江慧豐

(合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心)

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和技術(shù)不斷進(jìn)步，壓力容器設(shè)計(jì)制造在數(shù)量和質(zhì)量上均取得了巨大提升。與之對(duì)應(yīng)，我國(guó)也建立了較為全面的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系，有力保障了壓力容器的安全生產(chǎn)和服役。新版GB 150《壓力容器》系列標(biāo)準(zhǔn)(包含4個(gè)部分)于2011年11月21日發(fā)布，2012年3月1日實(shí)施[1]，規(guī)定了壓力容器建造的基本要求、對(duì)壓力容器用鋼材的要求、典型受壓元件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收的要求，是我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系中最為核心的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，在行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)影響巨大[2]。

GB 150.2-2011《壓力容器 第2部分：材料》作為獨(dú)立的材料部分標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了壓力容器受壓元件允許使用的鋼材牌號(hào)及其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，鋼材的附加技術(shù)要求，鋼材的使用范圍(溫度和壓力)以及許用應(yīng)力等內(nèi)容。根據(jù)鋼材化學(xué)成分和所含合金元素的不同，該標(biāo)準(zhǔn)分別從碳素鋼和低合金鋼、高合金鋼這個(gè)兩個(gè)方面對(duì)壓力容器受壓元件用鋼材(包括鋼板、鋼管、鋼鍛件和螺柱(含螺栓)用鋼棒)進(jìn)行了說(shuō)明。筆者主要針對(duì)GB 150.2-2011中碳素鋼和低合金鋼鋼板部分進(jìn)行總結(jié)和探討。

1 適用范圍

GB 150.2-2011中共收錄碳素鋼和低合金鋼鋼板牌號(hào)20個(gè)，包括[3]：

a． GB 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》[4]中的9個(gè)牌號(hào)(Q245R、Q345R、Q370R、18MnMoNbR、13MnNiMoR、15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R、12Cr1MoVR)，鋼由氧氣轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉；

b． GB 3531-2008《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》[5]中的3個(gè)牌號(hào)(16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR)，鋼由氧氣轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，并采用爐外精煉工藝；

c． GB 19189-2011《壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板》[6]中的4個(gè)牌號(hào)(07MnMoVR、07MnNiVDR、07MnNiMoDR、12MnNiVR)，鋼由氧氣轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，并應(yīng)經(jīng)過(guò)真空處理；

d． GB 150.2-2011附錄A中的尚未列入材料標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))的4個(gè)牌號(hào)(12Cr2Mo1VR、15MnNiNbDR、08Ni3DR、06Ni9DR)。

根據(jù)GB150.2-2011，碳素鋼和低合金鋼鋼板的使用溫度上限(相應(yīng)受壓元件的最高設(shè)計(jì)溫度)可由各牌號(hào)鋼板許用應(yīng)力(GB150.2-2011表2)所對(duì)應(yīng)的最高溫度確定，使用溫度下限則直接在標(biāo)準(zhǔn)(GB150.2-2011表4)中給出。因此，可確定出這20個(gè)碳素鋼和低合金鋼牌號(hào)鋼板所覆蓋的設(shè)計(jì)溫度范圍為-196(06Ni9DR鋼板)～575℃(12Cr2Mo1R、12Cr1MoVR鋼板)；此外，按鋼板的適用溫度，可參照GB 150.2-2011表4將鋼板劃分為3類，即為中常溫用鋼板、低溫用鋼板和中高溫用鋼板，具體見表1。

表1 碳素鋼和低合金鋼鋼板適用溫度范圍

需要指出的是，在GB 150.2-2011表4中僅給出了15個(gè)牌號(hào)碳素鋼和低合金鋼鋼板的使用溫度下限，并未給出另外5個(gè)牌號(hào)的Cr-Mo鋼(15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R、12Cr1MoVR和12Cr2Mo1VR)鋼板的使用溫度下限。這主要是因?yàn)镃r-Mo鋼一般用于中高溫臨氫環(huán)境，不會(huì)用于低溫條件，因此其使用溫度下限取為室溫20℃。

與GB 150-1998相比，GB 150.2-2011中新增了7個(gè)低合金鋼鋼板牌號(hào)(12Cr1MoVR、12Cr2Mo1VR、12MnNiVR、15MnNiNbDR、07MnNiMoDR、08Ni3DR和06Ni9DR)，擴(kuò)大了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料選擇范圍，設(shè)計(jì)溫度覆蓋范圍更廣，較好地適應(yīng)了我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)邊界拓展和服役環(huán)境苛刻化的趨勢(shì)[7]。

2 標(biāo)準(zhǔn)新進(jìn)展

2011年9月28日，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)下達(dá)了2011年第一批國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃(國(guó)標(biāo)委綜合[2011]57號(hào)文)，其中要求對(duì)GB 713-2008和GB 3531-2008進(jìn)行修訂[8]。歷時(shí)兩年多，上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已完成修訂，正處于報(bào)批公示階段。

2.1 GB 713-2008的修訂

GB 713-2008的修訂主要是因?yàn)闅W洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10028-2009提高了鍋爐及壓力容器用鋼的技術(shù)要求，特別是EN 10028.2-2009和EN 10028.3-2009中大大降低鋼中S、P元素含量，提高沖擊功要求；在國(guó)內(nèi)，鍋爐容器行業(yè)的設(shè)計(jì)院、制造和使用單位對(duì)鋼板的成分控制和性能水平要求越來(lái)越高。隨著國(guó)內(nèi)鋼廠冶金裝備水平和產(chǎn)品開發(fā)實(shí)力的不斷提高，新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，在不同領(lǐng)域、關(guān)鍵設(shè)備等實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，并取得了良好的效果，實(shí)現(xiàn)了以產(chǎn)頂進(jìn)，有的達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。同時(shí)降低鋼中雜質(zhì)元素含量，提高鋼板性能要求，可進(jìn)一步提高承壓設(shè)備的安全可靠性。因此，對(duì)GB 713-2008進(jìn)行修改勢(shì)在必行。在該標(biāo)準(zhǔn)的修訂稿中，將增加Q420R、12Cr2Mo1VR和07Cr2AlMoR 3個(gè)新牌號(hào)，所收錄牌號(hào)鋼板將由9個(gè)增加至12個(gè)；降低了標(biāo)準(zhǔn)收錄鋼板中S、P元素的含量，提高了各鋼種的沖擊功指標(biāo)，規(guī)定了大單重鋼板組批原則，增加了鋼錠、電渣重熔披壓縮比要求等。

2.2 GB 3531-2008的修訂

GB 3531-2008的修訂主要內(nèi)容仍以GB 3531-2008為基礎(chǔ)，同時(shí)參照了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9328和國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)EN 10028。

在GB 3531-2008標(biāo)準(zhǔn)的修訂稿中，為與GB150.2-2011有效銜接，將增加15MnNiNbDR、08Ni3DR和06Ni9DR 3個(gè)牌號(hào)鋼種，所收錄牌號(hào)鋼板將由3個(gè)增加至6個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)名稱相應(yīng)修改為《低溫壓力容器用鋼板》；同時(shí)，也充分考慮了國(guó)內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)工藝，并結(jié)合國(guó)內(nèi)冶煉和軋鋼技術(shù)進(jìn)步，降低了S、P等有害元素含量，提高鋼的純凈度和性能指標(biāo)。

3 各牌號(hào)鋼板簡(jiǎn)介

參照GB 150.2-2011表4，可將碳素鋼和低合金鋼鋼板根據(jù)其使用溫度劃分為3類，即為中常溫用鋼板(7個(gè)牌號(hào))、低溫用鋼板(8個(gè)牌號(hào))、中高溫用鋼板(5個(gè)牌號(hào))，下面對(duì)各類鋼板用途進(jìn)行簡(jiǎn)介。

3.1 中常溫用鋼板

3.1.1Q245R

Q245R即為原來(lái)的20g(GB 713-1997[9])、20R(GB 6654-1996[10])，在GB150.2-2011(GB 713-2008)中厚度范圍由6～100mm擴(kuò)大至3～150mm，熱軋、控軋、正火態(tài)使用，廣泛用于制造各類壓力容器。

3.1.2 Q345R

Q345R即為原來(lái)的16Mng(GB 713-1997)、19Mng(GB 713-1997)、16MnR(GB 6654-1996)，新標(biāo)準(zhǔn)中厚度范圍由6～150mm擴(kuò)大至3～200mm，熱軋、控軋、正火態(tài)使用，是壓力容器中應(yīng)用范圍最廣且使用量最大的一個(gè)鋼號(hào)，廣泛用于制造單層卷焊容器、多層包扎容器、整體多層夾緊容器、熱套容器和球形容器。

3.1.3 Q370R

Q370R即為原來(lái)的15MnNbR(GB 6654-1996第1號(hào)修改單)，厚度范圍10～60mm，正火態(tài)使用，主要用于制造球形容器。

3.1.4 18MnMoNbR

18MnMoNbR，厚度范圍30～100mm，正火加回火態(tài)使用，主要用于制造氨合成塔及尿素合成塔等厚壁容器。

3.1.5 13MnNiMoR

13MnNiMoR即為原來(lái)的13MnNiCrMoNbg(GB 713-1997)、13MnNiMoNbR(GB 6654-1996)，新標(biāo)準(zhǔn)中厚度范圍由不大于120mm擴(kuò)大至30～150mm，正火加回火態(tài)使用，主要用于制造單層卷焊厚壁壓力容器。

3.1.6 07MnMoVR

07MnMoVR即為原來(lái)的07MnCrMoVR(GB 19189-2003[11])，新標(biāo)準(zhǔn)中厚度范圍由12～60mm擴(kuò)大至10～60mm，調(diào)質(zhì)態(tài)使用，主要用于制造氧氣球罐、丙烯球罐等壓力容器。

3.1.7 12MnNiVR

12MnNiVR，大線能量鋼板，新標(biāo)準(zhǔn)中厚度范圍由12～60mm擴(kuò)大至10～60mm，調(diào)質(zhì)態(tài)使用，主要用于制造大型原油儲(chǔ)罐等壓力容器。

3.2 低溫用鋼板

3.2.1 16MnDR

16MnDR，-40℃級(jí)鋼板，新標(biāo)準(zhǔn)中厚度范圍由6～100mm(GB 3531-1996[12,13])擴(kuò)大至6～120mm，正火、正火加回火態(tài)使用，是低溫壓力容器中使用量最大的一個(gè)鋼號(hào)，廣泛用于制造單層卷焊容器、整體多層夾緊容器、多層包扎容器、熱套容器和球形容器。

3.2.2 15MnNiDR

15MnNiDR，-45℃級(jí)鋼板，厚度范圍6～60mm，正火、正火加回火態(tài)使用，主要用于制造低溫塔器和球形容器。

3.2.3 15MnNiNbDR

15MnNiNbDR，-50℃級(jí)鋼板，新增牌號(hào)，厚度范圍10～60mm，正火、正火加回火態(tài)使用，主要用于制造高參數(shù)球形儲(chǔ)罐和單層卷焊容器。

3.2.4 09MnNiDR

09MnNiDR，-70℃級(jí)鋼板[14]，新標(biāo)準(zhǔn)中厚度范圍由6～60mm擴(kuò)大至6～120mm，正火、正火加回火態(tài)使用，主要用于制造低溫球形容器。

3.2.5 08Ni3DR

08Ni3DR，-100℃級(jí)鋼板，新增牌號(hào)，厚度范圍6～100mm，正火、正火加回火、調(diào)質(zhì)態(tài)使用，主要用于制造-100℃級(jí)低溫容器。

3.2.6 06Ni9DR

06Ni9DR，-196℃級(jí)鋼板，新增牌號(hào)，厚度范圍6～40mm，調(diào)質(zhì)態(tài)使用，主要用于制造大型LNG儲(chǔ)罐等低溫容器。

3.2.7 07MnNiVDR

07MnNiVDR即為原來(lái)的07MnNiMoVDR(GB 19189-2003)，-40℃級(jí)鋼板，新標(biāo)準(zhǔn)中厚度范圍由12～60mm擴(kuò)大至10～60mm，調(diào)質(zhì)態(tài)使用，主要用于制造球形儲(chǔ)罐等壓力容器。

3.2.8 07MnNiMoDR

07MnNiMoDR，-50℃級(jí)鋼板，在原來(lái)的07MnNiMoVDR鋼板基礎(chǔ)上進(jìn)行成分設(shè)計(jì)而得，厚度范圍10～50mm，調(diào)質(zhì)態(tài)使用，主要用于制造高參數(shù)球形儲(chǔ)罐等壓力容器。

3.3 中高溫用鋼板

GB 150.2-2011中收錄了5個(gè)牌號(hào)的Cr-Mo鋼(15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R、12Cr1MoVR、12Cr2Mo1VR)鋼板，主要用于中高溫臨氫環(huán)境，如煉油行業(yè)的加氫精制、重整等反應(yīng)器和換熱器設(shè)備。隨著鋼中Cr、Mo元素合金含量的增加或V元素的添加，鋼板所對(duì)應(yīng)設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)(溫度、壓力)將逐步提高。

3.3.115CrMoR

15CrMoR即為原來(lái)的15CrMog(GB 713-1997)、15CrMoR (GB 6654-1996)，又稱1Cr-0.5Mo鋼，新標(biāo)準(zhǔn)中厚度范圍由6～100mm擴(kuò)大至6～150mm，正火加回火態(tài)使用，是使用量較大的中高溫抗氫用鋼。

3.3.2 14Cr1MoR

14Cr1MoR，又稱1.25Cr-0.5Mo鋼，厚度范圍由6～120mm(GB 150-1998[15])擴(kuò)大至6～150mm(GB 150.2-2011)，正火加回火態(tài)使用，較15CrMoR強(qiáng)度級(jí)別有所提高，是煉油和化肥裝置中使用量較大的一個(gè)中高溫抗氫用鋼。

3.3.3 12Cr2Mo1R

12Cr2Mo1R，又稱2.25Cr-1Mo鋼，新標(biāo)準(zhǔn)中厚度范圍由6～120mm擴(kuò)大至6～150mm，正火加回火態(tài)使用，較14Cr1MoR的設(shè)計(jì)溫度有所提高，是用于高設(shè)計(jì)參數(shù)(溫度、壓力)的中高溫抗氫鋼。

3.3.4 12Cr1MoVR

12Cr1MoVR，新增牌號(hào)，厚度范圍6～100mm，正火加回火態(tài)使用，較15CrMoR的設(shè)計(jì)溫度有所提高，是用于較高設(shè)計(jì)溫度的中高溫抗氫鋼。

3.3.5 12Cr2Mo1VR

12Cr2Mo1VR，新增牌號(hào)，又稱2.25Cr-1Mo-0.25V鋼，厚度范圍30～120mm，正火加回火態(tài)使用，是強(qiáng)度級(jí)別最高的Cr-Mo鋼，主要用于制造厚壁加氫反應(yīng)器。

4 結(jié)論和展望

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的科技攻關(guān)和研發(fā)投入，我國(guó)壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鋼板技術(shù)水平不斷進(jìn)步、性能持續(xù)提高，具體表現(xiàn)為：擴(kuò)大了鋼板厚度、寬度范圍，提高了鋼板材料純凈度(降低了材料的S、P含量)，提高了鋼板的V型沖擊功指標(biāo)等，鋼板整體處于國(guó)際領(lǐng)先水平(部分牌號(hào)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平)，為眾多關(guān)鍵壓力容器的國(guó)產(chǎn)化和輕量化提供了重要保障。如合肥通用機(jī)械研究院聯(lián)合浙江大學(xué)、華東理工大學(xué)、中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)等單位，依托承擔(dān)的“863”重點(diǎn)項(xiàng)目(2009AA044800)成果，成功實(shí)現(xiàn)了(07MnNiMoDR制)大型低溫乙烯球罐、(06Ni9DR制)大型深冷LNG儲(chǔ)罐膠及(12MnNiVR制)超大容積原油儲(chǔ)罐等極端條件下重大承壓設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化和輕量化。此外，隨著行業(yè)不斷推廣應(yīng)用07MnMoVR、07MnNiVDR等低焊裂紋敏感性鋼和12Cr2MolVR、12Cr2MolV、12Cr3Mo1V等Cr-Mo鋼，我國(guó)也實(shí)現(xiàn)了大型低溫球罐、大型加氫反應(yīng)器等重要壓力容器的輕量化。

與之相應(yīng)，新版標(biāo)準(zhǔn)GB 150.2-2011緊密結(jié)合行業(yè)需求和工程實(shí)際，與時(shí)俱進(jìn)地吸納了我國(guó)壓力容器用鋼的技術(shù)進(jìn)展成果，所收錄碳素鋼和低合金鋼牌號(hào)層次分明、覆蓋全面，較好滿足了我國(guó)壓力容器用鋼需求，標(biāo)志著我國(guó)壓力容器用鋼標(biāo)準(zhǔn)化水平達(dá)到了一個(gè)全新的高度。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工藝技術(shù)進(jìn)步，全球石油、化工就及能源等行業(yè)過(guò)程裝置呈現(xiàn)出大型化/重型化、服役環(huán)境極端化以及服役長(zhǎng)周期化等趨勢(shì)，壓力容器產(chǎn)品的高參數(shù)化、綠色化/輕量化、信息化/智能化需求迫切。作為壓力容器用鋼的核心標(biāo)準(zhǔn)，GB 150.2一方面仍需積極關(guān)注(強(qiáng)度級(jí)別高、韌性和焊接性能優(yōu)良的)新牌號(hào)低合金鋼鋼板的研發(fā)和應(yīng)用成果，另一方面也需持續(xù)積累和更新相關(guān)牌號(hào)鋼板的力學(xué)(尤其是長(zhǎng)時(shí)高溫性能)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，跟蹤借鑒國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容，為規(guī)范我國(guó)壓力容器制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)步做出更大貢獻(xiàn)。

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