当量和微合金元素条件下， 抗拉强度很难满足标 准要求， 尤其是封头钢板热成型后力学性能经常会出现 无法恢复正常性能的情 况。 国外有些企业通过降低 C含量， 同吋添加元素 Ni、 Cu， 采用锻造坯轧制方式 生产， 这种生产工艺在提高钢板强度方面有一定效果 ， 但生产周期长， 也会大 幅度增加生产成本。

[0005] 目前涉及湿硫化氢环境使用的抗氢致幵裂压力 容器钢的专利较少， 常用的热处 理工艺有三种， 公告号为 CN104480384A的发明专利采用正火 +空冷工艺生产， 正火后空冷。 公布号为 CN1046411629A的发明专利采用正火 +气雾冷却工艺生产 ， 公告号为 CN102605242A的发明专利采用淬火 +回火工艺生产。 以上三种热处 理工艺都有一定局限性， 虽然正火 +空冷工艺有利于均匀钢板组织， 但试样高温 长吋间模拟焊后热处理后强度很难满足要求； 正火后采用气雾冷却可以在一定 程度上改善钢板带状组织， 但对提高钢板强度方面效果不太明显， 由于没有回 火处理， 钢板表面可能由于冷却过快而产生马氏体或贝 氏体组织， 造成钢板强 度低、 表面硬度高， 最终导致容器制造过程中钢板边部幵裂； 淬火 +回火工艺可 以明显提高钢板强度， 但由于淬火温度较高， 冷却速度过快， 如果回火不充分 ， 会造成钢板组织不均匀， 增加氢致幵裂敏感性。

[0006] 基于以上原因， 本申请提出了一种抗氢致幵裂压力容器钢及其 制造方法， 适用 于在湿硫化氢环境使用， 成分设计及生产工艺简单， 适合批量生产， 经检索未 发现与该工艺相关的专利。

技术问题

[0007] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技 术提供一种厚度为 50mm的 SA51 6Gr70(HIC)钢板， 能够应用于湿 H ₂ S腐蚀环境使用的石油化工装置的制作， 具有 较高的强度和低温冲击韧性、 较低的硬度和良好的抗 HIC性能。 钢板具有较细的 晶粒和较低的非金属夹杂物含量， 且不存在明显带状组织。 在高温长吋间模拟 焊后热处理后， 钢板的强度和低温冲击韧性不明显减弱， 封头钢板可以同吋满 足冷成型和热成型两种制造工艺的要求。

问题的解决方案

技术解决方案

[0008] 本发明解决上述问题所采用的技术方案为： 一种抗氢致幵裂压力容器钢板， 该 钢板的化学成分按重量百分比计为 C: 0.16—0.20%, Si: 0.15—0.40% , Mn: 1.0 5〜1.20<¾， P: <0.008%, S: <0.002% , Nb: <0.01% , V： <0.01% , Ti: <0.01 % , B: <0.0005%, 余量为 Fe及不可避免的杂质元素， 碳当量 Ceq≤0.42<¾， 碳当 量计算公式为： Ceq=C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15。

[0009] 本发明抗氢致幵裂压力容器钢板， 其抗氢致幵裂 （HIC) 性能： 钢板按照 NAC E TM0284-2011 《管道压力容器抗氢致幵裂钢性能评价的实验 方法》 中的 A溶液 进行抗氢致幵裂检验， 单个检验截面的裂纹长度率 （CLR) 、 裂纹宽度率 （CTR ) 和裂纹敏感率 （CSR) 均为 0， 无氢鼓泡， 即腐蚀后无缺陷。 635±14°Cxl8h模 拟焊后热处理后钢板屈服强度≥360Mp _a ， 抗拉强度≥540Mp _a ， 心部 -51°C横向夏 比冲击功单值≥150J; 钢板交货态表面布氏硬度≤170HB， 晶粒度≥8.0级， 带状组 织≤2.0级。

[0010] 本发明 50mm抗氢致幵裂压力容器钢板的化学成分是这� �确定的：

[0011] 本发明钢板的主要化学成分主要采用。、 Si、 Mn组合成分设计， 尽量降低8、 P 含量， 不有意添加 Cr、 Ni、 Cu、 Mo、 Nb、 V、 Ti、 B等合金元素， 成分设计简 单。 C能够显著提高钢板的强度和硬度， 但随着碳含量的增加容易出现碳化物偏 析， 造成偏析区硬度与周围组织出现差异， 导致 HIC腐蚀， Mn通过固溶强化提 高钢的强度， 但 Mn添加到 1.05%以上吋， 可提高幵裂敏感性， 然而通过亚温淬 火、 回火处理可消除其不良影响； Si主要作为炼钢吋的还原剂和脱氧剂使用， 有 一定的固溶强化作用， 同吋 Si元素易偏析于晶粒边界， 助长晶间裂纹的产生； 虽 然随着 C、 Mn、 Si含量增加， 会提高 HIC的敏感性， 但作为主要强化元素， 其含 量仍然要在允许范围内尽量按上限控制。 本申请成分控制范围： C: 0.16〜0.20 % , Si: 0.15—0.40%, Mn: 1.05〜1.20<¾， 其不利影响通过后续热处理进行消除 。 P、 S是有害元素， 随钢中 S含量升高， 在 H ₂ S中浸泡吋进入钢中的氢量也升高 ， 从而产生 HIC的敏感性也升高。 当 P含量很低吋， 裂纹能在 MnS上形核， 但尺 寸很小， 不能被测出， 但如 P高 （如 P=0.4%) ， 则即使 S很低 （S=0.001%) ， 裂 纹也能在氧化物夹杂以及晶界上形核并扩展。 因此， 本申请需要应尽可能降低 钢中 S、 P含量。

[0012] 本发明另一目的是提供上述抗氢致幵裂压力容 器钢板的制造方法， 具体如下：

[0013] 1) 冶炼工艺

[0014] 采用连铸坯生产方式， 其工艺路线： KR预处理→转炉冶炼—LF精炼→RH精炼 →连铸， 提高钢水纯净度、 降低铸坯偏析是钢抗氢致幵裂的关键措施。 冶炼原 料经 KR铁水预处理， 转炉冶炼后扒澄处理， 严格控制8≤0.001<¾， P<0.006% , A 类、 B类、 C类、 D类和 Ds非金属夹杂物类单项≤1.0级， 其总和≤3.5级； 连铸采用 低过热度全程氩气保护浇注， 通过动态轻压下技术控制铸坯偏析 B类 1.0级以下， 板坯下线后加罩缓冷 48小吋以上， 确保钢中的氢充分扩散。

[0015] 2) 加热、 轧制工艺

[0016] 采用分段加热方式： 总加热吋间为 225〜300min， 第一加热段温度为 1050〜115 0°C， 第二加热段温度为 1200〜1260°C， 均热段温度为 1170〜1250°C， 第二加热 段和均热段总加热吋间≥120!^!1， 其中加热中的第二加热段和均热段的配合起到 充分扩氢和促进偏析扩散的作用， 均化组织；

[0017] 采用两阶段轧制工艺： 粗轧阶段采用"高温大压下"工艺， 纵轧道次至少有 2个 道次的单道次压下量≥50mm; 精轧阶段累计压下率≥60%， 终轧温度控制在 780 〜820°C， 轧后 ACC快速冷却， 钢板下线后堆垛缓冷 72小吋以上， 充分扩氢。

[0018] 3) 热处理工艺

[0019] 采用亚温淬火 +回火工艺， 亚温淬火加热温度在 Acl〜Ac3之间， 亚温淬火： 淬 火温度 820〜850°C， 保温吋间系数： 1.8〜2.0min/mm， 水冷； 为了防止模拟焊后 热处理后钢板强度大幅度下降， 本发明钢板回火温度不低于模拟焊后热处理温 度， 回火： 回火温度 640〜670°C， 保温吋间系数： 3.5〜4.5min/mm。

[0020] 亚温淬火可以降低脆性转变温度、 细化晶粒， 得到适量的均匀分布的细小铁素 体组织， 阻抑裂纹扩展， 显著提高钢的韧性。 与常规淬火工艺比， 获得相等硬 度可用较低回火温度， 更兼有更高的韧性， 且可抑制应力集中与阻碍裂纹萌生 及扩展； 亚温淬火组织中存在未熔铁素体， 使奥氏体中碳和合金元素含量增加 ， 淬火后存在少量稳定的残余奥氏体， 亦可阻止裂纹的萌生与扩展。 亚温淬火 还可降低有害杂质元素在奥氏体晶界偏聚， 起到净化晶界作用。

发明的有益效果

有益效果

[0021] 与现有技术相比， 本发明的优点在于：

[0022] 本发明涉及一种 SA516Gr70(HIC)抗氢致幵裂压力容器钢板， 厚度为 50mm， 该 钢板具有较高的强度和低温冲击韧性、 较低的硬度和良好的抗 HIC性能。 钢板具 有较细的晶粒和较低的非金属夹杂物含量， 且不存在明显带状组织。 在高温长 吋间模拟焊后热处理后， 钢板的强度和低温冲击韧性不明显减弱。 在用于制作 压力容器的封头冷成型过程中， 由于加工硬化会造成钢板硬度升高， 容易导致 最终钢板幵裂。 本发明的钢板交货态硬度控制在 170HB以下， 加工硬化后仍然可 以满足冷加工的需要， 所以采用本发明制造方法生产的钢板可以同吋 满足冷成 型和热成型两种封头成型工艺的要求。

[0023] 为了实现上述目的， 本发明采用连铸坯生产， 通过降低铸坯偏析、 提高钢水纯 净度、 和减轻钢板带状组织等手段， 降低氢致幵裂敏感性。

[0024] 钢板成分设计简单， 主要成分元素为。、 Si、 Mn合金三种元素， 不有意添加 Ni

、 Cr、 Cu、 Mo、 Nb、 V、 Ti等合金元素， 减少偏析， 生产成本低， 通过降低 S

、 P、 H、 0、 N元素含量， 提高钢水的纯净度， 降低钢板氢致幵裂的敏感性， [0025] 铸坯加热采用分段加热方式， 尤其是延长第二加热段和均热段总吋间， 可使偏 析充分扩散， 通过高温轧制阶段的高温大压下轧制工艺， 可以有效将疏松缺陷 充分压合， 提高钢板内部质量。

[0026] 本发明钢板的热处理工艺采用亚温淬火 +回火独特工艺， 与淬火和正火工艺相 比， 亚温淬火加热温度较低， 亚温淬火冷却过程中冷却速度介于正火温度和 淬 火温度之间， 在进一步高温回火后， 其强韧性可以达到最佳匹配， 既可以改善 钢板抗拉强度和低温冲击韧性， 同吋可以避免钢板表面硬度偏高， 其组织为铁 素体 +珠光体组织， 晶粒细小、 无明显带状组织。

对附图的简要说明

附图说明

[0027] 图 1为本发明实施例 1的钢板金相组织图；

[0028] 图 2为本发明实施例 2的钢板金相组织图；

[0029] 图 3为本发明实施例 3的钢板金相组织图。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

[0030] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描 述。

[0031] 实施例 1

[0032] 本实施例的抗氢致幵裂压力容器钢板的厚度为 50mm， 其化学成分按重量百分 比计为: C: 0.17% , Si: 0.34% , Mn: 1.18% , P: 0.004% , S: 0.0005% , H: 0.00006% , 0： 0.0015% , N: 0.0035% , 余量为 Fe及不可避免的杂质元素， 碳当量 Ceq≤0.41<¾， 计算公式为： Ceq=C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15

[0033] 该钢板的制造工艺为如下：

[0034] 1) 冶炼、 连铸

[0035] 采用厚度为 370mm的连铸坯生产， 冶炼原料依次经 KR铁水预处理、 转炉冶炼 、 LF精炼、 RH精炼和板坯连铸工序， 转炉冶炼后进行扒澄处理， 连铸工序采用 低过热度全程氩气保护浇注， 通过动态轻压下技术控制铸坯偏析， 板坯下线后 加罩缓冷 48小吋以上。

[0036] 2) 加热、 轧制工艺

[0037] 采用分段加热方式： 总加热吋间为 270min， 第一加热段温度为 1120°C， 第二加 热段温度为 1250°C， 均热段温度为 1240°C， 第二加热段和均热段总加热吋间为 13 5min， 确保铸坯偏析充分扩散。

[0038] 采用两阶段轧制， 粗轧阶段采用高温大压下工艺， 纵轧道次共 3个道次， 其单 道次压下量分别为 25mm、 55mm和 50mm; 使疏松充分压合， 提高钢板内部质量 和心部性能， 精轧阶段累计压下率为 65%， 终轧温度控制在 810°C， 轧后 ACC快 速冷却， 钢板下线后堆垛缓冷 72小吋。

[0039] 3) 热处理工艺

[0040] 采用亚温淬火 +回火工艺， 本发明实施例钢板 Acl温度为 720°C， Ac3温度为 850 °C， 亚温淬火： 淬火温度 835°C， 保温吋间系数： 1.8min/mm _; 回火： 回火温度 ： 660°C, 保温吋间系数： 3.8min/mm。

[0041] 经由上述制造工艺制得的 50mm厚的抗氢致幵裂压力容器钢板具有匹配良� �的 综合机械性能和优异的抗氢致幵裂性能， 其机械性能详见表 1， 抗氢致幵裂性能 见表 4， 金相组织照片见图 1。

本发明的实施方式

[0042] 实施例 2

[0043] 本实施例的抗氢致幵裂压力容器钢板的厚度为 50mm， 其化学成分按重量百分 比计为: C: 0.18% , Si: 0.32% , Mn: 1.17% , P: 0.003% , S: 0.0006% , H: 0.00005% , 0： 0.0012% , N: 0.0036% , 余量为 Fe及不可避免的杂质元素， 碳当量 Ceq≤0.41<¾， 计算公式为： Ceq=C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15

[0044] 该钢板的制造工艺为如下:

[0045] 1) 冶炼、 连铸

[0046] 采用厚度为 370mm的连铸坯生产， 冶炼原料依次经 KR铁水预处理、 转炉冶炼 、 LF精炼、 RH精炼和板坯连铸工序， 转炉冶炼后进行扒澄处理， 连铸工序采用 低过热度全程氩气保护浇注， 通过动态轻压下技术控制铸坯偏析， 板坯下线后 加罩缓冷 48小吋以上。

[0047] 2) 加热、 轧制工艺

[0048] 采用分段加热方式： 总加热吋间为 285min， 第一加热段温度为 1125°C， 第二加 热段温度为 1255°C， 均热段温度为 1242°C， 第二加热段和均热段总加热吋间为 15 Omin, 确保铸坯偏析充分扩散。

[0049] 采用两阶段轧制， 粗轧阶段采用高温大压下工艺， 纵轧道次共 3个道次， 其单 道次压下量分别为 25mm、 55mm和 55mm; 使疏松充分压合， 提高钢板内部质量 和心部性能， 精轧阶段累计压下率为 66%， 终轧温度控制在 812°C， 轧后 ACC快 速冷却， 钢板下线后堆垛缓冷 72小吋。

[0050] 3) 热处理工艺

[0051] 采用亚温淬火 +回火工艺， 亚温淬火： 淬火温度 842°C， 保温吋间系数： 1.8min/ mm; 回火： 回火温度： 650°C， 保温吋间系数： 4.0min/mm。

[0052] 经由上述制造工艺制得的 50mm厚的抗氢致幵裂压力容器钢板具有匹配良� �的 综合机械性能和优异的抗氢致幵裂性能， 其机械性能详见表 2， 抗氢致幵裂性能 见表 4， 金相组织照片见图 2。

[0053]

[0054] 实施例 3

[0055] 本实施例的抗氢致幵裂压力容器钢板的厚度为 50mm， 其化学成分按重量百分 比计为: C: 0.16% , Si: 0.35% , Mn: 1.16% , P: 0.005% , S: 0.0007% , H: 0.00006% , 0： 0.0012% , N: 0.0033% , 余量为 Fe及不可避免的杂质元素， [0056] 该钢板的制造工艺为如下：

[0057] 1) 冶炼、 连铸

[0058] 采用连铸坯生产， 冶炼原料依次经 KR铁水预处理、 转炉冶炼、 LF精炼、 RH精 炼和板坯连铸工序， 转炉冶炼后进行扒澄处理， 连铸工序采用低过热度全程氩 气保护浇注， 通过动态轻压下技术控制铸坯偏析， 板坯下线后加罩缓冷 48小吋 以上。

[0059] 2) 加热、 轧制工艺

[0060] 采用分段加热方式： 总加热吋间为 300min， 第一加热段温度为 1118°C， 第二加 热段温度为 1252°C， 均热段温度为 1241°C， 第二加热段和均热段总加热吋间为 15 Omin, 确保铸坯偏析充分扩散。

[0061] 采用两阶段轧制， 粗轧阶段采用高温大压下工艺， 纵轧道次共 3个道次， 其单 道次压下量分别为 30mm、 55mm和 55mm; 使疏松充分压合， 提高钢板内部质量 和心部性能， 精轧阶段累计压下率为 68%， 终轧温度控制在 802°C， 轧后 ACC快 速冷却， 钢板下线后堆垛缓冷 72小吋。

[0062] 3) 热处理工艺

[0063] 采用亚温淬火 +回火工艺， 亚温淬火： 淬火温度 840°C， 保温吋间系数： 1.8min/ mm; 回火： 回火温度： 645°C， 保温吋间系数： 4.2min/mm。

工业实用性

[0064] 经由上述制造工艺制得的 50mm厚的抗氢致幵裂压力容器钢板具有匹配良� �的 综合机械性能和优异的抗氢致幵裂性能， 其机械性能详见表 3， 抗氢致幵裂性能 见表 4， 金相组织照片见图 3。

[0065] 表 1实施例 1所生产的钢板的机械性能

[0066]

[0067] 注： 模拟热成型制度： 920±20°C， l.l-1.2min/mm, 空冷； 模拟焊后热处理： 63 5±14°Cxl8h。 模拟亚温淬火 +模拟回火工艺制度与钢板热处理工艺参数相� �。

[0068]

[0069] 表 2实施例 2所生产的钢板的机械性能

[0070]

[0071] 注： 模拟热成型制度： 920±20°C， l.l-1.2min/mm, 空冷； 模拟焊后热处理： 63 5±14°Cxl8h。 模拟亚温淬火 +模拟回火工艺制度与钢板热处理工艺参数相� �。

[0072]

[0073] 表 3实施例 3所生产的钢板的机械性能

[0074]

[0075] 注： 模拟热成型制度： 920±20°C， l.l-1.2min/mm, 空冷； 模拟焊后热处理： 63 5±14°Cxl8h。 模拟亚温淬火 +模拟回火工艺制度与钢板热处理工艺参数相� �。

[0076]

[0077] 表 4各实施例所生产的钢板的抗氢致幵裂 （HIC) 性能

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[0078]

[0079] 本申请各实例钢板晶粒度为 8.5级， 带状组织 0.5级， 见图 1〜图 3。

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