石油储罐钢回火工艺研究范文

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《材料导报杂志》2015年第S1期

我国是石油生产和消费大国，原油产量居世界前列，但人均石油占有量仅为世界人均水平的1／6，建立我国战略石油储备以保障我国能源安全已势在必行。为了保证我国能源安全，国家从2003年上半年开始建立国家石油战略储备，并计划到2015年实现石油储备90天的远期目标。而实现该目标的前提条件是建设用于储油的10万～15万m3（或容积更大）的大型原油储罐。但是，随着储罐的大型化，工程结构对储罐用钢也提出了更高的要求。为了避免底层罐壁过厚带来的整体热处理问题和焊接问题，要求大型原油储罐用钢不仅要有高强度，还须具有良好的韧性和成型性、低的焊接裂纹敏感性和抗大线能量焊接以及优越的抗腐蚀性等。由于大型石油储罐用钢技术要求高，生产难度大，国内至今仅有10家钢厂具有610MPa级大型原油储罐用钢供货资格，通过选择最佳组合的合金元素，充分发挥直接淬火＋回火（DQT）工艺的潜力，可以获得理想的钢板综合力学性能。基于此本实验对大线能量焊接石油储罐用钢进行回火工艺研究，为实现我国建造20万m3或30万m3的超大型石油储罐所需钢板的国产化打下了基础。

1实验

实验材料610MPa压力容器用钢。其化学成分如表1所示，将4块轧态淬火钢板放在箱式电阻炉加热进行回火热处理，水淬温度为930℃，淬火时间为50min，回火温度分别为605℃、615℃、625℃、635℃，保温时间均为60min；之后进行拉伸、冲击试验，金相观察。

2实验结果

2．1回火温度对硬度的影响采用HD9－45光学表面洛氏维氏硬度计测量了不同回火温度下试验钢的硬度值。图1为不同回火温度条件下的硬度曲线。从图1可以看出，在605℃回火时，随温度的升高，硬度呈现线性递增的趋势。当温度为625℃时，具有最大值，为300HV。之后，随温度升高，出现软化行为。当温度为635℃时，硬度值为265HV。

2．2不同回火温度抗拉强度拉伸试件按照有关标准进行加工，见图2（单位：mm），相应的拉伸试验结果如图3所示。图3为不同回火温度的强度变化及延伸率随回火温度变化。由图3（a）可以看到，拉伸强度指标均先随回火温度升高而增加，625℃时达到最大值；之后随着回火温度升高，强度下降。与此相反，延伸率随回火温度升高先降低后增大，在625℃时出现最低值，如图3（b）所示。

2．3不同回火温度后的冲击功冲击韧度是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形和断裂功的能力，本实验仪器为JB－30型摆锤式冲击实验机，冲击试样为夏比V型缺口，为标准样，对不同回火温度试验钢板在不同温度进行冲击试验。图4为不同回火温度的钢板在不同温度下的冲击性能。由图4可以看出，随着回火温度的升高，冲击韧性在20℃、－20℃、－60℃、－80℃均表现一致的变化趋势，先降低后增大。

2．4回火温度对显微组织的影响针对不同回火温度后的试样取样抛光，用4％的硝酸酒精侵蚀后，采用OLYMPUSBH－2金相显微镜对回火后的组织进行了观察。图5为不同回火温度后钢板金相显微组织照片。从图5中可以看出，原轧态淬火钢经过回火后的显微组织由板条贝氏体＋马氏体组织逐渐转变为粒状贝氏体、板条贝氏体及回火马氏体混合组织，板条边界依然清晰可见，说明回火过程只发生回复并没有再结晶。在605～635℃回火温度后的金相组织并没有本质上的差异，只是605℃回火后的粒状贝氏体组织较大，因而出现力学性能上硬度和强度值偏高，塑性和韧性相对较低。

3分析与讨论

在605～635℃回火后的石油储罐钢板力学性能变化其硬度和强度随着回火温度升高呈现先升高后降低现象，而韧性和塑性随着回火温度升高呈现先降低后升高。在605～635℃窄区间回火温度对金相组织演变的影响较小，没有出现本质上的不同。回火过程因温度的差异，一般表现不同的物理现象［9，10］。究其本质而言，可以简单归类为两个方面：在成分的分配上，包含因热激活引起的原子长程扩散和局部浓度梯度引起的迁移（即短程扩散）以及因溶解度的差异表现出的在过饱和固溶体中第二相粒子的析出行为；在晶体空间点阵的重新构建上，表现为较大弹性畸变能的释放，伴随的现象为回复和再结晶。对于低碳微合金610MPa级石油储罐用钢而言，在605～635℃温度回火，因温度变化较小，碳化物通过热激活表现出的扩散差异相对较小，基本可以忽略。另外，随回火温度的升高，伴随的回复现象越剧烈，板条贝氏体及位错缺陷消失得越明显，对强度和硬度的软化现象应该越显著。但是，因微合金元素过多，从而对溶解度的耦合效应加强，表现出一定量第二相粒子即碳氮化物的析出有所不同。碳氮化物在板条边界和位错上的析出有效地钉扎了组织演变，因而在宏观力学性能上表现出明显的硬化现象，强度和硬度增加。回火过程的回复和析出对力学性能的贡献既是矛盾的又是同时伴随的，两者同时作用，导致了宏观力学性能变化趋势的非单调性，硬度和强度先升高后降低，韧性和塑性先降低后升高。

4结论

（1）对试验钢在605℃、615℃、625℃、635℃进行60min回火实验，力学性能变化趋势并非单调性，硬度和强度先升高后降低，韧性和塑性先降低后升高。（2）在605～635℃窄区间回火温度对金相组织演变的差异较小，没有出现本质上的不同。原轧态淬火钢经回火后的显微组织由板条贝氏体＋马氏体组织逐渐转变为粒状贝氏体、板条贝氏体及回火马氏体混合组织，板条边界依然清晰可见，说明回火过程只发生回复并没有再结晶。（3）试验钢在605～635℃区间回火伴随回复和碳氮化物析出过程，二者对力学性能的贡献既是矛盾又是同时发生的，两者同时作用，导致了宏观力学性能变化趋势的非单调性，硬度和强度先升高后降低，韧性和塑性先降低后升高。

作者：梁国俐 单位：唐山学院机电工程系