耿雪峰

摘要：本文對高壓容器的制造技術以及所用鋼做了介紹，對馬氏體鋼做了介紹。高壓容器有其特殊的要求，所以制造技術也是不一樣的，對于不同的制造技術，所得到的結果也是不一樣的。為了得到性能優(yōu)異的高壓容器用鋼就必須有不同的制造工藝。本文對不同的制造工藝做了介紹。

關鍵詞：高壓容器；制造技術；馬氏體；熱處理

前言

高壓容器用鋼標準 壓力容器由殼體、封頭（端蓋）、連接件、密封元件、支座和接管等組成。連接件是容器中起連接作用的部件，如端蓋與殼體的連接、接管與外部管道的連接等，都需要連接件。密封元件是可拆連接結構中起密封作用的元件，用于兩個法蘭或封頭與殼體的密封面之間，借助螺栓等緊固件的壓緊力起到密封作用。支座的作用是支撐、固定容器，其結構形式主要取決于容器的質(zhì)量、安裝方式和其他動載荷等，塔式容器一般采用裙式支座，臥式容器通常采用鞍式支座，球形容器多采用柱式支座。鍋爐及壓力容器用鋼板是重要產(chǎn)品，關系到生命財產(chǎn)安全，技術要求高，生產(chǎn)難度大。標準的制修訂工作難度也比較大。國外這方面的標準比較多，尤其是美國，ASTM有30多個壓力容器用鋼板標準，體系比較亂。日本標準受美國的影響比較明顯，JIS的鍋爐及壓容器用鋼板標準也比較多，有11個。EN和ISO壓力容器用鋼板標準的系列完整、分類清楚、數(shù)量不多。EN10028壓力容器用鋼板包含7部分，即7個標準。ISO9328壓力容器用鋼板包含5部分，比EN少2個標準，但內(nèi)容與EN10028的內(nèi)容是一樣的，ISO正火和調(diào)質(zhì)鋼板合訂一個標準，TMCP控軋控冷鋼也沒有單獨標準[1-2]。

與國外比，國內(nèi)壓力容器用鋼板標準少，不配套、有空缺。GB713和GB 6654對應的國外標準主要有ISO9328-2、EN10028-2、JIS G 3115、JIS G 4109、ASTM A 299、ASTMA387。對這些標準進行了分析對比，基本了解國內(nèi)外標準情況和標準水平后，在原標準的基礎上，結合國情和使用部門的要求，并參考國際國外標準，對原來兩個標準進行修訂和合并。

1.生產(chǎn)工藝

下面就以球形高壓容器的材料馬氏體時效鋼為例簡要說明高壓容器用鋼的生產(chǎn)工藝過程：

1.1 合金元素和冶煉方法的選擇

為提高材料的斷裂韌性值，從原料配方角度盡量減少碳和其它雜質(zhì)的含量。碳含量越低，韌性值越高，因此控制碳含量控制在0，02%之內(nèi)。18%Ni馬氏體時效鋼的合金元素控制由于不同的冶煉方法即使原料配方完全相同，但斷裂韌性值卻大不相同[3]。

1.2 熱處理制度研究

18%Ni馬氏體時效鋼是在超低碳馬氏體中利用某些合金元素產(chǎn)生的時效強化的一種新型高強度鋼，它的熱處理制度是固溶加時效。固溶處理的目的是保證得到高位錯密度的板條狀馬氏體。具有較高的塑性，同時，它又為時效沉淀相的均勻彌散析出提供了良好的基體。這是保證鋼在時效后能獲得高強度和高韌性綜合性能的重要前提。馬氏體時效鋼主要是靠時效時析出金屬間化合物沉淀相實現(xiàn)強化。在不同的時效階段不僅有不同結構的沉淀相析出、溶解、聚集及長大，而且還有逆轉變奧氏體的產(chǎn)生和轉變，所以時效是一個復雜的過程。鋼的時效可分為亞時效正常，充分時效和過時效。由于亞時效鋼的強度過低所以幾乎不用正常時效用于保證構件的綜合性能，而過時效則是為沖壓成型服務的。

2.性能要求

在較高溫度下承受載荷的鋼材，各種性能都與在常溫下的性能有明顯的區(qū)別。除了力學性能會隨著溫度的升高發(fā)生明顯變化外，鋼材在高溫下還會出現(xiàn)蠕變、松馳等異?，F(xiàn)象。所謂蠕變，是指金屬在高溫下承載，應力雖不增加，而它的塑性變形卻隨著時間逐漸增加的現(xiàn)象。因此，對于高溫承壓部件材料的強度，不僅要考慮它的短期高溫強度指標，更主要是考慮它的抗蠕變性能，即蠕變極限和持久強度。蠕變極限是材料在一定溫度下，在規(guī)定的使用時間內(nèi)，使試件產(chǎn)生一定量總變形的應力值[4]。持久強度是指在給定溫度下，使材料經(jīng)過規(guī)定時間發(fā)生斷裂的應力值。蠕變極限反映的是材料在高溫下工作的變形量，持久強度反映的是材料在高溫下長期工作的斷裂抗力，它更好地反映了高溫元件的失效特點，所以特別適用于高溫承壓部件。

用于制造高溫承壓部件的材料，應具有足夠高的強度和持久塑性、良好的組織穩(wěn)定性、高的松馳穩(wěn)定性、良好的抗氧化性等性能。目前，高壓鍋爐和高溫壓力容器所用的耐熱鋼一般都是低合金耐熱鋼，常用的有鉬鋼Mo、鉻鉬鋼Cr--Mo及鉻鉬釩鋼 Cr—Mo—V三大類。它們的合金元素含量少，工藝性能好，廣泛用于制造使用溫度在600℃以下的承壓部件。常用的鋼種有16Mo、12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV等。一些承壓部件工作溫度可能更高些，則采用高合金鎳鉻鋼，如OCrl8Ni9、OCr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等[5]。

超高壓容器用的材料是高強度鋼，其強度和韌性的合理匹配一直是研究者所特別關心的問題。韌性好的高強鋼，具有較大的臨界裂紋尺寸，能有效降低脆性破壞的概率，甚至育可能使裂紋一直穩(wěn)定地擴展到穿透壁厚，安全地泄漏，實現(xiàn)未爆先漏。提高超高壓容器的運行安全性。但是，對于絕大多數(shù)鋼材，強度的提高會導致韌性下降。如果對韌性提出過高的要求，往往要以降低材料強度級別增加容器壁厚為代價，這樣就提高了制造成本。超高壓容器在制造過程中經(jīng)過嚴格的質(zhì)量檢驗[6]。制造完畢后可能存在的最大缺陷是可能被無損檢測漏檢的最大缺陷。因此，對靜強度設計而言，只要保證耐壓試驗時最大漏檢缺陷不擴展，就可以避免危害很大的脆性破壞。

3.鋼種標準

3.1 標準名稱

壓力容器用鋼板標準的名稱，有些國家叫鍋爐及壓力容器用鋼板，如法國NFA36-205素鋼、低合金鋼和合金鋼板，JIS G 3119：1987鍋爐及其他壓力容器用錳鉬鋼和錳鉬鎳鋼?？紤]到國內(nèi)鍋爐和壓力容器分開訂標準多年，大家已成習慣，標準名稱暫為“鍋爐及壓力容器用鋼板”，這樣各方都好接受。后來按照鍋容標委意見，改為“承壓設備用鋼板”。征求意見時，有些單位提出還是叫“鍋爐及壓力容器用鋼板”好，意見不統(tǒng)一，經(jīng)有關主管部門協(xié)商，送審稿的名稱又改為“鍋爐和壓力容器用鋼板”[7]。并得到審定會的同意。

3.2 牌號表示方法

鍋爐和壓力容器用碳鋼或碳錳鋼和不含鉻鉬的低合金高強度鋼，牌號表示方法ISO、EN和JIS標準都一樣，用屈服強度或抗拉強度和英文字母表示。國際上所有工程結構用鋼通用標準或專用標準牌號都是用強度表示的。國內(nèi)GB/T700、GB/T1591、船體用鋼、橋梁用鋼、建筑用鋼等等也都如此。這樣表示比較科學直觀，反映工程用結構鋼的特征，便于使用選材。也有利于生產(chǎn)廠根據(jù)自己的設備、工藝、技術、原料和產(chǎn)品尺寸規(guī)格等情況，以及不同的使用要求，更好地控制鋼的成分，以最佳的成分達到最佳的性能，更好地滿足使用的要求。含鉻鉬合金鋼牌號表示方法是用平均C含量和合金元素表示。

3.3 鍋爐、壓力容器用高性能厚板新產(chǎn)品的特性

壓力容器用鋼一般用來制造石油化工行業(yè)的球罐、油氣儲罐和各種化工容器，為厚板鋼中一大類專用高附加值產(chǎn)品，壓力容器用鋼要求有足夠高的強度、良好的韌性和優(yōu)良的焊接性能，高的耐腐蝕性能。特別是近年來高壓容器和超高壓容器的廣泛使用， 對壓力容器的安全性提出了更高的要求， 鋼板是制作壓力容器的主要材料， 其質(zhì)量是保證壓力容器安全運行的關鍵因素。Q370R主要用于制造各類中低壓容器，都是在承壓態(tài)下進行工作，有些還要同時承受高溫和腐蝕性介質(zhì)的作用，使用條件非常復雜。所以對Q370R鋼板的力學性能要求比較高，要求具有強韌性匹配好、板厚效應低、焊接性能好等優(yōu)點，是使用量僅次于Q345R的鋼種[8-9]。

3.3.1鍋爐用低合金高強度鋼板

將SBV62鋼板是在原Mn—Ni—o.5Mo鋼板（SBV2）的基礎上加入微量Cr、V及B等元素，同時減少C含量，從而確保了高的高溫強度和優(yōu)良的韌性、焊接性。NT材和QT材都在PwHT后獲得了高的強度和高溫強度；同時得到了在實用上無問題的夏比沖擊特性。此鋼板為低合金鋼，但在450℃左右的溫度范圍的允許抗拉應力很高，其加工性能、焊接性能和焊接接頭性能均好[10]。

4.相關研究及研究前沿

高壓容器鋼大型鍛件制造研究前沿高壓容器鋼大型鍛件制造的傳統(tǒng)工藝是：堿一酸性平爐雙聯(lián)硅還原法煉鋼，大氣下澆鑄鋼錠，水壓機鍛造、擴氫（軟化）退火、粗加工擴孔、正火和調(diào)質(zhì)處理。近年來，人們將工藝創(chuàng)新的重點放在冶煉工藝上，這無疑是正確的，冶煉工藝從單純的物理學冶金轉變到“階段過程冶金”，從在一個爐內(nèi)既要氧化、又要還原，既要脫磷又要脫硫轉變到在不同裝置內(nèi)分別分階段進行。使煉鋼過程中從為了脫氧需氧化激烈沸騰，又怕過氧化后難還原，以及怕回磷的矛盾中解放出來，通過“階段過程冶金”促使鋼的潔凈度顯著提高。目前，“階段過程冶金”的組合方法很多，最常用的幾種組合方法和鋼達到的潔凈度水平見?！半A段過程冶金”工藝使鋼的潔凈度明顯提高，僅此效果就使35CrNi3MoVA鋼提高了近兩個強度等級，且使鋼的塑性和韌性變得更好，低溫沖擊功可達到>20.7J的水平，使許多新興厚壁高壓容器具備了優(yōu)質(zhì)的材料條件。在創(chuàng)新冶金工藝的同時，人們將注意力還集中在創(chuàng)新熱處理工藝和設備上。如采用電阻爐使加熱均勻，運用深冷淬火工藝提高淬火效果，改善悴火組織，增加淬透能力，并限制最低回火溫度，保持鋼有足夠的塑性和韌性等，在這方面也取得了很大進展。

但是，厚壁高壓容器大型鍛件的工藝過程冶煉、鍛造和熱處理是相輔相成的，是系統(tǒng)工程，在創(chuàng)新冶煉和熱處理工藝的同時，在鍛壓方面卻暴露出了不少問題。如以下問題：

（1）鍛造時，鋼錠加熱方式落后，大部份采用車底式加熱爐，溫度的準確控制和加 熱鋼錠的均勻程度都很不理想，使鍛壓時的均勻變形受到影響。

（2）現(xiàn)有的鍛造水壓機的操縱控制系統(tǒng)非常落后，鍛壓時基本是人工控制，很難達到最佳送進量，更談不上壓機與操作機之間的聯(lián)控。所以壓下量很不均勻，變形速度、變形溫度、相對送進量和絕對送進量等重要工藝參數(shù)很難得到科學控制，以致偏心、開裂、折疊、表面缺陷和晶粒度粗大或混晶等問題經(jīng)常出現(xiàn)。僅因表面缺陷和外觀尺寸以及裂紋等問題報廢或返修的大型鍛件，也是相當可觀的。這就內(nèi)耗或抵消了先進的冶煉技術和熱處理工藝帶來的優(yōu)勢，導致了大型鍛件生產(chǎn)的效益低下。

尺寸不規(guī)則主要是壓機行程控制手段落后，難以得到均勻的壓下量。內(nèi)部質(zhì)量差多為中心疏松組織未能鍛合而引起。晶粒粗大或局部粗晶產(chǎn)生的原因是加熱溫度高，變形不均勻，有局部變形程度小。表面缺陷和表面裂紋的產(chǎn)生多由于原材料質(zhì)量不好， 鋼錠冶金缺陷較多，加之鍛壓時得不到正確控制所造成，諸如拔長時所采用的相對送進量過大，倒棱時壓下量過大，送進量小于壓下量等等。

（3）鍛件的鋼錠利用率低，導致成本提高和效益低下。鋼材利用率最低的有50%，最高的也不超過65%，如果按成品零件對鋼錠的利用率來衡量就更低了。

大型鍛件在鍛壓生產(chǎn)中面臨的這些重大技術關鍵對厚壁高壓容器來講是嚴峻的挑戰(zhàn)，如何創(chuàng)新鍛壓工藝，更新鍛壓設備，減少鍛件表面缺陷，提高鋼材利用率是當前高壓容器鋼生產(chǎn)番重點解決的課題。大型鍛件生產(chǎn)技術要上一個新臺階，盡快適應新興高壓容器和專用重型精密機械的發(fā)展，就必須精化鍛件。

（4）必須在鑄錠上細致操作，探入研究。人們往往重視煉鋼過程，以為冶金質(zhì)量好了，鍛件質(zhì)量就會好，而忽視鑄錠過程，殊不知，如果不重視鑄錠技術，就等于前功盡棄。因此除研究保護澆鑄、真空澆注、錠模涂料等新技術外，還應研究設計新型的鋼錠模，改善鑄錠條件，嚴格控制注速和注溫。

（5）盡快更新鍛壓設備，提高鍛件表面質(zhì)量和鋼材利用率。必須使鍛壓向計算機程序控制方向發(fā)展，進行合理的變形。實現(xiàn)壓機與操作機聯(lián)控是程序化鍛造的必要條件，而壓機壓力和壓機行程控制以及每次鍛造行程中操作機送進量的精確控制是程序化鍛造的充分條件。因此，除了引進先進得鍛造設備以外，還要研究鋼的塑性變形規(guī)律，研究影響鍛件質(zhì)量的鍛造工藝參數(shù)，尋求最優(yōu)的變形方式，優(yōu)化組合各鍛造工藝參數(shù)，使鋼錠在鍛造中能均勻而充分變形，特別是使最后一火的變形量控制不在臨界變形程度范圍內(nèi)，使鍛件獲得均勻細小的晶粒組織。另外，拔長時操作機的相對送進量在0.4～0.6之間。間就可以達到理想的中心壓實和冶金特性低于0.25的相對送進量只能改變鍛件形狀而不會改變其晶粒度。因為當送進量較小時，拔長變形區(qū)出現(xiàn)雙鼓形。這時變形集中在上下表面層，鍛件中心部份不能鍛透。當送進量過大時，拔長變形區(qū)出現(xiàn)單鼓形，這時心部變形很大，得到充分鍛適，然而易在鼓形側面和角部形成拉應力，引起表面橫向裂紋和角裂紋。所以，只有當總鍛比達到能在最后兒個鍛壓道次中產(chǎn)生理想的中心壓實時， 這樣的相對送進量才是可行的，才能實現(xiàn)精化鍛件的目的，減少鍛件的表面缺陷和表面裂紋，減少機械加工余量。與此同時，一可以真正發(fā)揮創(chuàng)新的煉鋼和熱處理工藝帶來的優(yōu)勢，使厚壁高壓容器鋼的質(zhì)量水平再提高一步。

當前，在大型鍛件生產(chǎn)流程的整個系統(tǒng)中，鍛造已成為一個窄口，無論數(shù)量和質(zhì)量以及鍛件精度都不能適應厚壁高壓容器發(fā)展的需要，鍛件精化、機械加工余量減小、表面缺陷減小都將增大效益，利用率提高，帶來的效益也是十分可觀的，而且還可節(jié)約用于改制和處理質(zhì)量問題的費用。工藝和設備已經(jīng)到了非創(chuàng)新不可的地步，為了盡快扭轉被動局面，應迅速改變我們過去那種顧此失彼，單向突進的創(chuàng)新工藝方式，將主要注意力相對集中到鍛壓設備和工藝的創(chuàng)新上來，盡快使大型鍛件生產(chǎn)全系統(tǒng)的三大工藝過程冶煉、鍛壓、熱處理、以及理化檢測全面得到更新，使我們的大型鍛件質(zhì)量進入國內(nèi)外先進行列，不斷降低成本，提高經(jīng)濟效益，以便在市場競爭中立于不敗之地。

5.小結

用于制造高溫承壓部件的材料，應具有足夠高的強度和持久塑性、良好的組織穩(wěn)定性、高的松馳穩(wěn)定性、良好的抗氧化性等性能。高壓容器亦是如此，應該具有良好的性能，我國在這一條路上還有好長的路要走。

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