江慧豐

(合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心)

近年來，隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展和技術不斷進步，壓力容器設計制造在數(shù)量和質(zhì)量上均取得了巨大提升。與之對應，我國也建立了較為全面的規(guī)范和標準體系，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》系列標準(包含4個部分)于2011年11月21日發(fā)布，2012年3月1日實施[1]，規(guī)定了壓力容器建造的基本要求、對壓力容器用鋼材的要求、典型受壓元件的設計計算方法和制造、檢驗與驗收的要求，是我國壓力容器標準體系中最為核心的基礎標準，在行業(yè)領域內(nèi)影響巨大[2]。

GB 150.2-2011《壓力容器 第2部分：材料》作為獨立的材料部分標準，規(guī)定了壓力容器受壓元件允許使用的鋼材牌號及其產(chǎn)品標準，鋼材的附加技術要求，鋼材的使用范圍(溫度和壓力)以及許用應力等內(nèi)容。根據(jù)鋼材化學成分和所含合金元素的不同，該標準分別從碳素鋼和低合金鋼、高合金鋼這個兩個方面對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)進行了說明。筆者主要針對GB 150.2-2011中碳素鋼和低合金鋼鋼板部分進行總結(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20個，包括[3]：

a． GB 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》[4]中的9個牌號(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個牌號(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)高強度鋼板》[6]中的4個牌號(07MnMoVR、07MnNiVDR、07MnNiMoDR、12MnNiVR)，鋼由氧氣轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，并應經(jīng)過真空處理；

d． GB 150.2-2011附錄A中的尚未列入材料標準(國家標準或行業(yè)標準)的4個牌號(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(相應受壓元件的最高設計溫度)可由各牌號鋼板許用應力(GB150.2-2011表2)所對應的最高溫度確定，使用溫度下限則直接在標準(GB150.2-2011表4)中給出。因此，可確定出這20個碳素鋼和低合金鋼牌號鋼板所覆蓋的設計溫度范圍為-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個牌號碳素鋼和低合金鋼鋼板的使用溫度下限，并未給出另外5個牌號的Cr-Mo鋼(15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R、12Cr1MoVR和12Cr2Mo1VR)鋼板的使用溫度下限。這主要是因為Cr-Mo鋼一般用于中高溫臨氫環(huán)境，不會用于低溫條件，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個低合金鋼鋼板牌號(12Cr1MoVR、12Cr2Mo1VR、12MnNiVR、15MnNiNbDR、07MnNiMoDR、08Ni3DR和06Ni9DR)，擴大了標準規(guī)定的材料選擇范圍，設計溫度覆蓋范圍更廣，較好地適應了我國壓力容器設計邊界拓展和服役環(huán)境苛刻化的趨勢[7]。

2 標準新進展

2011年9月28日，國家標準化管理委員會下達了2011年第一批國家標準制修訂計劃(國標委綜合[2011]57號文)，其中要求對GB 713-2008和GB 3531-2008進行修訂[8]。歷時兩年多，上述兩個標準已完成修訂，正處于報批公示階段。

2.1 GB 713-2008的修訂

GB 713-2008的修訂主要是因為歐洲標準EN 10028-2009提高了鍋爐及壓力容器用鋼的技術要求，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；在國內(nèi)，鍋爐容器行業(yè)的設計院、制造和使用單位對鋼板的成分控制和性能水平要求越來越高。隨著國內(nèi)鋼廠冶金裝備水平和產(chǎn)品開發(fā)實力的不斷提高，新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，在不同領域、關鍵設備等實現(xiàn)了應用，并取得了良好的效果，實現(xiàn)了以產(chǎn)頂進，有的達到了國際先進水平。同時降低鋼中雜質(zhì)元素含量，提高鋼板性能要求，可進一步提高承壓設備的安全可靠性。因此，對GB 713-2008進行修改勢在必行。在該標準的修訂稿中，將增加Q420R、12Cr2Mo1VR和07Cr2AlMoR 3個新牌號，所收錄牌號鋼板將由9個增加至12個；降低了標準收錄鋼板中S、P元素的含量，提高了各鋼種的沖擊功指標，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，同時參照了國際標準ISO 9328和國外先進標準EN 10028。

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

3 各牌號鋼板簡介

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個牌號)、低溫用鋼板(8個牌號)、中高溫用鋼板(5個牌號)，下面對各類鋼板用途進行簡介。

3.1 中常溫用鋼板

3.1.1Q245R

Q245R即為原來的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即為原來的16Mng(GB 713-1997)、19Mng(GB 713-1997)、16MnR(GB 6654-1996)，新標準中厚度范圍由6～150mm擴大至3～200mm，熱軋、控軋、正火態(tài)使用，是壓力容器中應用范圍最廣且使用量最大的一個鋼號，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即為原來的15MnNbR(GB 6654-1996第1號修改單)，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即為原來的13MnNiCrMoNbg(GB 713-1997)、13MnNiMoNbR(GB 6654-1996)，新標準中厚度范圍由不大于120mm擴大至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即為原來的07MnCrMoVR(GB 19189-2003[11])，新標準中厚度范圍由12～60mm擴大至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，新標準中厚度范圍由12～60mm擴大至10～60mm，調(diào)質(zhì)態(tài)使用，主要用于制造大型原油儲罐等壓力容器。

3.2 低溫用鋼板

3.2.1 16MnDR

16MnDR，-40℃級鋼板，新標準中厚度范圍由6～100mm(GB 3531-1996[12,13])擴大至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鋼號，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℃級鋼板，新增牌號，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)球形儲罐和單層卷焊容器。

3.2.4 09MnNiDR

09MnNiDR，-70℃級鋼板[14]，新標準中厚度范圍由6～60mm擴大至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℃級鋼板，新增牌號，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℃級低溫容器。

3.2.6 06Ni9DR

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

3.2.7 07MnNiVDR

07MnNiVDR即為原來的07MnNiMoVDR(GB 19189-2003)，-40℃級鋼板，新標準中厚度范圍由12～60mm擴大至10～60mm，調(diào)質(zhì)態(tài)使用，主要用于制造球形儲罐等壓力容器。

3.2.8 07MnNiMoDR

07MnNiMoDR，-50℃級鋼板，在原來的07MnNiMoVDR鋼板基礎上進行成分設計而得，厚度范圍10～50mm，調(diào)質(zhì)態(tài)使用，主要用于制造高參數(shù)球形儲罐等壓力容器。

3.3 中高溫用鋼板

GB 150.2-2011中收錄了5個牌號的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、重整等反應器和換熱器設備。隨著鋼中Cr、Mo元素合金含量的增加或V元素的添加，鋼板所對應設備的設計參數(shù)(溫度、壓力)將逐步提高。

3.3.115CrMoR

15CrMoR即為原來的15CrMog(GB 713-1997)、15CrMoR (GB 6654-1996)，又稱1Cr-0.5Mo鋼，新標準中厚度范圍由6～100mm擴大至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])擴大至6～150mm(GB 150.2-2011)，正火加回火態(tài)使用，較15CrMoR強度級別有所提高，是煉油和化肥裝置中使用量較大的一個中高溫抗氫用鋼。

3.3.3 12Cr2Mo1R

12Cr2Mo1R，又稱2.25Cr-1Mo鋼，新標準中厚度范圍由6～120mm擴大至6～150mm，正火加回火態(tài)使用，較14Cr1MoR的設計溫度有所提高，是用于高設計參數(shù)(溫度、壓力)的中高溫抗氫鋼。

3.3.4 12Cr1MoVR

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

3.3.5 12Cr2Mo1VR

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

4 結(jié)論和展望

經(jīng)過數(shù)十年的科技攻關和研發(fā)投入，我國壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鋼板技術水平不斷進步、性能持續(xù)提高，具體表現(xiàn)為：擴大了鋼板厚度、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型沖擊功指標等，鋼板整體處于國際領先水平(部分牌號已經(jīng)達到國際先進水平)，為眾多關鍵壓力容器的國產(chǎn)化和輕量化提供了重要保障。如合肥通用機械研究院聯(lián)合浙江大學、華東理工大學、中國第一重型機械集團等單位，依托承擔的“863”重點項目(2009AA044800)成果，成功實現(xiàn)了(07MnNiMoDR制)大型低溫乙烯球罐、(06Ni9DR制)大型深冷LNG儲罐膠及(12MnNiVR制)超大容積原油儲罐等極端條件下重大承壓設備的國產(chǎn)化和輕量化。此外，隨著行業(yè)不斷推廣應用07MnMoVR、07MnNiVDR等低焊裂紋敏感性鋼和12Cr2MolVR、12Cr2MolV、12Cr3Mo1V等Cr-Mo鋼，我國也實現(xiàn)了大型低溫球罐、大型加氫反應器等重要壓力容器的輕量化。

與之相應，新版標準GB 150.2-2011緊密結(jié)合行業(yè)需求和工程實際，與時俱進地吸納了我國壓力容器用鋼的技術進展成果，所收錄碳素鋼和低合金鋼牌號層次分明、覆蓋全面，較好滿足了我國壓力容器用鋼需求，標志著我國壓力容器用鋼標準化水平達到了一個全新的高度。

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和工藝技術進步，全球石油、化工就及能源等行業(yè)過程裝置呈現(xiàn)出大型化/重型化、服役環(huán)境極端化以及服役長周期化等趨勢，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準，GB 150.2一方面仍需積極關注(強度級別高、韌性和焊接性能優(yōu)良的)新牌號低合金鋼鋼板的研發(fā)和應用成果，另一方面也需持續(xù)積累和更新相關牌號鋼板的力學(尤其是長時高溫性能)試驗數(shù)據(jù)，跟蹤借鑒國際先進標準技術內(nèi)容，為規(guī)范我國壓力容器制造業(yè)的發(fā)展進步做出更大貢獻。

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