摘要： 本文以我國大型石油儲罐建設為背景，說明了我國石油儲罐用大線能量焊接鋼來源、種類和特點，分析了該鋼合金設計與生產工藝配合的重要性，以及冶煉、軋制與熱處理工藝對性能影響，指出了HAZ韌性劣化的原因和應采取的措施。建議我國在開發目前急需的610MPa大線能量焊接鋼及其配套焊接材料的同時，開發20萬m3或更大容積儲罐所需的鋼材和焊材，使我國石油儲罐用鋼研究、開發和應用水平有明顯進步。 

　　關鍵詞：石油儲罐  大線能量焊接用鋼  焊接材料 

  

　　前言 
　　為了保證我國能源安全，國家從2003年上半年開始建立國家石油戰略儲備，并計劃到2015年實現石油儲備90天的遠期目標。實現該目標的前提條件是建設用于儲油的10～15萬m3（或容積更大）的大型原油儲罐。為了降低儲罐用鋼量，一般儲罐下面幾圈壁板均采用高強度鋼板制造，底板、頂板、上部壁板可以用其他強度級別較低的鋼材制造。其中壁板所用的高強度鋼板我國仍不能大規模生產。在2004年之前我國石化企業所建造10萬m3石油儲罐，主要采用日本主要鋼鐵企業生產的屈服強度490MPa以上，抗拉強度大于610MPa的大線能量焊接調質高強度鋼板，鋼板厚度一般在12～40mm之間[[i]]。在此后我國在大規模建造石油儲罐期間，高強度鋼板供貨量、供貨周期、價格等成為建造油罐必須關注的問題。為了解決目前石油儲罐用高強度鋼板供貨地和渠道單一的狀況，國家發改委要求國內有條件有實力的鋼鐵企業盡快開發適合于大型油罐工程建設用鋼。為此，石化、冶金、科研院所多方聯手，成立了石油儲備基地建設用鋼板領導組和配套焊接材料攻關聯合工作組[[ii]]。 

　　為了促進國內此類鋼種的開發，本文對國內外石油儲罐用鋼的開發和應用進行了總結，以更好地借鑒國外經驗，使國內新研發同類鋼材企業少走彎路，并盡快達到國外同類產品的水平。 

  

1           石油儲罐用鋼及其特點 
　　石油儲罐中的介質屬于易燃危險品。因此，建造儲罐所需鋼材和焊材需經過國家指定的權威質檢部門認證后，方可使用。目前，我國大規模建造的儲罐容積10萬m3，壁板主要采用610MPa的大線能量焊接高強度鋼板。截止2004年6月，經合肥通用機械研究所試驗，全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會評審認證的可以用于我國石油儲罐建設高強度鋼種及生產單位見表 1 。從表 1 中可以看出，用于石油儲罐建設的高強度鋼種主要來自日本三家大型鋼鐵企業：JFE、新日鐵和住友金屬。目前，JFE和新日鐵生產的大線能量焊接鋼代表著世界領先水平。

　　我國已使用日本不同鋼鐵企業生產的610MPa高強度鋼板建設了10 ~15萬m3不同容積石油儲罐，使得國內油罐設計和施工企業對應用日本鋼種性能、加工、焊接等積累了較豐富的經驗。國內武漢鋼鐵集團公司生產的WH610D2大線能量焊接高強度鋼板，并進行了較深入的理論研究[[iii]]、[[iv]]，僅在北京燕山石化建造了4臺10萬m3儲罐，積累的設計、施工、應用經驗還較少。舞陽鋼鐵公司雖生產了WY610D鋼板，但無應用業績[[v]]。

　　目前，我國大規模建造的10~15萬m3的儲罐，主要選用屈服強度490MPa，抗拉強度610MPa的大線能量焊接高強度調質板。610MPa級可以建造的儲罐容積最大為17.5萬m3。在不遠的將來，我國將建造20或30萬m3石油儲罐，610MPa鋼已不能滿足要求，需要強度級別更高690MPa或780MPa的大線能量焊接高強度調質板。日本已經開發成功此類鋼，并有應用實例，目前我國仍未開展此類鋼種的開發，需及早開始研制。

　　為了降低材料成本，油罐用鋼量主要采用高強度調質板。如用屈服強度490MPa的大線能量焊接鋼替代屈服強度350MPa的16MnR制造儲罐，壁厚可以減薄25%~30%。為了降低制造成本，主要通過提高焊接效率，如底版焊接時在焊縫中添加鐵粉或碎焊絲，壁板施工中主要采用大線能量的氣電立焊和埋弧焊橫焊工藝。因此，石油儲罐用高強度鋼應滿足：（1）滿足力學性能指標要求（高屈服和抗拉強度、高韌性、高均勻性和穩定性等），一般采用調質鋼。（2）必須適應大線能量焊接，采用 



表 1 經國家權威部門認證可以用于石油儲罐建設的鋼種、生產企業及時間[[vi]]  

　　10KJ/mm的大線能量焊接后，其HAZ塑韌性不明顯降低，接頭的力學性能達到與母材相同要求。因此，石油儲罐用鋼又稱為大線能量焊接鋼。（3）為了適合現場焊接，焊接前不需要預熱，焊后不產生焊接冷裂紋。此類鋼又稱為低裂紋敏感性系數鋼。由此可知，石油儲罐用鋼主要特點就是在滿足力學性能要求前提下，具有適應大線能量焊接和低裂紋敏感的特性。石油儲罐用鋼不同于制造球罐用CF鋼。石油儲罐用鋼必須適應大線能量焊接要求，且儲罐通常不需要進行焊后整體熱處理（有時僅進行局部焊后熱處理）；CF鋼雖然具有低裂紋敏感性，但通常不能適合大線能量焊接。用于制造球罐時，需要滿足焊后整體熱處理的要求，即無SR再熱裂紋傾向。

2           石油儲罐用鋼的成分設計和生產工藝特點 
2.1         合金成分設計特點 
　　為了滿足力學性能要求，并保證組織、性能的均勻性和穩定性，通常石油儲罐用高強度鋼為調質狀態交貨。一般采用不同的合金元素，利用固溶、相變和少量析出相等不同強化機制滿足高強度要求。主要采用合理的成分設計、組織細化技術、強韌匹配等滿足高韌性要求。利用調質熱處理達到組織和性能的均勻化。主要是通過合理的成分設計，尤其是碳當量控制、微量元素添加、冶煉成分控制和組織控制達到焊接性要求，實現大線能量焊接和低焊接裂紋敏感性。滿足大線能量焊接主要采用冶煉和高溫形成的鋁、鈦、釩、鈮氮化物相，阻止焊接熱影響區的晶粒長大和防止M-A組元的形成。低裂紋敏感性主要采用控制碳當量和降低裂紋敏感系數。

　　綜上，石油儲罐合金系統的設計需要考慮的因素有：降低成本、滿足力學性能要求、適應冶煉、軋制和熱處理工藝、焊接性等。表 2 為日本JFE生產的610MPa強度級別的調質板的化學成分。適合建造石油儲罐的鋼是JFE-HITEN610E大線能量焊接鋼。其不同于普通JFE-HITEN610高強度調質鋼之處，在于明顯降低了碳含量（由0.16%降低到0.009%）和裂紋敏感系數(由0.26降到0.20以下)；與焊接性好可低溫使用高強度鋼JFE-HITEN610U1、U2、U2L相比，主合金元素無明顯差異，但實物中的微量元素有差異，在產品標準中體現通常不出，屬于企業的技術秘密。

2.2         大線能量焊接鋼的生產工藝 
　　潔凈鋼生產技術、TMCP工藝已經在大型鋼鐵企業普遍應用，許多企業裝備了板坯連鑄、寬幅大噸位厚板軋機、離線和在線熱處理裝備等，可以利用不同冶煉工藝、軋制和熱處理工藝



表 2  日本JFE610MPa調質高強度板的化學成分[[vii]]  

 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 

　　* JFE-HITEN610E為大線能量焊接高強度調質鋼；**JFE-HITEN610為高強度調質鋼；***JFE-HITEN610L為低溫用高強度調質鋼；****JFE-HITEN610U1為焊接性良好的高強度調質鋼； 

　　組合實現大線能量鋼所要求的綜合力學性能。不同的冶煉、鑄造、軋制、熱處理方式的差異，構成了不同企業生產610MPa鋼各自的生產工藝。冶煉主要有轉爐、電爐兩種，但二次精練因企業生產條件配置差異明顯。鋼坯生產的方式主要有模鑄和連鑄。軋制方式有：傳統軋制，TMCP工藝。淬火方式有：在線淬火、離線淬火；回火方式有：在線回火和離線回火。冶煉、精練、軋制、熱處理工藝的不同組合，構成不同企業特有的生產過程。因此，即使同成分的鋼，按不同工藝生產出的產品性能也存在顯著差異。TMCP軋制特定的細化組織是強韌化匹配的基礎。早期，610MPa高強度級別，因此，開發610MPa大線能量鋼的關鍵，除了成分設計外，冶煉、精練、軋制、熱處理組合更最終決定著鋼綜合性能。因此，此鋼種的成分設計必須適合企業的自身的冶煉和軋制等工藝條件。

　　潔凈化是實現610MPa級大線能量鋼高韌性的前提和保證。潔凈鋼生產技術主要是通過鐵水冶煉和二次爐外精練，降低鋼中的硫、磷、氮、氧、氫含量。目前，日本JFE生產的大線能量焊接610MPa級高強度鋼企業標準要求S、P含量為S≤0.010%， P≤0.020%，但其實物中S、P含量遠低于該標準要求，較低的硫磷含量也是減少鋼中的夾渣物數量提供前提。從文獻[1]所檢測的石油儲罐用鋼成分，硫磷含量均很低。因此，能否生產大線能量焊接鋼，企業的冶煉水平是關鍵制約因素之一。我國GB19189-2003《壓力容器用調質高強度鋼板》中，將12MnNiVR中的硫磷含量要求為：S≤0.010%， P≤0.025%，其中磷含量要求寬于日本JFE企業標準。GB19189標準在我國的實施，可以通過國家標準設立的技術壁壘，防止此類鋼在不具備冶煉條件的企業中生產。冶煉企業生產的實物只有達到比國標更低硫、磷含量，才有可能實現要求性能目標。

　　大線能量焊接鋼的生產工藝，決定著其成分設計、性能穩定性、生產批量、成品合格率等。目前，我國鋼鐵企業與日本鋼鐵企業生產大線能量焊接鋼主要差距在于，鐵水的潔凈度、熱處理方式和參數精度控制、鋼成分設計和生產條件最佳配合，生產批量及性能穩定性等。日本JFE根據其軋鋼和熱處理生產線的技術進步，及時調整該鋼的成分（如降低碳含量和合金元素用量），用先進TMCP或DQT技術（如使用SUPER-OLAC——Online Accelerated Cooling，在線淬火和回火等）彌補合金元素下降的影響，大批量生產出性能相同、成本更低的產品，使其產品更具有競爭力[[viii]]。

3           大線能量焊接鋼HAZ性能 
　　國內外對大線能量鋼HAZ韌性劣化的主要原因已進行了大量研究和總結[[ix]]、[[x]]。主要原因有：晶粒粗化、形成低韌性的晶界鐵素體、上貝氏體組織；在多層多道焊接HAZ中局部形成M-A組元等。因此，在鋼潔凈的前提下，防止HAZ晶粒長大和低韌性的M-A組元出現是實現大線能量焊接的關鍵。目前，大線能量焊接鋼主要采用微合金化設計原理，加入鈦、釩、鈮、硼等合金或氧化物、氮化物等，在組織中形成限制HAZ晶粒長大的TiN、NbN、Ti2O3、BN、AlN等單個或復合粒子，限制HAZ晶粒的長大。大線能量焊接時，含Nb、V 微合金鋼的HAZ韌性下降明顯。目前主要采用控制Ti、Al的氮或氧化物數量來實現。

　　晶粒長大速度和母材原始組織晶粒度和種類有一定關系。開展母材組織種類、晶粒度與HAZ晶粒長大規律研究，也有助于大線能量焊接鋼開發。

4           結  論 
（1）目前，我國石油儲罐建設大量使用的610MPa級大線能量焊接調質高強度鋼主要依賴國外進口，我國應大力開展此鋼的國產化研究，促進低成本快速實現我國能源儲備戰略目標。為了滿足我國不久將來建設容積更大石油儲罐的需求，應盡早開發更高強度級別的大線能量焊接高強度調質鋼。

（2）610MPa大線能量焊接高強度調質板的綜合性能與成分和生產工藝密切相關。開發此類鋼時，成分設計應結合企業的自身軋制、冷卻、熱處理等生產條件綜合考慮，不能盲目仿制國外同類鋼的成分。

（3）防止大線能量焊接鋼HAZ韌性劣化的理論依據仍是鋼中存在限制晶粒長大的內生或外來粒子，以及通過合理軋制、熱處理工藝得到的細化而不易長大基體組織。