郭志芳

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

某海上油氣處理項目2臺搖擺塔器原設計標準為 ASMEⅧ-1（2021）《Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1》［1］, 制 造材料為SA537 CL1。為實現(xiàn)該塔器的國產(chǎn)化設計制造，計劃依據(jù)GB/T 3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》［2］進行設計，采用國產(chǎn) 09MnNiDR 鋼板［3］進行制造。

目前國內(nèi)有數(shù)十家供應09MnNiDR鋼板的鋼廠，均可保證鋼板產(chǎn)品滿足標準要求，但有應用表明09MnNiDR鋼板經(jīng)容器廠加工制造后性能與鋼板質(zhì)保書不一致［4-5］。此外，塔體用材屬于厚壁（最大壁厚超過 60 mm）、低溫（-70℃、）鋼板，已有海洋平臺上厚壁09MnNiDR高壓容器應用表明原材料或加工成形后鋼板心部的低溫沖擊吸收能量不滿足 GB/T 3531—2014中材料標準要求［6-7］。這些都說明部分鋼廠的供貨能力及產(chǎn)品質(zhì)量與事實存在一定的差異，要保障本項目順利實施，有必要開展09MnNiDR鋼板訂貨前的工廠供貨能力及產(chǎn)品質(zhì)量考察評估。

文中介紹了對國內(nèi)某大型鋼廠09MnNiDR鋼板產(chǎn)品進行的分析過程和評估結(jié)果，同時探討了09MnNiDR厚板心部低溫沖擊吸收能量不合格問題，分析了影響鋼板低溫性能的因素及改進措施。相關(guān)研究結(jié)果將為后續(xù)工程實踐中厚壁09Mn-NiDR高壓容器的設計制造選擇合格供應商、制定符合市場實際情況的09MnNiDR訂貨技術(shù)條件提供指導和參考。

1 09MnNiDR鋼板產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

1.1 化學成分

從國內(nèi)某大型鋼廠生產(chǎn)的130個批次09MnNiDR鋼板產(chǎn)品化學成分分析數(shù)據(jù)中，抽取對鋼板性能有重要影響的主要合金元素 C、Mn、Ni以及主要有害元素P、S數(shù)據(jù)制成含量分布柱狀圖，見圖1～圖5。

圖1 130個批次09MnNiDR鋼板C質(zhì)量分數(shù)分布

圖2 130個批次09MnNiDR鋼板Mn質(zhì)量分數(shù)分布

圖3 130個批次09MnNiDR鋼板Ni質(zhì)量分數(shù)分布

圖4 130個批次09MnNiDR鋼板P質(zhì)量分數(shù)分布

圖5 130個批次09MnNiDR鋼板S質(zhì)量分數(shù)分布

由圖1～圖5可以看出，鋼板中C元素質(zhì)量分數(shù)在0.053%～0.080%，平均值為 0.067%；鋼板中Mn元素質(zhì)量分數(shù)在1.45%～1.588%，平均值為1.531%；鋼板中Ni元素質(zhì)量分數(shù)在 0.507%～0.777%，平均值為0.539%；鋼板中P元素質(zhì)量分數(shù)在0.002 8%～0.009 3%，平均值為0.005 1%；鋼板中S元素質(zhì)量分數(shù)在0.000 3%～0.002 1%，平均值為0.000 81%。

將圖1～圖5中各個元素的最小值、最大值、平均值以及GB/T 3531—2014中09MnNiDR鋼中相應元素質(zhì)量分數(shù)指標（簡稱指標1）制成表格，見表1。

由表1可以看出，C元素質(zhì)量分數(shù)分布相對集中，遠低于GB/T3531—2014規(guī)定的指標。Mn元素質(zhì)量分數(shù)基本呈正態(tài)分布，接近指標上限值。Ni元素質(zhì)量分數(shù)95%置信區(qū)間0.533%～0.545%，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)分布于平均值附近，僅個別接近指標上限值。P元素質(zhì)量分數(shù)遠小于該上限，最大值僅為上限值的46.5%。S元素質(zhì)量分數(shù)多集中于平均值附近，95%置信區(qū)間0.000 77%～0.000 86%，平均值為標準指標上限的10%。

此外，除表1所列的主要化學元素成分外，09MnNiDR鋼板產(chǎn)品中還含有少量Cu、Cr、V、Ti、Mo等殘余合金元素。這些元素主要由鐵礦石與廢鋼等原材料帶入，在鋼板中質(zhì)量分數(shù)相對少，與鋼板性能相關(guān)性較弱，這里不做討論。

表1 130個批次09MnNiDR鋼板產(chǎn)品化學成分分布特征值及標準指標（質(zhì)量分數(shù)） %

總之，統(tǒng)計分析結(jié)果表明，鋼廠130個批次09MnNiDR鋼板產(chǎn)品主要合金元素C、Mn、Ni以及主要有害元素P、S質(zhì)量分數(shù)均滿足GB/T 3531—2014中的相應指標，產(chǎn)品化學成分穩(wěn)定而且對P、S有害雜質(zhì)做到了嚴格控制。

1.2 力學性能

1.2.1 整體情況

對收集到的573組09MnNiDR鋼板產(chǎn)品力學性能數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。每組力學性能參數(shù)類別包括屈服強度ReL、抗拉強度Rm、斷后伸長率A以及-70℃沖擊吸收能量，涉及的鋼板厚度在12～99 mm。提取各組數(shù)據(jù)中最小值、最大值、平均值，將提取值與GB/T 3531—2014中09MnNiDR鋼材的相應力學性能指標（簡稱指標2）制成表格，見表2。

由表2可以看出，鋼板產(chǎn)品屈服強度數(shù)據(jù)在321～434 MPa，平均 382 MPa，大于 260～300 MPa，滿足GB/T 3531—2014中指標且存在較大強度裕量。鋼板產(chǎn)品屈服強度數(shù)據(jù)較為分散，這種分布是不同板厚鋼板所致，屬于正常現(xiàn)象。鋼板產(chǎn)品抗拉強度數(shù)據(jù)分布在455～533 MPa，平均為498 MPa，大于420～570 MPa，達到GB/T3531—2014中鋼板抗拉強度指標。鋼板產(chǎn)品斷后伸長率在26.0%～39.5%，平均為 31.39%，大于 23%，達到 GB/T 3531—2014中規(guī)定鋼板斷后伸長率指標。鋼板產(chǎn)品T/4取樣位置-70℃沖擊吸收能量在 177～415 J，平均為319 J，遠大于60 J，滿足GB/T 3531—2014中指標；T/2取樣位置 -70℃沖擊吸收能量在205～363 J，平均為296 J，遠大于 60 J，滿足 GB/T 3531—2014中指標，而且低溫性能富裕量大。

表2 573組09MnNiDR鋼板產(chǎn)品力學性能數(shù)據(jù)特征值與標準指標

1.2.2 專項分析

據(jù)了解，針對實際工程曾出現(xiàn)的厚板09MnNiDR心部-70℃沖擊吸收能量不合格問題，鋼廠采取了提高鋼材純凈度、優(yōu)化軋制工藝措施。實地考察時，對其厚板產(chǎn)品進行了低溫沖擊性能專項分析。

對板厚在56～99 mm的1 074個T/4取樣位置-70℃沖擊吸收能量數(shù)據(jù)進行的專項分析結(jié)果表明，鋼板沖擊吸收能量總體在226～400 J，平均為332 J，這表明09MnNiDR特厚板同樣具有優(yōu)秀的低溫沖擊韌性。

對鋼廠提供的45塊鋼板的135個T/2取樣位置試樣-70℃沖擊吸收能量數(shù)據(jù)進行的專項分析表明，鋼板產(chǎn)品T/2試樣位置-70℃沖擊吸收能量總體在205～363 J，平均為296 J，該結(jié)果與T/4試樣位置-70℃沖擊吸收能量數(shù)總體范圍及平均值基本相當，說明鋼板心部低溫沖擊韌性優(yōu)良。

2 09MnNiDR厚鋼板技術(shù)數(shù)據(jù)實驗室抽樣檢測

2.1 化學成分

在實驗室測定09MnNiDR鋼板材料化學成分，鋼板供貨狀態(tài)為正火加回火。分別用70 mm和100 mm厚度09MnNiDR鋼板進行試驗，化學成分分析按GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》［8］的有關(guān)規(guī)定 進行光譜分析，測定結(jié)果見表3。該結(jié)果表明，樣品化學成分達到GB/T 3531—2014中09MnNiDR成分指標，同時與鋼材化學成分統(tǒng)計結(jié)果吻合。

表3 09MnNiDR鋼板化學成分實測數(shù)據(jù)（質(zhì)量分數(shù)） %

2.2 拉伸性能

在實驗室測定09MnNiDR鋼板材料拉伸性能。采用圓棒拉伸試樣標據(jù)50 mm，直徑10 mm，取樣位置包括T/4及T/2，取樣方向分為橫向和縱向，每個測試點重復3根試樣。參考GB/T 228.1—2010《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》［9］在WE-30液壓式萬能材料試驗機上進行鋼板室溫拉伸性能測定，結(jié)果見表4。

表4 70 mm與100 mm厚09MnNiDR鋼板拉伸性能測試結(jié)果

表4表明，鋼板屈服強度總體在325～385 MPa，抗拉強度在465～495 MPa，斷后伸長率在34.0%～38.5%，測定結(jié)果均達到GB/T 3531—2014中規(guī)定的拉伸性能指標，鋼板厚度、取樣位置、取樣方向?qū)y定結(jié)果影響不大。

2.3 低溫沖擊性能

進行-70℃沖擊試驗。試驗參考GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》［10］，試樣取樣位置為T/4及T/2，取樣方向為橫向和縱向,每個測試點重復3個試樣。試驗設備為PIT452D示波式夏比沖擊試驗機。試驗低溫環(huán)境為酒精加液氮調(diào)制的低溫溶液，低溫儀型號為3102-1，試驗測定結(jié)果見表5。

表5表明，-70℃沖擊吸收能量均顯著大于GB/T3531—2014中沖擊吸收能量最低60 J的指標。而且，在相同取樣位置與取樣方向條件下，70 mm與100 mm厚鋼板-70℃沖擊吸收能量基本一致。相同板厚與取樣位置條件下，縱向取樣試樣沖擊吸收能量稍高于橫向取樣。相同板厚與取樣方向條件下，除70 mm板橫向取樣T/4試樣沖擊吸收能量略高于T/2沖擊吸收能量外，其余T/4試樣沖擊吸收能量明顯高于T/2沖擊吸收能量，可見09MnNiDR厚板具備優(yōu)秀的低溫沖擊韌性。

表5 70 mm與100 mm厚09MnNiDR鋼板-70℃沖擊吸收能量 J

2.4 落錘試驗

落錘試驗按照GB/T 6803—2008《鐵素體鋼的無塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗方法》［11］進行，試驗機型號為ZCJ2203，試驗打擊能量為350 J，試樣為P2型，表層和心部橫向取樣。試驗低溫介質(zhì)為液氮加酒精，試驗時試樣過冷度為1～2℃，試驗溫度下保溫40 min，試驗結(jié)果見表6（○表示試樣未斷裂，×表示試樣斷裂）。

表6表明，相同板厚下，鋼板表層無塑性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT）低于心部，顯示鋼板表層具備更優(yōu)的低溫抗脆斷能力，該趨勢與沖擊試驗結(jié)果一致。落錘試驗結(jié)果表明70 mm與100 mm厚09MnNiDR鋼板具有較低的無塑性轉(zhuǎn)變溫度，滿足-70℃低溫服役要求。

表6 70 mm和100 mm厚09MnNiDR鋼板落錘試驗結(jié)果

3 09MnNiDR厚鋼板心部低溫沖擊吸收能量不合格問題探討

3.1 檢驗要求變化

以往塔器設計制造中，對09MnNiDR鋼板沖擊韌性提出的檢驗要求為T/4處沖擊韌性達標。近些年大型塔器不斷得到推廣應用，國內(nèi)工程界出于壓力容器的服役安全性考慮，提出檢驗T/2處沖擊韌性要求，發(fā)現(xiàn)時有09MnNiDR厚板心部被檢出-70℃沖擊吸收能量不合格［12］。

某二氧化碳吸收塔產(chǎn)品封頭先后進行6次模擬熱壓及熱處理試驗，材料性能試驗分別在3家實驗室進行，結(jié)果顯示每次試驗板厚T/2處的-70℃沖擊吸收能量均出現(xiàn)低值［13］。某50 mm厚的09MnNiDR鋼制錐體在920℃熱成形后空冷，隨后進行660℃回火處理，復驗鋼材-70℃沖擊性能不合格。

3.2 不合格案例分析

以上案例發(fā)生后進行的相關(guān)檢驗檢查表明，二氧化碳吸收塔產(chǎn)品封頭低值沖擊試樣斷口存在帶狀組織，裂紋源區(qū)存在MnS夾雜物和NbC析出。50 mm厚的09MnNiDR鋼制錐體的熱成形和熱處理符合工藝要求，鋼板化學成分滿足相關(guān)標準規(guī)定，金相組織以鐵素體加珠光體為主，但存在明顯組織偏析［14］。09MnNiDR厚板心部的沖擊吸收能量存在較大的分散性，3個試驗結(jié)果包含1個或2個低值。這些09MnNiDR厚板心部低溫沖擊吸收能量不合格問題均與鋼板組織偏析有關(guān)，但是鋼板組織偏析一般源于鋼坯的成分偏析，同時采用常規(guī)加工制造過程也無法改變鋼板組織偏析的狀態(tài)。

換言之，鋼板供貨態(tài)也存在組織偏析，這一點鋼材質(zhì)保書中分散的沖擊吸收能量數(shù)據(jù)可以證實。鋼材供貨態(tài)低溫沖擊吸收能量合格，但經(jīng)過熱加工/熱成形后低溫沖擊無法達標，這表明組織偏析不是導致鋼板低溫沖擊吸收能量不合格的根本原因。

3.3 處理措施討論

GB/T 3531—2014允許對厚度超過60 mm的09MnNiDR鋼板采用正火處理后加快速冷卻工藝，鋼廠一般利用此工藝解決09MnNiDR厚板心部組織粗大、鋼板拉伸和沖擊性能不易保證問題［15］。叢軼等［14］采用正火后加速冷卻的方法，具體工藝為錐體在（910±15）℃加熱，保溫60 min后浸水冷卻，之后進行（660±15）℃回火。經(jīng)該工藝處理后09MnNiDR鋼板原鐵素體加珠光體組織產(chǎn)生大量細小粒狀貝氏體，晶粒較之前明顯細化，鋼板-70℃沖擊吸收能量大幅提高，盡管3個沖擊數(shù)值仍存在一定分散性，但沖擊吸收能量均明顯高于標準要求。

筆者認為，鋼廠可結(jié)合工廠實際情況從兩個方面著手提高鋼板心部的沖擊性能，首先優(yōu)化冶煉以及控軋工藝，提高鋼材純凈度，從而減輕鑄坯中心偏析，消除或者減少帶狀組織，從源頭上提升鋼板性能。其次針對09MnNiDR厚板制定合理可行的熱成形、熱處理工藝，必要時監(jiān)控試件金相組織，以保證熱加工后鋼板性能恢復至供貨狀態(tài)。

4 結(jié)語

大型工程項目用鋼安全性要求高，訂貨時僅有產(chǎn)品質(zhì)量保證書是不夠可靠的，應在訂貨前有步驟地展開實地考察，從廠家獲取第一手產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)，同時委托有資質(zhì)的檢驗檢測單位對廠家產(chǎn)品抽樣檢驗，結(jié)合具體項目要求進行數(shù)據(jù)的對比、分析和研究。對國內(nèi)某大型鋼廠進行的實地考察結(jié)果表明，鋼廠生產(chǎn)的09MnNiDR厚板產(chǎn)品總體質(zhì)量穩(wěn)定、技術(shù)成熟，測試結(jié)果與統(tǒng)計結(jié)果相符，能夠滿足海洋平臺項目塔器制造使用厚壁09MnNiDR鋼板的需求。文中的評估方法和實施過程可為同類訂貨實地考查提供參考。