石油储罐工程用高强度钢研究和应用进展

张汉谦  江来珠

（宝山钢铁股份有限公司  研究院（技术中心），上海 201900）

摘要： 本文以我国大型石油储罐建设为背景，说明了我国石油储罐用大线能量焊接钢来源、种类和特点，分析了该钢合金设计与生产工艺配合的重要性，以及冶炼、轧制与热处理工艺对性能影响，指出了HAZ韧性劣化的原因和应采取的措施。建议我国在开发目前急需的610MPa大线能量焊接钢及其配套焊接材料的同时，开发20万m³或更大容积储罐所需的钢材和焊材，使我国石油储罐用钢研究、开发和应用水平有明显进步。

关键词：石油储罐  大线能量焊接用钢  焊接材料

0      前言

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。实现该目标的前提条件是建设用于储油的10～15万m³（或容积更大）的大型原油储罐。为了降低储罐用钢量，一般储罐下面几圈壁板均采用高强度钢板制造，底板、顶板、上部壁板可以用其他强度级别较低的钢材制造。其中壁板所用的高强度钢板我国仍不能大规模生产。在2004年之前我国石化企业所建造10万m³石油储罐，主要采用日本主要钢铁企业生产的屈服强度490MPa以上，抗拉强度大于610MPa的大线能量焊接调质高强度钢板，钢板厚度一般在12～40mm之间。在此后我国在大规模建造石油储罐期间，高强度钢板供货量、供货周期、价格等成为建造油罐必须关注的问题。为了解决目前石油储罐用高强度钢板供货地和渠道单一的状况，国家发改委要求国内有条件有实力的钢铁企业尽快开发适合于大型油罐工程建设用钢。为此，石化、冶金、科研院所多方联手，成立了石油储备基地建设用钢板领导组和配套焊接材料攻关联合工作组。

为了促进国内此类钢种的开发，本文对国内外石油储罐用钢的开发和应用进行了总结，以更好地借鉴国外经验，使国内新研发同类钢材企业少走弯路，并尽快达到国外同类产品的水平。

1     石油储罐用钢及其特点

石油储罐中的介质属于易燃危险品。因此，建造储罐所需钢材和焊材需经过国家指定的权威质检部门认证后，方可使用。目前，我国大规模建造的储罐容积10万m³，壁板主要采用610MPa的大线能量焊接高强度钢板。截止2004年6月，经合肥通用机械研究所试验，全国锅炉压力容器标准化技术委员会评审认证的可以用于我国石油储罐建设高强度钢种及生产单位见表 1 。从表 1 中可以看出，用于石油储罐建设的高强度钢种主要来自日本三家大型钢铁企业：JFE、新日铁和住友金属。目前，JFE和新日铁生产的大线能量焊接钢代表着世界领先水平。

我国已使用日本不同钢铁企业生产的610MPa高强度钢板建设了10 ~15万m³不同容积石油储罐，使得国内油罐设计和施工企业对应用日本钢种性能、加工、焊接等积累了较丰富的经验。国内武汉钢铁集团公司生产的WH610D2大线能量焊接高强度钢板，并进行了较深入的理论研究，仅在北京燕山石化建造了4台10万m³储罐，积累的设计、施工、应用经验还较少。舞阳钢铁公司虽生产了WY610D钢板，但无应用业绩。

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。610MPa级可以建造的储罐容积最大为17.5万m³。在不远的将来，我国将建造20或30万m³石油储罐，610MPa钢已不能满足要求，需要强度级别更高690MPa或780MPa的大线能量焊接高强度调质板。日本已经开发成功此类钢，并有应用实例，目前我国仍未开展此类钢种的开发，需及早开始研制。

为了降低材料成本，油罐用钢量主要采用高强度调质板。如用屈服强度490MPa的大线能量焊接钢替代屈服强度350MPa的16MnR制造储罐，壁厚可以减薄25%~30%。为了降低制造成本，主要通过提高焊接效率，如底板焊接时在焊缝中添加铁粉或碎焊丝，壁板施工中主要采用大线能量的气电立焊和埋弧焊横焊工艺。因此，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、高均匀性和稳定性等），一般采用调质钢。（2）必须适应大线能量焊接，采用 10kJ/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能量焊接钢。（3）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整体热处理（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。