國產(chǎn)780級鋼冷卷后的低溫韌性

劉啟明，杜天棕，趙志文

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省臺州市 317300）

國產(chǎn)780級鋼冷卷后的低溫韌性

劉啟明，杜天棕，趙志文

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省臺州市 317300）

本文介紹水電站壓力鋼管780級鋼板進(jìn)行模擬卷板后低溫沖擊韌性下降的程度，卷板后和卷板時效處理后韌性對比，卷板焊接后母材韌性變化，以及應(yīng)變時效敏感性試驗(yàn)情況等，并進(jìn)行論證和評價。

低溫韌性；冷卷試驗(yàn)；780級鋼板；應(yīng)變時效

0 引言

某抽水蓄能電站引水系統(tǒng)工程壓力鋼管780級鋼板由首鋼秦皇島金屬材料有限公司負(fù)責(zé)研發(fā)生產(chǎn)，牌號為SG780CFE，因其是首次用于國內(nèi)大型水電工程，鋼板母材的可卷性和焊接性能成為該電站鋼管工程質(zhì)量的關(guān)鍵。下面就對國產(chǎn)780級鋼板的低溫韌性性能做簡單的探討。

隨著鋼材質(zhì)量的不斷提高，780級鋼材韌性指標(biāo)已提高到-40℃、≥47J。而實(shí)際產(chǎn)品韌性裕度則更大。該電站壓力鋼管用鋼SG780CFE、板厚52mm的實(shí)際沖擊吸收能量均值可達(dá)164.67J。

水電站壓力鋼管需要冷卷成形。為了解SG780CFE鋼對卷板工藝的適應(yīng)性，該電站對厚度為52mm的SG780CFE鋼板進(jìn)行了模擬卷板試驗(yàn)。通過試驗(yàn)意外發(fā)現(xiàn)，卷板后的韌性往往達(dá)不到-40℃、≥47J。

勿論，承受冷加工后缺口韌性惡化是必然的，經(jīng)受3%的加工應(yīng)變會使脆性轉(zhuǎn)變溫度上升20℃[1]?？墒潜敬尉戆逶囼?yàn)無規(guī)范支持，所得沖擊吸收能量值無量化驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。同時，其他以往工程卷板試驗(yàn)亦未進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，故無從比較。這樣，面臨的問題是如何評價試驗(yàn)結(jié)果，其次還涉及卷板時效后、卷板焊接后鋼材韌性又將發(fā)生怎樣的變化。現(xiàn)就針對上述問題作淺顯探討。

1 鋼板冷卷后的低溫韌性

該電站對SG780CFE、厚度52mm鋼板進(jìn)行了4個曲率半徑的冷卷試驗(yàn)，應(yīng)變量分別為1%、2%、3%和5%。表1、表2僅列出其中等同于本電站壓力鋼管工程的2個曲率半徑，即應(yīng)變量分別為3%和5%的低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果。

表1 卷板后-20℃沖擊韌性

表2 卷板后-40℃沖擊韌性

從表1、表2中可以看出，卷板后低溫韌性急劇下降。按表1、表2統(tǒng)計(jì)，-20℃沖擊有8/24（即1/3）的試樣未達(dá)到母材規(guī)定值的下限47J；-40℃沖擊有19/24（近80%）的試樣未達(dá)到母材規(guī)定值的下限47J。在-40℃沖擊試樣中，沖擊吸收能量均值最低的一組，只有該鋼材卷板前實(shí)際均值164.6J的1/10。

2 鋼板冷卷后經(jīng)時效處理的韌性

鋼板冷卷后和冷卷后進(jìn)行250℃×1h時效處理的沖擊吸收能量（每3個試樣1組的均值），以及8組總計(jì)的均值見表3、表4。

表3 卷板后時效前、后-20℃低溫韌性均值

半徑（mm）位置軋制方向溫度（℃）時效前沖擊吸收能量（J）時效后沖擊吸收能量（J）1300外弧縱向-20 217.7 229.3 1300內(nèi)弧縱向-20 87.3 30.0平均值-20 79.3 146

表4 卷板后時效前、后-40℃低溫韌性均值

由表3、表4得知，卷板后時效前與時效后的-40℃沖擊韌性，并未顯示明顯區(qū)別；時效后-20℃沖擊韌性反倒比時效前顯著上升。

分析其原因，氮是引起鋼產(chǎn)生時效硬化、影響鋼材塑性和韌性的主要元素，說明該鋼種對含氮量控制得好（50ppm以下）。同時，因鋼中添加了多種固氮元素，如Ti、Nb、V等，從而減少了游離氮的危害作用。另一方面，經(jīng)歷人工時效250℃×1h的加熱，其溫度恰處在“低溫回復(fù)”溫度0.1Tm～0.3Tm的范圍內(nèi)，故對沖擊韌性能略起回復(fù)作用。

3 卷板焊接后的低溫韌性

為了了解卷板—焊接后和卷板—焊接—時效后兩種情況下對焊接接頭性能的影響，對應(yīng)變量2%和3%的瓦片分別制成內(nèi)外弧不對稱X坡口進(jìn)行埋弧焊。預(yù)熱溫度為100℃，最高道間溫度為150℃，熱輸入為17.1 ～30.5kJ/cm。時效處理為250℃×1h。其熔合區(qū)與熱影響區(qū)的低溫韌性（每3個試樣1組的均值）見表5、表6。

表5 卷板焊接后在時效前后的-20℃低溫韌性

表6 卷板焊接后在時效前后的-40℃低溫韌性

從表5、表6中看出，無論卷板—焊接后或卷板—焊接—時效后，其熔合區(qū)和熱影響區(qū)的-20℃和-40℃沖擊吸收能量，全部達(dá)到了鋼板供貨指標(biāo)≥47J。這可推斷為焊接熱對冷作的回復(fù)作用。此外，亦可看出，時效后比時效前的韌性有所提高，其原因見上文“3”，在此不再贅述。

4 應(yīng)變時效敏感性試驗(yàn)

前已述及，卷板試驗(yàn)為非標(biāo)準(zhǔn)性的，對試驗(yàn)結(jié)果亦無合格驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可依。為評價鋼板的應(yīng)變時效敏感性，則參照GB/T 4160—2004《鋼的應(yīng)變時效敏感性試驗(yàn)方法》，進(jìn)行了變形量分別為1%、2%、3%和5%的20～-40℃時效前后沖擊性能試驗(yàn)。表7列出了每3個沖擊試樣1組的平均值。

表7 鋼板應(yīng)變后時效前后的沖擊吸收能量J

從表7可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）即使經(jīng)受5%的變形量，時效前后-20℃和-40℃沖擊韌性亦遠(yuǎn)大于鋼板供貨標(biāo)準(zhǔn)的下限47J。可以認(rèn)為是卷板試驗(yàn)條件比GB/T 4160的均勻拉伸變形之試驗(yàn)條件苛刻所致。

（2）隨著溫度的降低，沖擊吸收能量遞減。

（3）應(yīng)變時效后，沖擊吸收能量均值點(diǎn)有11/16（近69%）下降，但下降幅度小。

（4）隨著變形量增大，無論時效前或是時效后，其韌性均略呈下降趨勢。

根據(jù)應(yīng)變時效敏感性公式計(jì)算，SG780CFE鋼的應(yīng)變時效敏感性系數(shù)為4.71%。

須指出，測試應(yīng)變時效敏感性系數(shù)旨在對材料分析和對比，并無合格驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)?！稒C(jī)械工程手冊》（1996年版）認(rèn)為低合金鋼應(yīng)變時效敏感性系數(shù)一般小于10%；而《壓力容器材料實(shí)用手冊》（2000年版）認(rèn)為低合金鋼應(yīng)變時效敏感性系數(shù)一般小于40%[2]。由此看出，即使按前者要求，SG780CFE鋼亦能滿足。

5 壓力鋼管安全服役條件

焊接結(jié)構(gòu)易發(fā)生脆性斷裂的部位無疑是焊接接頭。

日本《閘門壓力鋼管技術(shù)規(guī)范》設(shè)定壓力鋼管最低使用溫度為0℃。并規(guī)定對于600～800N/mm級鋼，在0℃不發(fā)生脆性斷裂的條件是焊接接頭韌性（沖擊吸收能量值）≥47J；同時對母材則要求萬一焊縫發(fā)生斷裂則能夠止裂[3]。為此，對780級鋼板韌性規(guī)定為-40℃、≥47J。但所有規(guī)范對卷板后瓦片的韌性無規(guī)定?？梢哉J(rèn)為，具有-40℃、≥47J這樣高的韌性儲備，已考慮了卷板帶來的韌性損失。而更重要的是，瓦片焊接熱影響區(qū)和熔合區(qū)韌性已達(dá)到-40℃、≥47J，無疑是能夠有效防止焊縫裂紋擴(kuò)展的。

6 結(jié)論

（1）SG780CFE鋼板冷卷后韌性急劇下降，以至于達(dá)不到鋼板供貨標(biāo)準(zhǔn)-40℃、≥47J。但卷板后焊接熱影響區(qū)和熔合區(qū)韌性均可達(dá)到-40℃、≥47J。既然焊接熱可使卷板后的韌性得以一定程度上的回復(fù)，那么冷卷后韌性急劇下降的問題就顯得不突出。

（2）SG780CFE鋼低溫韌性對時效不敏感，時效的副作用可忽略。

（3）SG780CFE鋼的應(yīng)變時效敏感性系數(shù)遠(yuǎn)低于10%，僅為4.71%。

[1] 稻垣道夫，田中甚吉.高強(qiáng)鋼焊接實(shí)踐.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[2] 侯建國，等.鋼材沖擊韌性和應(yīng)變時效敏感性問題的探討.西北水電，2001，（2）：41.

[3] 水門鐵管協(xié)會，水門鐵管技術(shù)基準(zhǔn)，2006.

劉啟明（1987—），男，大學(xué)本科，助理工程師，主要研究方向：水工建筑物和水工鋼結(jié)構(gòu)施工管理，水電站施工管理。E-mail：429477163@qq.com

杜天棕（1940—），女，大學(xué)本科，教授級高級工程師，主要研究方向：水電站焊接結(jié)構(gòu)制作安裝。

趙志文（1972—），男，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：機(jī)電設(shè)備安裝及管理。

Domestic 780MPa-Grade Steel Plate Toughness at Low Temperature

LIU Qiming，DU Tianzong，ZHAO Zhiwen
（Zhejiang xianju pumped storage Co. Ltd.，Taizhou 317300，China）

This article introduces the degree of toughness decline of 780MPa-grade steel plate，which is used in penstock of hydropower station，at low temperature after simulating cold-bending test，compares the toughness of steel plate after cold-bending with the toughness of cold-bending steel plate after aging treatment，reveals the change of toughness of coldbending base metal when welded，and the result of strainaging sensibility test carried out for such steel plate，most of all，analyses and evaluates the results showed by tests.

toughness at low temperature；cold-bending test；780MPa-grade steel plate；strain aging