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综述-大型储油罐用钢研究现状

作者:沙龙sa36 发布于:2020-06-30 15:06 点击量:

  综述-大型储油罐用钢研究现状._幼儿读物_幼儿教育_教育专区。综述-大型储油罐用钢研究现状.

  大型储油罐用钢研究现状综述 摘要:随着科技的日益发展,对大型储油罐用钢的要求也越来越高,根据储油罐 的工作环境的不同,可选用的材料也有所不同,通过阅读文献整理资料,本文从 储油罐用钢的服役条件、钢种及性能、发展历史和最新研究进展等方面介绍了大 型储油罐用钢的使用及研究现状。 关键词:大型储油罐用钢 微合金化低碳高强度钢 高强度结构用调制钢 玻璃钢 1、大型储油罐用钢情况 我国建设大型储油罐始于 1985 年,由于国内首台 10 万立方米大型浮顶式油罐是 从日本引进的,设计规范依据日本 J1S B8501 标准,所用高强度钢板为日本 SPV50,后调整为 JIS G3115 标准,SPV490Q 热轧调质钢板。以后 20 年来我国陆续 建造的 80 多台 10 万立方米以上的大型储油罐绝大多数仍使用日本高强度钢板。 上世纪 90 年代中后期,大型浮顶油罐的设计开始部分采用美国 APl650 标准。 1 外浮顶式油罐结构及用钢组成 外浮顶式储油罐所用钢材分为底板、罐壁板、浮顶板三部分,其中,底板分 中幅板和边缘板;罐壁板从罐体底部至顶部分为 9 层,其中 8~9 层采用普通强度 压力容器钢板,1~7 层和底板中的边缘板采用高强度压力容器板;底板中幅板和 浮顶板采用一般强度容器板。目前我国建设的大型储油罐 1~7 层罐壁板和底板中 的边缘板几乎全部采用日本进口的高强度钢板(SPV490Q。 2 大型油罐用钢品种、规格及单罐用钢量 一台 10 万立方米储油罐用钢材总量为 1948.5 吨,其中高强度钢板 789.4 吨,普通强度钢板 1159.1 吨,高强度钢板占单罐用钢总量的 40.5%左右。 2.1 罐壁板 目前,大型储罐罐壁板普遍使用屈服强度级别较高的调质钢,如美国的 ASTM A537class2、日本的 SPV490Q 等。我国开发的储罐用高强度钢板 12mnNiVR 等新牌 号钢种也已纳入 GBl8189《压力容器用调质高强度钢板》国家标准。 大型储油罐罐壁板从底层至顶层(1~9 层钢板厚度依次递减。按照不同设计规 范,罐壁钢板规格一般为 12~ 34mm(厚×2450mm(宽×12500mm(长左右;罐底边缘 板厚度为 21mm。 2.2 底板、浮顶板 大型储油罐底板(中幅板和浮顶板采用一般强度级别钢板,目前全部可由国内提 供。中幅板所用钢板规格为:12mm(厚×2430mm(宽×12192mm(长,牌号为 SM400C、Q235B 等。浮顶板所用钢板规格为:4.5~6mm(厚×2430mm (宽 ×12192mm(长,牌号为 SS400B、Q235A 等。[1] 二、大型油罐的发展历史及面临的问题 近半个世纪以来,随着石油化工企业的生产规模不断扩大和石油战略储备的增 加,石油储备规模迅速发展。长期以来,各个国家都在大量建设大规模的储备油 库,把增加石油库存作为稳定生产和保证国家安全的重要措施。为了适应大量储 存的需要,采用大型油罐已成为必然的趋势。因为大容量油罐可以节省钢材、减 少占地面积、方便操作管理、减少油罐附件及管线长度,从而节省投资和操作费 用。早在 20 世纪 60 年代,在西欧、中东、日本等地普遍采用 10×104m3 的大型 浮顶油罐。到目前,国外单罐容量已经发展到 15×104m3 以上。 近 20 多年来,国内油罐的大型化发展迅速。1974 年,国内首台由中国石化北京设 计院设计的 5×104m3 浮顶油罐在上海石油化工总厂陈山原油站建成,此后,在许 多炼油厂、石化厂及油田相继建造了数十台 5×104m3 浮顶油罐。20 世纪 80 年代 中后期,国内先后在秦皇岛、大庆等地从日本引进了 4 座 10×104m3 浮顶油罐。 从这以后,国内的技术人员通过对引进技术的消化吸收,又在舟山、仪征、铁 岭、黄岛、大连、北京、上海、兰州等地区建造了数十台 10x 104m3 浮顶油罐。 上述 10×104m3 油罐是按日本标准或 APl650 规范进行设计的。迄今为止,国内建 造的最大容量的油罐仍为 10×104m3。参照国外的工程经验,其罐壁钢板采用抗拉 强度大于 610MPa、屈服强度大于 490MPa 的高强度材料。随着油罐的大型化,罐壁 所用的钢板越来越厚,而油罐罐壁钢板厚度的增加受到各方面的限制,钢板的厚 度成了油罐大型化发展的主要制约因素。这是因为,油罐是在露天条件下施工, 罐体结构庞大,无法进行焊后消除应力热处理。所以允许的钢板厚度有一定的限 制。美国石油学会油罐规范 APl650 中规定罐壁板的最大厚度为 45mm,并同时规 定,超过 40mm 的钢板必须采用正火钢板。[2]我国 SH3046—1992《石油化工立式 圆筒形钢制焊接储罐设计规范》中规定 16MnR 的最大允许厚度为 34mm。油罐罐壁 的厚度与罐壁所受液柱侧压力及油罐直径成正比,1 台 10×104m3 油罐,罐壁材料 如采用 16MnR(屈服强度 345MPa,其底圈罐壁厚度达 40mm,该厚度的 16MnR 钢板已 超过无须进行焊后热处理的厚度。也就是说,用 16MnR 钢板仅能建造 5×104m4 浮 顶油罐。所以建造 10×104m3 油罐必须采用强度更高且焊接性能良好的材料。 三、大型油储罐服役条件及对罐体材料的基本要求 随着储油罐向大型化的发展,它们的安全可靠性越来越引起人们的关注。我国现 行国家标准《汽车加油加气站设计与施工规范》规定,汽车加油站的汽油和柴油 储罐应采用卧式钢制油罐,并埋地设置[3]。对国外的调查发现,由于地下钢制储 罐腐蚀而引起的环境污染问题时有发生。钢制油罐发生腐蚀的原因有多种,如储 油罐埋设于电导率及含盐量高的土壤环境中,地下水位较高,土壤中的杂散电流 作用导致罐体外部腐蚀;储罐内冷凝水的存在也容易造成内部腐蚀。严重时导致 油料泄漏,从而造成土壤与地下水源的污染,甚至引起火灾爆炸、人身伤亡事 故。 很多研究显示钢制储油罐泄漏的最大原因仍是罐身腐蚀。目前虽有多种技术可以 减轻油罐腐蚀速度,如加双层壳、塑料板加衬等,但均不能完全做到使钢罐不腐 蚀,因此提高储罐本身的防腐性能才是最有效的措施。为提高储油罐的防腐性 能,工程界一直在努力寻找新材料以解决其腐蚀问题。 一台 10 万立方米储油罐的造价加上原油的价值高达数亿元,如果出现事故,经濟 损失和环境污染后果严重。因此,大型油罐对罐体材料提出了很高的综合性能要 求:高强度、高冲击力、低有害杂质硫和磷含量、良好的可焊性和低焊接裂纹敏 感性组成(Pcm。同时,为了保证现场施工的焊接效率,罐体材料在承受大线kJ/cm 的条件下,焊接热影响区晶粒不过分长大,施焊后仍保持良好的 强韧性。 同时,焊接工艺对材料的合金元素含量非常敏感,力学性能相同的钢板,由于微 量元素的不同,其焊接工艺会有很大差异。即便是不同厂家生产的同一牌号的钢 种,如:SPV490Q,由于在日本 JIS G3115 标准中并未明确规定合金元素的添加种 类和数量,因此,按照该标准生产的 SPV490Q 钢板其强化元素和强化机理有可能 各不相同,相应的轧后热处理工艺、焊接工艺也有所不同。因此,用户在订购罐 体材料时,希望生产厂家能够同时提供焊接材料和相应的焊接工艺。目前,日本 新日铁、NKK 等在提供储罐用钢板的同时,可以提供相应的焊材和焊接工艺参数。 石油储罐用高强度钢应满足: (1 满足力学性能指标要求(高屈服和抗拉强度、高韧性、高均匀性、平稳定性等, 一般采用调质钢。 (2 必须适应大线KJ/mm 的大线能量焊接后,其 HAZ 塑韧性不明 显降低,接头的力学性能达到与母材相同要求。因此,石油储罐用钢又称为大线 为了适合现场焊接,焊接前不需要预热,焊后不产生焊接冷裂纹。此类钢又称 为低裂纹敏感性系数钢。由此可知,石油储罐用钢主要特点就是在满足力学性能 要求前提下,具有适应大线能量焊接和低裂纹敏感的特性。石油储罐用钢不同于 制造球罐用 CF 钢。石油储罐用钢必须适应大线能量焊接要求,且储罐通常不需要 进行焊后接体热处理(有时仅进行局部焊后热处理;CF 钢虽然具有低裂纹敏感性, 但通常不能适合大线能量焊接。用于制造球罐时,需要满足焊后整体热处理的要 求,即无 SR 再热裂纹倾向。[4] 四、大型储油罐用钢钢种介绍 高强度钢板的化学成分(质量分数列于表 1,交货状态、力学性能和工艺性能 应满足 GB/19189-2003《1 压力容器用调质高强度钢板》要求(表 2。 夏比冲击功按 3 个试样的平均值计算,允许其中一个试样的冲击功比表 2 规 定值低,但不得低于规定值的 70%。 目前.我国大规模建造的 10~15 万 m3 的储罐,主要选用屈服强度 490MPa, 抗拉强度 610MPa 的大线能量焊接高强度调质板。 1.微合金化低碳高强度钢 随着化学石油工业的飞速发展,对压力容器用钢的需求量日益增加,对钢的性能 提出了更高更严的要求。某些压力容器用钢的化学成分列于下表。 我国的压力容器用钢一般选用 Mn-Mo-V 系微合金化低碳高强度钢,如 14MnMoV、 14MnMoVN、14MnMoVBRE、14CrMnMoVB 钢等。这些钢中都含有锰、钼、矾,有的还 加入微量硼或稀土元素,从而使钢在正火或热轧状态可以形成强度高、韧性好的 低碳贝氏体组织,因此他们属于低碳贝氏体类钢种。它们主要用于化工、石油工 业中的中温压力容器等,最高使用温度可达 500℃。低碳贝氏体钢应能在较长时间 内,在中温的水蒸气或其他气体中及较高压力的作用下,经受较大的应力而不发 生变形或断裂。[5] 2.高强度结构用调制钢 作为石油储备用的储罐,每台体积在 10 至 15 万立方米,需要钢材总量 2000~ 2800 吨,其中用于油罐底板及罐身下部六圈的钢材为 700~1300 吨,全部需要采 用高强度调质钢板制造。以下是对高强度结构用调制钢板的介绍。[6] 1、尺寸规格:本标准使用于厚度不大于 150mm,以调质(淬火加回火)状态交货 的高强度结构用钢板。其尺寸规格和允许偏差应符合 GB/T709 的规定。 2、牌号和化学成分 3、交货状态:钢板按调质(淬火加回火)状态交货 4、力学性能和工艺性能 注:①、夏比摆捶冲击功,按一组三个式样算术平均值计算,允许其中一个试样单 个值低于上表规定值,但不得低于规定值得 70%。[7] ②、当钢板厚度小于 12mm 钢板的夏比摆捶冲击试验应采用辅助试样。厚度 8mm12mm 钢板辅助试样尺寸为 10mm*7.5mm*55mm,其试验结果不小于规定值的 75%.厚 度 6mm-8mm 钢板辅助试样尺寸为 10mm*5mm*55mm,其试验结果不小于规定值的 50%. 厚度小于 6mm 的钢板不做冲击试验。[8] 5、牌号对照 3.玻璃钢储油罐 玻璃钢又称为玻璃纤维增强塑料,是一种复合材料。玻璃钢的发展最初源于国防工 业发展的需要,通过采用玻璃钢复合材料提高武器装备的性能,后来被逐步应用于 国民经济的各个领域。目前玻璃钢储油罐有逐步取代钢制储油罐的趋势,实践证明 玻璃钢储油罐在加油站具有广阔的应用前景。 玻璃钢储油罐是以热固性树脂为基体材料,玻璃纤维为增强材料复合而成的整体耐 腐蚀玻璃钢化工设备。玻璃钢储罐的复合结构通常由内表层(也称耐腐蚀层)、次 内层(也称中间耐腐蚀层)、结构层以及外表层组成。次内层除了作为耐腐蚀层 外,更重要的是它可以保护内表层;结构层的主要功能是承受荷载;外表层则可以 保护罐体不受外界机械损伤和防止老化,通常与结构层结合在一起。玻璃钢储罐与 钢制储罐相比具有寿命长、防腐蚀性能好、电绝缘性好、自重轻、易制作、易清 洗、免维护、抗震性能好等优点。[9] 五、国内外开发情况 1、国外开发情况 低合金高强度容器用钢板的研制和生产,日本处于世界领先水平。早在 20 世 纪 70 年代初,日本新日铁、Nm(等公司就成功地研制出 SPV490Q 等高强度压力容器 钢板,这些钢板具有较好的强度和韧性及屈强比,焊接时输入的焊接线 年代初,随着微合金元素对焊接性能影响的深入研究, 日本新日铁、JFE、住友等几家公司各自研制成功了大线能量焊接用压力容器钢, 并取得了广泛的工程应用。 随着微合金化技术和控制轧制等技术的发展,高强度大线能量焊接用钢板的生 产工艺已从最初传统的离线调质工艺(Q—T,逐步开发出直接淬火+回火(DO— T、 在线调质处理(DQ—HOP 和采用 TMCP 等先进工艺技术,使大型储油罐用高强度钢板 的生产效率得到了极大的提高。目前,日本新日铁采用的是 DQ—T 工艺、日本住友 和德国 Dellinger 采用 TMCP 工艺、JFE 采用 DQ-HOPT 艺,这些工艺均可生产抗张 强度 6lOmPa 级大型储油罐用高强度钢板。 2、国内开发情况 武钢是国内最早开发大型储油罐用钢强度钢板的企业,也是国内惟一具有工程 应用业绩的企业。20 世纪末,武钢联合合肥通用机械研究所等单位组建课题组, 进行了 10 万立方米原油储罐用抗拉强度 610MPa 级大线能量焊接用高强度钢开发研 制工作。通过实验室阶段化学成分设计、调质热处理工艺试验以及相应的大线能量 焊接评价试验等,确定了新钢种合理的工业性试制工艺路线,并随之进入工业性试 制和工程应用研究阶段。研制钢种的企业牌号命名为 WH610D2。该钢于 1998 年通 过原全国压力容器标准化技术委员会的技术评审,于 1999 年通过原国家冶金局主 持的技术鉴定,2003 年以钢号 12MnNiVR 纳入新制定的《压力容器用调质高强度钢 板》强制性国家标准 (GB 19189-2003,并于 2004 年 1 月 1 日起实施。[10] 12MnNiVR 钢板生产技术条件是在 GB19189 标准基础上,依据相关设计院对钢 板的设计要求而制定的,相对于日本标准 JIS G3115 标准中的 SPV490Q,技术要求 更为严格,表现在以下方面:钢板要求更低的 P、S 含量;焊接裂纹敏感系数 Pcm 有所降低,更有利于钢板焊接;冲击试验取样方向由纵向改为横向,冲击温度由- 10 度改为-15 度或更低,而且冲击功有所提高。 12MnNiVR 钢质量控制措施: (1)冶炼工艺特点:1、电弧炉+吹氧助熔初炼。2、LF 炉外精炼精确控制成分及 浇注温度。3、VD 线mm 轧机,轧制压力大,采用控制轧制。2、AGC 自动控制 系统,钢板同板差小。3、钢板喷丸处理,保证钢板良好的表面质量。 (3)调质工艺:引进新型德国 LOI 公司辊压式淬火机,配套辐射式加热炉系统, 降低钢板再加热表面氧化,辊压式淬火确保钢板平直度。合适的回火工艺保证不同 厚度的钢板具有良好的强韧性匹配。 钢板实物质量:20-50mm 强度 635-655MPa,-15 度冲击韧性 251-300J。 12MnNiVR 钢板经“试样热模拟试验”、“再热裂纹试验”、“焊接冷裂纹试 验”、“大线能量焊接试验”完全满足大型原油储罐对安全性和焊接性能的要求。 迄今,国产钢板各项实物性能除了满足大型油罐设计技术要求外,还满足了储 罐施工中所采用的气电立焊等大线能量焊接工艺条件要求,可替代日本进口的 SPV490Q 钢板,由此结束了我国建造 10 万立方米原油储罐用钢长期依赖进口的历 史局面。 近年来,某些公司也开展了大型原油储罐用高强度钢板的研究开发工作,成功 开发了高强度并满足大线 年通过 了全国压力容器标准化技术委员会的评审,2003 年取得了压力容器用钢生产许 可。 由于国内删氏合金高强度石油储罐用钢板的研究起步较晚,目前已开发出大型 原油储罐用钢的企业只有武钢和舞阳钢厂,鞍钢目前开发出焊接能量为 45KJ/cm 的高强度球罐用钢板,在此基础上将开发大型储油罐(大线、我国与国外在大型油罐用钢开发方面的对比分析 随着微合金化技术和控制轧制技术的发展,高强度低合金压力容器板的生产工艺已 从最初传统的调质处理工艺,发展到目前采用多种工艺进行生产。不同生产厂家开 发出各自不同的处理方法。如:日本 JFE 钢厂采用轧后快速冷却和高频加热装置实 现在线调质处理(DQ— HOP;新日铁钢厂采用在线直接淬火、离线加热回火的热处 理工艺(DQ—T;日本住友和德国 Dellinger 采用 TMCP 工艺。新的热处理工艺的采 用,在保证产品质量的前提下,大幅度提高了调质钢板的生产效率。 我国目前各企业开发的低合金高强度压力容器调质钢板均采用传统的离线热处理工 艺(Q-T,生产效率较低。[11] 六、压力容器用钢的新发展 近年来,压力容器用钢的发展与锅炉用钢不同,其主攻方向是提高钢的纯净 度,即采用各种先进的冶炼技术,最大限度地降低钢中的有害杂质元素,如硫、 磷、氧、氢和氮等的含量。这些冶金技术的革新,不仅明显地提高了钢的冲击韧 性,而且可大大改善其加工性能,包括焊接性和热加工性能。 高纯净化对深低温用 9%Ni 钢的极限工作温度(-196℃下的缺口冲击韧度也起到相 当良好的作用。按美国 ASTMA353 和 A553(9%Ni 钢标准,该钢种在-196℃冲击攻的 保证值为 27J,但按大型液化天然气(LNG 储罐的制造技术条件,9%Ni 钢壳体196℃的冲击功应 70J,相差 2.6 倍之多.这一问题也是通过 9%Ni 钢的纯净化处 理而得到完满的解决。同时还大大改善了 9%Ni 钢的焊接性。焊接不必预热,焊后 也无须热处理。对于厚度 30mm 以下的 9%Ni 钢,焊前不必预热,焊后无需热处 理。这对于大型(10 万 m3 以上 LNG 储罐的建造,具有十分重要的意义。 把 9%Ni 钢标准的化学成份和力学性能并与高纯度 9%Ni 钢相应的性能进行对比, 它们之间有明显差异。在高压加氢裂化反应容器中,由于工作温度高于 450℃,壳 体材料必须采用 2.25CrlMo 或 3CriMo 低合金抗氧铜。但这类钢在 450℃以上温度 下长期使用时,会产生回火脆性,使钢的韧性明显下降,给加氢反应的安全运行造 成隐患。 近期的大量研究证明,上列铬钼钢的回火脆性主要起因于钢中 P、Sn、Sb 和 As 等 微量杂质。合金元素 Si 和 Mn 也对钢的回火脆性起一定的促进作用。因此必须通过 冶金技术,把钢中的这些杂质降低到最低的水平。目前,许多国外钢厂已提出严格 控制钢中杂质含量的供货技术条件。现代炼钢技术能够达到了最低杂质含量的上 限。可大大降低 2.25CrlMo 和 3CrlMo 钢的回火脆性敏感性,其回火脆性指数 J 低 于 100。而普通的 2.25Cr-1Mo 钢的 J 指数高达 300。 由此可见,压力容器钢的纯净化是一种必然的发展趋势。为满足各种不同的运行条 件下的耐蚀性要求,并改善不同施工条件下的加工性能,近期开发了各种性能优异 的不锈钢,其中包括超级马氏体不锈钢、超级铁素体不锈钢、铁素体一奥氏体双相 不锈钢和超级铁素体一奥氏体不锈钢.这些新型不锈钢的共同特点是超低碳、而且 大大改善了焊接性和热加工性能。[12] 七、结语 大型储油罐在石油化工以及其他行业发挥着重要作用,而大型储油罐用钢作为 其重要的组成部分其地位不可忽视。在我国进行社会主义现代化建设的步伐中,石 油供应必须得到保障,这也就更加凸显了大型储油罐用钢的重要性。然而目前国内 各方面经验累积还不够丰富,特别是与日本、美国等发达国家无论是在技术还是在 研究方面还有很大的差距。储油罐材料的机械特性和高压、防腐性能将直接影响储 油罐的安全可靠性及今后使用的经济性。如果材料选择不当,将来可能造成降参数 运行,影响效益,严重者将会带来安全问题,导致更大的经济损失。因此,我们必 须深入开展储油罐用钢相关方面的研究,加大科研投入,保证国民经济良好有序的 运行。 参考文献 [1] GBl8189,压力容器用调质高强度钢板. 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