大壁厚國產低溫材料的實際應用

張憲州，毛向敏

（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東 德州 253024）

隨著我國煤化工和石油化工行業的持續發展，國內對低溫容器鋼的需求增加。08Ni3DR 鋼亦稱為3.5Ni 鋼，是含鎳量為3.5%的超低溫鋼，在-101℃具有優良低溫韌性和較高的強度，因此成為-100℃級低溫設備和容器的最重要結構材料，廣泛應用于制造煤化工行業的低溫設備。08Ni3DR 鋼是舞鋼公司與合肥通用機械研究院聯合研發的鋼種，于2008 年6 月通過全國鍋爐壓力容器標準技術委員會組織的技術評審。該鋼種磷、硫含量很低：磷（0.007%）、硫（0.003%），鋼板-101℃低溫沖擊功達150J 以上，遠高于美國ASME SA203 的技術指標。但該鋼種在前期的應用厚度不大，均在70mm 以下。我公司近期某項目的一臺低溫設備，設計溫度-75℃，設計壓力6.5MPa，直徑4500mm，高度74m，原設計為不銹鋼，為降低設備投資，我們開始考慮用08Ni3DR 代替，經計算厚度為100mm。業內還沒有此厚度的使用業績。為此我們在材料的成分性能指標考核及制造工藝（成型，檢驗，熱處理）等多個方面進行了調查研究，并進行了相關試驗，最終成功的將厚壁的08Ni3DR 鋼板應用在了設備上。

1 材料的熔煉分析

鋼的化學成分（熔煉分析wt%）應符合下表的規定（GB150。2 附表A.5）。

表1 鋼的化學成分含量

08Ni3DR 鋼的低溫韌性是通過較低的碳含量，以及極低的有害元素（S、P），同時添加鎳來降低鋼的韌脆轉變溫度以及合理的組織控制來實現的。但碳當量較低，厚板熱處理時間將延長，且為保證強度，還要要增加碳含量。故為保證鋼板成品的性能，建議對S、P、Ni、Mn 等元素提成品分析要求。

表2 鋼中S、P、Ni、Mn 元素的提取要求

2 材料的力學性能

本設備用08Ni3DR 鋼板的機械性能應符合GB150.2-2011以及附錄A.2.3 的規定。板材以正火+回火狀態供貨，并按NB/T47013.3 逐張進行超聲波無損檢查，質量等級應符合II 級要求合格。應逐張對鋼板熱處理并進行拉伸、彎曲和-100℃夏比（V型缺口）沖擊試驗，試驗方向取為橫向，三個試件的平均沖擊功值KV2 ≥47J，允許其中一個沖擊功值小于47J，但不能小于33J，拉伸性能要求：Rel ≥300MPa，480 ≤Rm ≤610MPa，A ≥21%。

但由于設備壁厚較厚，為保證板材芯部性能，建議對100mm厚鋼板增加1/2 厚度處進行取樣分析，-100℃進行沖擊試驗，沖擊功≥分別為60J。

同時按照GB6803 在-100℃進行進行落錘試驗，試樣均未斷裂，說明鋼板的韌脆轉變溫度至少≤-105℃。

3 材料的熱處理

對于厚度大的低合金鋼，熱處理問題一直在困擾著設計和制造單位。按照標準要求：鋼板以正火、正火（允許加速冷卻）加回火狀態，或離線淬火加回火狀態交貨，回火溫度不低于620℃。但對于厚板來說，正火的冷卻速度根本無法保證板芯部的材料性能。經過多次試驗研究，最終決定采用淬火加回火。

首先將材料加熱到850℃，快速水冷到300℃以下，為保證芯部的冷卻速度要求冷卻水的水溫不得高于30℃，保證材料的冷卻速度高于15℃/S。之后加熱到650℃進行回火處理后，晶粒細小均勻，表面組織為回火索氏體（見圖1），1/2 處為回火貝氏體+鐵素體（見圖2），綜合力學性能良好。

材料熱處理后進行相應性能檢測，均滿足要求：1/2 厚度處-100℃進行沖擊試驗，沖擊功分別為：221J，176J，186J，平均值為194J，遠大于60J。

圖1 100mm 鋼板組織；500×；表面、貝氏體+鐵素體

圖2 100mm 鋼板組織；500×；板厚1/2 處、貝氏體+鐵素體

4 結論

通過對08Ni3DR 100mm 厚鋼板的性能進行充分的調研與試驗，發現該材料的厚鋼板完全滿足使用要求，性能表現良好。但在實際應用或設計中應注意以下問題：

（1）該材料的厚板在使用時為保證芯部的性能，熱處理應該采用淬火+回火的熱處理形式，并應保證一定的降溫速度，可減小板厚效應。

（2）對影響材料的性能的關鍵因素應提出明確要求，來保證材料的力學性能、熱處理性能等。

（3）材料的復驗應增加板厚1/2 處的沖擊試驗，建議不小于60J。

（4）建議按GB6803 的要求，提在-100℃提落錘試驗要求。