趙斐 李介普

摘要：著重分析了新版《壓力容器》（GB 150—2011）中一些新引入鋼板的特性，從合金元素及含量的角度給出了鋼板特性及鋼板的應(yīng)用情況，有助于壓力容器設(shè)計(jì)人員對(duì)新版《壓力容器》部分變更內(nèi)容的理解與掌握，從而幫助設(shè)計(jì)者合理、經(jīng)濟(jì)選材。

關(guān)鍵詞：壓力容器;材料選擇;合金元素

0 ? ?引言

GB 150是我國(guó)鋼制壓力容器設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)的核心基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)關(guān)注新GB 150—2011的變更內(nèi)容，正確認(rèn)識(shí)壓力容器用鋼中的鋼材成分、特點(diǎn)以及牌號(hào)等信息，不僅可以使設(shè)計(jì)人員充分認(rèn)識(shí)到元素在合金鋼中的重要性，還可以提高壓力容器設(shè)計(jì)的安全性與經(jīng)濟(jì)性，提升設(shè)計(jì)人員的整體設(shè)計(jì)水平。

近年來(lái)，石油化工領(lǐng)域的設(shè)備都有大型化、集中化的趨勢(shì)，設(shè)備也要求更輕、更安全，這就對(duì)壓力容器提出了新的要求，需要壓力容器產(chǎn)品既能滿足苛刻的工藝條件，又能保證良好的安全性和經(jīng)濟(jì)性，節(jié)省材料。GB 150—2011是我國(guó)針對(duì)壓力容器這種特種設(shè)備頒布的標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)內(nèi)容要求強(qiáng)制執(zhí)行。在工業(yè)領(lǐng)域積累了多年經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際案例之后，在對(duì)材料有了更深刻的了解的基礎(chǔ)上，此版本相對(duì)于前一個(gè)版本GB 150—1998有了多處改動(dòng)，其中一個(gè)明顯的修改就是新增加的7種低合金鋼板以及6種高合金鋼板[1]，引入的這一系列鋼板多數(shù)為低溫條件下使用的鋼板，這就將壓力容器的設(shè)計(jì)溫度范圍擴(kuò)大到了-196～575 ℃[2]。本文將著重探究新標(biāo)準(zhǔn)中這幾種鋼材的性能特點(diǎn)、用途等。

1 ? ?7種低合金鋼板

在GB 150—2011第二部分材料中，第4章關(guān)于鋼板的選擇，新介紹了7種低合金鋼板，分別是12Cr1MoVR、12Cr2Mo1VR、12MnNiVR、15MnNiNbDR、07MnNiMoDR、08Ni3DR和06Ni9-

DR，下面介紹它們的具體特性。

1.1 ? ?12Cr1MoVR和12Cr2Mo1VR

這兩種鋼板的合金元素都為鉬（Mo）、鎳（Ni）、釩（V），熱加工條件都為正火加回火，調(diào)質(zhì)。屬于中高溫用鋼板，隨著合金元素中這三種元素的增加，鋼板所能適應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度也會(huì)增加，這兩種鋼材都屬于制造中高溫抗氫用鋼。

12Cr1MoVR中化學(xué)成分大致為：C：0.08%～0.15%;Si：0.17%～0.37%;Mn：0.30%～0.60%;Cr：0.90%～1.20%;Mo：0.25%～0.35%;V：0.15%～0.30%。

12Cr2Mo1VR中化學(xué)成分大致為：C：0.08%～0.15%;Si：0.17%～0.37%;Mn：0.30%～0.60%;Cr：2.00%～2.50%;Mo：0.90%～1.10%;V：0.15%～0.30%。

兩種鋼材的區(qū)別在鉻元素與鉬元素的含量上，通過(guò)GB 150—2011中的表格中可以看出，室溫條件下，兩種合金元素含量較高的鋼材強(qiáng)度指標(biāo)更大，其中12Cr2Mo1VR是強(qiáng)度級(jí)別最高的Cr-Mo鋼。

1.2 ? ?12MnNiVR

這種鋼板屬于中常溫用鋼板，添加的元素為錳（Mn）、鎳（Ni）、釩（V）。這三種元素的引入，除了鎳和釩可以增強(qiáng)鋼材的強(qiáng)度和硬度，最重要的就是錳元素顯著提高了其韌性與可焊性[3]。這種鋼板規(guī)定的厚度在10～60 mm，最低使用溫度為-20 ℃，一般用于大型儲(chǔ)油罐。

1.3 ? ?15MnNiNbDR和07MnNiMoDR

這兩種鋼板都屬于低溫用鋼板，牌號(hào)中的D代表低溫條件下使用，讀作“低”。

15MnNiNbDR厚度規(guī)定在10～60 mm，最低使用溫度為-50 ℃，其中各個(gè)化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求為：C：0.16%～0.18%;Si：0.15%～0.50%;Mn：1.20%～1.60%;P≤0.020%;S≤0.010%;Ni：0.30%～0.70%;Nb：0.01%～0.04%;鎳（Ni）與微量鈮（Nb）的添加都能增強(qiáng)鋼材的強(qiáng)度，錳（Mn）的添加又能保證其韌性，故15MnNiNbDR常用于高參數(shù)的球形儲(chǔ)罐與單層卷焊容器。

07MnNiMoDR厚度規(guī)定在10～50 mm，最低使用溫度為-50 ℃，使用狀態(tài)要求為調(diào)質(zhì)。這種新加入鋼材與先前已有的07MnNiVDR相比，把合金元素V換為了Mo，鉬（Mo）的存在增強(qiáng)了鋼材的低溫性能，提高了其強(qiáng)度與韌性，故新引入的07MnNiMoDR的最低使用溫度比07MnNiVDR更低，微量合金對(duì)鋼材性質(zhì)的影響由此可見一斑[4]。

1.4 ? ?08Ni3DR和06Ni9DR

這兩種鋼材都屬于低溫用鋼，添加的合金元素都只有鎳（Ni），這兩種鋼材的存在，極大地增強(qiáng)了壓力容器鋼材對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性。

08Ni3DR中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要小于0.15%，常規(guī)元素（如Si、Mn、S、P等）與優(yōu)質(zhì)低合金鋼的含量類似。由上述分析我們可以發(fā)現(xiàn)，鎳在增強(qiáng)鋼材抗腐蝕能力及低溫下力學(xué)性能方面有著極大的作用。08Ni3DR中鎳（Ni）元素的含量為3.25%～3.75%，鎳使得此種鋼材的最低使用溫度擴(kuò)大到了-100 ℃，此種鋼材主要用于-100 ℃級(jí)的低溫容器。

06Ni9DR俗稱“9鎳鋼”，與08Ni3DR相比，碳含量有了輕微的降低，但是鎳（Ni）含量提升至8.5%～10%，這使得此種鋼材的最低使用溫度低至-196 ℃，具有良好的耐低溫沖擊性能和極低的受熱形變系數(shù)，從而被廣泛應(yīng)用于液化天然氣船舶和液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)工程。

2 ? ?6種高合金鋼板

在GB 150—2011第二部分材料中，第4章關(guān)于鋼板的選擇，還介紹了6種高合金鋼板，它們分別是S11972、S30409、S31008、S39042、S22253和S22053。下面將介紹它們的具體組成成分及特性。

S11972高合金鋼板在GB 24511—2009中的新牌號(hào)為019Cr19Mo2NbTi，具體每種合金元素的含量在牌號(hào)中有所體現(xiàn)。S30409高合金鋼板在GB 24511—2009中的新牌號(hào)為07Cr19Ni10，屬于奧氏體耐熱鋼。S31008高合金鋼板在GB 24511—2009中的新牌號(hào)為06Cr25Ni20，屬于奧氏體耐熱鋼。S39042高合金鋼板在GB 24511—2009中的新牌號(hào)為015Cr21Ni26Mo5Cu2，屬于奧氏體不銹鋼。S22253高合金鋼板在GB 24511—2009中的新牌號(hào)為022Cr22Ni5Mo3N，屬于奧氏體-鐵素體不銹鋼。S22053高合金鋼板在GB 24511—2009中的新牌號(hào)為022Cr23Ni5Mo3N，屬于奧氏體-鐵素體不銹鋼。

由對(duì)鋼材牌號(hào)的探究可知，新添加的高合金鋼板，不論是耐熱鋼還是不銹鋼，其中鉻（Cr）元素都為主要的合金元素，含量都在19%以上，保證了鋼材的強(qiáng)度與耐腐蝕性能;二號(hào)元素為鎳（Ni）元素，它可以與鉻（Cr）元素相輔相成，更大程度上提高鋼材的強(qiáng)度與耐腐蝕性，另外，鎳還可以提高鋼材的韌性并保證塑性，對(duì)于壓力容器對(duì)材料的使用要求符合得較好。添加鉬（Mo）元素時(shí)鋼材中產(chǎn)生了穩(wěn)定的新相組織，對(duì)鋼材綜合性能的提升大有益處。其余元素比如氮（N）、銅（Cu）的加入，分別保證了鋼材的硬度與韌性要求，使得這些鋼材可以滿足壓力容器用鋼的要求。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

GB 150—2011新引入的7種低合金鋼板和6種高合金鋼板，科學(xué)利用了合金元素性能，增大了壓力容器鋼板的設(shè)計(jì)厚度與設(shè)計(jì)溫度范圍，實(shí)現(xiàn)了部分壓力容器輕量化。了解這些鋼材的性能，有助于設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 壓力容器：GB 150—2011[S].

[2] 江慧豐.對(duì)GB 150.2—2011中碳素鋼和低合金鋼鋼板部分的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].化工機(jī)械，2014，41（4）：405-408.

[3] 劉碩.微合金元素對(duì)低合金高強(qiáng)鋼焊縫及熱影響區(qū)組織性能的影響[J].世界鋼鐵，2014，14（1）：64-72.

[4] 馬鳴，張亞奇，李春光.低溫鋼制壓力容器焊接工藝綜述[J].機(jī)械制造文摘（焊接分冊(cè)），2011（6）：28-32.

收稿日期：2020-02-24

作者簡(jiǎn)介：趙斐（1993—），男，河南鄭州人，助理工程師，研究方向：壓力容器、壓力管道安裝與設(shè)計(jì)。