杜軍毅 曹晨思

(二重集團(tuán)(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

近年來，冷高壓分離器作為加氫裝置的重要設(shè)備，向著大型化、厚壁化方向發(fā)展。其反應(yīng)器仍然采用能抗氫誘導(dǎo)裂紋(HIC)和硫化氫應(yīng)力腐蝕裂紋(SSCC)的16Mn R(HIC)鋼，反應(yīng)器壁厚已達(dá)到260 mm～280 mm。同時，為防止冷高壓分離器氫脆、氫腐蝕、硫化氫腐蝕等嚴(yán)重?fù)p傷，并預(yù)防突發(fā)事件造成的材料破壞，國外制造商不斷吸收世界最新研究成果，對大型壓力容器材料的純潔度、均質(zhì)性和綜合力學(xué)性能等提出極為苛刻的高標(biāo)準(zhǔn)要求[1,2]。這無疑給鍛件制造廠家提出一項(xiàng)緊迫而重大的課題。

為了滿足用戶苛刻的技術(shù)條件，找出影響大型厚壁容器16MnR(HIC)鋼性能的主要因素，本文對16MnR(HIC)鋼的化學(xué)成分、熱處理制度、截面與力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 大型加氫精制反應(yīng)器的主要制造要求

1.1 大型加氫精制反應(yīng)器的主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)

1.1.1 主要技術(shù)參數(shù)

冷高壓分離器當(dāng)有堆焊時一般采用16MnRx鋼，無堆焊時則采用16MnR(HIC)鋼。200萬t/年重油加氫裝置冷高壓分離器為鍛焊結(jié)構(gòu)。設(shè)備輪廓尺寸?內(nèi)3 600 mm×δ267 mm×13 953 mm，總重277.36 t，設(shè)計(jì)溫度230℃，工作壓力16.9 MPa，工作介質(zhì)為油、油氣、H2S，外殼材料：16MnR鋼。二重負(fù)責(zé)整臺設(shè)備材料和制造。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

1.1.2 大型冷高壓分離器的結(jié)構(gòu)

大型加氫精制反應(yīng)器主要由上球形封頭、上過渡段、多節(jié)筒體、下過渡段、下球形封頭、頂部入口大法蘭、進(jìn)口彎管、出口彎管、接管法蘭、進(jìn)料口、油水出口裝置、裙座等組成。其中，大型筒節(jié)、上下過渡段是最關(guān)鍵和最重要的部件。

1.2 16MnR(HIC)鋼大型冷高壓分離器反應(yīng)器主要制造技術(shù)要求

1.2.1 化學(xué)成分要求

16MnR(HIC)鋼筒體鍛件的化學(xué)成分要求見表1。

1.2.2 力學(xué)性能要求

圖1 200萬噸/年重油加氫裝置冷高壓分離器Figure 1 The cold high-pressure separator of 2 million tons/year heavy oil hydrogenation equipment

CSiMnSPCuCrNiOCeq熔煉分析成品分析≤0.20≤0.200.20～0.400.20～0.401.20～1.301.15～1.35≤0.005≤0.005≤0.008≤0.0080.20～0.300.20～0.30≤0.30≤0.30≤0.20≤0.20≤0.004≤0.004-≤0.43

注：(1) Ceq =C+Mn/6+(Cr+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5；(2)鋼中Cr、 Ni 、Cu含量之和不大于0.60%；(3)最高S≤0.002%。

表2 16MnR(HIC)鋼筒體鍛件的力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirements of 16MnR(HIC) steel cylinder forgings

注：一組試樣包括1個常溫拉伸試樣和3個-30℃夏比沖擊試樣。

表2規(guī)定。

(2)鍛件晶粒度應(yīng)符合GB6394—1986金屬平均晶粒度測試法的規(guī)定，晶粒度不大于5級。

(3)每件鍛件進(jìn)行抗氫誘導(dǎo)裂紋(HIC)試驗(yàn)：裂紋敏感率CLR≤5%，裂紋長度率CTR≤1.5%，裂紋厚度率CSR≤0.5%，抗硫化物應(yīng)力開裂性：σth≥275 MPa。

2 主要制造難點(diǎn)

由于用戶要求16MnR(HIC)鋼鍛件心部必須有良好的強(qiáng)韌性，這就造成以下制造難題：

(1)為保證大型厚壁容器鍛件的心部-30℃Akv≥27 J， 在標(biāo)準(zhǔn)成分不變的情況下， 要保證低溫沖擊值， 就必須降低 C、Si、Cr、P、S、O、N 等對沖擊不利的元素含量， 而增加 Mn、Ni等有利元素含量，但這又會導(dǎo)致強(qiáng)度指標(biāo)的下降。

(3)為防止氫致裂紋(HIC)和硫化氫應(yīng)力腐蝕裂紋(SSCC)，用戶技術(shù)條件對鋼的碳當(dāng)量(Ceq)和主加合金元素(Mn)進(jìn)行了限制。為滿足16MnR(HIC)鋼強(qiáng)度，可以提高碳當(dāng)量和提高M(jìn)n元素含量來滿足。但內(nèi)控C：0.17%～0.19%(標(biāo)準(zhǔn)上限)，Mn：1.20%(標(biāo)準(zhǔn)中上限)，二者之和已達(dá)0.37%～0.39%，而標(biāo)準(zhǔn)要求Ceq≤0.43%，這就必然要求Ni、Cu、Cr、Mo、V元素只能達(dá)到0.05%以下。一般廢鋼Ni、Cu≤0.10%已很困難，更何況Cr、Mo、V元素的整體要求[3]就更難滿足了。

這就要求：必須在不降低材料焊接性能、不助長產(chǎn)生氫致裂紋(HIC)和硫化氫應(yīng)力腐蝕裂紋(SSCC)并全面滿足其他指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)成分、熱處理工藝優(yōu)化。

3 材料研究

3.1 鍛件厚度與冷卻速度的關(guān)系試驗(yàn)

16MnR(HIC)鋼屬C-Mn型鐵素體鋼，資料表明：冷卻速度從12℃/min提高至42℃/min時，鐵素體量變化僅從80%F減少到76%F，其淬透能力較弱。當(dāng)達(dá)到70℃/min后，材料強(qiáng)度才會有較大提高。

一般情況下，工件的冷卻能力隨著冷卻介質(zhì)強(qiáng)度的增加而增大，但是當(dāng)工件厚度達(dá)到一定時，冷卻速度與工件厚度成反比，如圖 2所示。16MnR(HIC)鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，在通常情況下，

圖2 不同冷卻條件下冷卻速度與鍛件厚度的關(guān)系Figure 2 The relationship between cooling rates and forging thicknesses under different cooling conditions

150 mm厚的該鋼種可以保證有良好的組織和性能均勻性，但當(dāng)鍛件厚度達(dá)到180 mm～300 mm時，鍛件淬透性受到限制。同時厚壁鍛件的高蓄熱量也影響鍛件與冷卻介質(zhì)之間的熱交換，在可調(diào)節(jié)的20%左右的強(qiáng)化組織份數(shù)中產(chǎn)生不良的組織結(jié)構(gòu)，造成鍛件的強(qiáng)度、韌性下降。單純的空冷正火和常規(guī)方式的淬火都難以滿足強(qiáng)度和低溫韌性指標(biāo)要求。

3.2 16MnR 鋼熱處理工藝與力學(xué)性能關(guān)系

表3表明，增加冷卻速度將大幅提高鋼的索氏體含量，而16MnR(HIC) 鋼淬火的強(qiáng)、韌化又主要來自于索氏體量的增加，因此鋼的調(diào)質(zhì)必不可少。圖3進(jìn)一步證實(shí)：鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度隨冷卻速度提高呈現(xiàn)下降趨勢。

同時，890～970℃溫度區(qū)間內(nèi)，鋼的力學(xué)性能、顯微組織、晶粒度變化趨勢試驗(yàn)表明，一方面顯微組織、晶粒度對奧氏體化溫度不敏感，變化不大；另一方面進(jìn)一步印證，當(dāng)索氏體份數(shù)沒有改變時，采用提高奧氏體溫度的固溶強(qiáng)化方式效果不大；再者，910℃×3 h +610℃×5 h鋼的強(qiáng)度、-30℃Akv已接近較為理想的要求值，這可能與910℃后冷卻時索氏體彌散分布、呈小團(tuán)絮和610℃后回火時碳化物析出不大有關(guān)。

另外，16MnR(HIC) 鋼以30℃/min左右速度冷卻時，在鍛件一定部位易于得到魏氏組織。一旦得到魏氏組織將使低溫沖擊值大大降低，這就是16MnR(HIC) 鋼沖擊韌性易于波動的根本原因。結(jié)合實(shí)際工藝，要提高16MnR(HIC) 鋼的性能，必須進(jìn)一步提高鍛件的淬透性。

表3 16MnR(HIC) 鋼不同奧氏體化溫度下的試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of 16MnR(HIC) steel under different austenitizing temperatures

表4 16MnR(HIC) 鋼不同回火溫度下的試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of 16MnR(HIC) steel under different tempering temperatures

圖3 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度隨冷卻速度間關(guān)系Figure 3 The relationship between ductile-brittle transition temperatures of steel and cooling rates

表4數(shù)據(jù)表明，16MnR鋼強(qiáng)度隨回火參數(shù)增大而下降，610～630℃回火時材料的強(qiáng)度下降不大，但回火溫度達(dá)到630℃以后，材料的強(qiáng)度將大幅度下降。因此，鋼的回火溫度必須控制在

630℃以下。

3.3 厚壁16MnR鋼的成分設(shè)計(jì)與優(yōu)化

如上所述，通過調(diào)節(jié)熱處理參數(shù)來提高16MnR鋼的力學(xué)性能有一定限制。另外，隨著壁厚增大，鍛件的冷速降低，同時也加大了實(shí)際鍛件的回火參數(shù)值，使得可調(diào)的冷速、回火參數(shù)范圍進(jìn)一步變小。因此對厚壁鍛件進(jìn)行成分設(shè)計(jì)與優(yōu)化以獲得優(yōu)良的強(qiáng)度、韌性指標(biāo)，就顯得十分的必要。

試料取自采用雙真空冶煉、強(qiáng)冷淬火工藝生產(chǎn)的純凈鋼筒體的水口端，并在筒節(jié)T×T/2處制取□30 mm×30 mm的試環(huán)，其化學(xué)成分見表5。采用標(biāo)準(zhǔn)的熱處理制度，即900～950℃奧氏體化加熱后冷卻，之后在600～630℃溫度下回火。

不同厚度16MnR鋼碳當(dāng)量與規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系見圖4～圖9。

表5 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 5 Chemical compositions of steels for tests (mass fraction,%)

圖4 306.5 mm厚度16MnR鋼碳當(dāng)量與規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度間關(guān)系Figure 4 The relationship between carbon equivalents and specified plastic elongation strengths of 306.5 mm thickness 16MnR steel

圖5 306.5 mm厚度16MnR鋼碳當(dāng)量與抗拉強(qiáng)度之間關(guān)系Figure 5 The relationship between carbon equivalents and stensile strengths of 306.5 mm thickness 16MnR steel

圖6 280 mm厚度16MnR鋼碳當(dāng)量與規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度之間關(guān)系Figure 6 The relationship between carbon equivalents and specified plastic elongation strengths of 280 mm thickness 16MnR steel

實(shí)驗(yàn)表明，單純進(jìn)行調(diào)碳，不但不能最有效的提高16MnR(HIC)鋼的強(qiáng)度，同時由于碳當(dāng)量的限制，一味提高碳含量還使得其他元素因要求高等級廢鋼而難以滿足。16MnR鋼的強(qiáng)度與碳當(dāng)量有較大的對應(yīng)關(guān)系，其強(qiáng)度可以通過調(diào)整碳當(dāng)量滿足，這樣既可以確保碳含量不超上限，冶煉時易于控制，也可以發(fā)揮其他元素的優(yōu)勢。為滿足280 mm厚16MnR(HIC)鋼力學(xué)性能要求，碳當(dāng)量應(yīng)當(dāng)達(dá)到0.39%以上；當(dāng)達(dá)到306.5 mm厚截面時，碳當(dāng)量應(yīng)當(dāng)達(dá)到0.42.5%以上，才能穩(wěn)定確保鋼的強(qiáng)度。這說明，隨著鍛件厚度的增加和鋼芯部冷卻能力的下降，其可強(qiáng)化的相份數(shù)減少，強(qiáng)度降低。如果要滿足其原有的力學(xué)性能，必須提高碳當(dāng)量以增加鋼的淬透性。

圖7 280 mm厚度16MnR鋼碳當(dāng)量與抗拉強(qiáng)度之間關(guān)系Figure 7 The relationship between carbon equivalents and stensile strengths of 280 mm thickness 16MnR steel

圖8 不同厚度16MnR鋼與規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度間關(guān)系Figure 8 The relationship between 16MnR steels of different thicknesses and specified plastic elongation strengths

圖9 不同厚度16MnR鋼與抗拉強(qiáng)度之間關(guān)系Figure 9 The relationship between 16MnR steels of different thicknesses and stensile strengths

從圖4～圖7可以看出，Rp0.2與碳當(dāng)量有較強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系，不合適的碳當(dāng)量可能造成強(qiáng)度不合格；而Rm與碳當(dāng)量有一定的對應(yīng)關(guān)系，二者隨著厚度的增加其對應(yīng)關(guān)系增強(qiáng)。圖8～圖9表明，當(dāng)壁厚在230 mm時，鋼的Rp0.2具有較大的調(diào)節(jié)范圍，可通過調(diào)整碳當(dāng)量和熱處理兩種手段進(jìn)行調(diào)節(jié)；而壁厚在306.5 mm時，鋼的冷卻速度受到限制，Rp0.2可調(diào)節(jié)范圍大大減少。

生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，Mn是16MnR鋼提高強(qiáng)度最有效的元素之一，除了起強(qiáng)化基體的作用外，還能有效提高鋼的淬透性。當(dāng)Mn達(dá)到1.20%～1.30%時，才能保證Rp0.2≥275 MPa的要求。

研究還將表5中的材料參照美國腐蝕工程師協(xié)會NACE標(biāo)準(zhǔn)TM0284—2003進(jìn)行HIC試驗(yàn)。試驗(yàn)初始時H2S飽和0.5%冰醋酸+5%NaCL混合溶液的pH值為2.8，試驗(yàn)后溶液的pH值為3.6。溫度為25±3℃，實(shí)驗(yàn)時間720 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，16MnR(HIC)筒體鍛件抗氫、抗硫化氫環(huán)境氫致腐蝕性能良好，HIC試驗(yàn)的三項(xiàng)指標(biāo)(CSR、CLR、CTR)均為零，試樣外表面未發(fā)現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象。

依據(jù)國標(biāo)GB4157—2006進(jìn)行SSCC試驗(yàn)。試驗(yàn)初始時H2S飽和0.5%冰醋酸+5%NaCL混合溶液的pH值為2.7，試驗(yàn)后溶液的pH值為3.8。溫度為24±3℃，平行試樣數(shù)目3件，實(shí)驗(yàn)時間720 h。結(jié)果顯示，所有試樣均未發(fā)生開裂，16MnR(HIC)筒體鍛件抗氫、抗硫化物應(yīng)力腐蝕門檻應(yīng)力大于248 MPa。

以上實(shí)驗(yàn)說明，盡管提高了鋼的碳當(dāng)量(見表5試料4)，但大幅度降低了鋼的S含量(達(dá)到0.001%)，鋼水達(dá)到純凈鋼時仍能滿足材料的硫化氫環(huán)境抗氫致裂紋和應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)要求。這與文獻(xiàn)中HIC和SSCC產(chǎn)生機(jī)理和解決措施的觀點(diǎn)一致。

4 結(jié)論

(1) 16MnR及16MnR(HIC)鋼屬C-Mn型鐵素體鋼，其淬透能力較弱。當(dāng)增加冷卻速度時，將大幅度提高鋼的索氏體含量，為滿足16MnR(HIC) 鋼的強(qiáng)度和低溫沖擊功要求，必須采用調(diào)質(zhì)工藝。

(2)890～970℃溫度區(qū)間內(nèi)，鋼的顯微組織、晶粒度對奧氏體化溫度不敏感。由于索氏體份數(shù)沒有改變，采用提高奧氏體溫度的固溶強(qiáng)化方式效果不大。同時，16MnR鋼強(qiáng)度隨回火參數(shù)增大而下降，610～630℃回火時材料的強(qiáng)度下降不大，但回火溫度達(dá)到630℃以后，材料的強(qiáng)度將大幅度下降。因此，鋼的回火溫度必須控制在630℃以下。

(3)16MnR及16MnR(HIC)的強(qiáng)度與碳當(dāng)量有較大的對應(yīng)關(guān)系，且隨著厚度的增加其對應(yīng)關(guān)系增強(qiáng)，特別是Rp0.2可以通過調(diào)整碳當(dāng)量滿足。但單純進(jìn)行調(diào)碳不能最有效的提高16MnR(HIC)鋼的強(qiáng)度，應(yīng)通過調(diào)整碳當(dāng)量來滿足。

(4)研究還發(fā)現(xiàn)，盡管提高了鋼的碳當(dāng)量，但大幅度降低了鋼的S含量(達(dá)到0.001%)，使鋼水達(dá)到純凈鋼時仍能滿足材料的硫化氫環(huán)境抗氫致裂紋和應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)要求。

[1] 蘭石集團(tuán)有限公司. 蘭石科技[J]. 蘭州：2011年?？?3-49.

[2] 《壓力容器實(shí)用技術(shù)叢書》編寫委員會. 壓力容器制造和修理[M]. 2004，8：5-11.

[3] 杜軍毅，孫嫘，鞠慶紅. 冷高壓分離器16Mn(HIC)抗氫鋼超大型筒體研制[J]. 大型鑄鍛件, 2004，4：15-21.

[4] 佑藤新吾，等. 壓力容器用碳素鋼和Cr-Mo鋼的材料特性. 大型鑄鍛件文集, 1988，6：246-2574.