能源用钢的最新研发动向

世界各国对能源的需求呈现出持续增长的趋势。目前油气田开发正在向深度达一万米的超深井油田，高温、高压、高酸性气体腐蚀环境油田、数千米深的深海油田等使用环境恶劣的方向发展。而且，为满足大输送量并降低输送成本，管线钢管向大口径、高强度化方向发展。为此，需要开发高强度、高抗压溃性、高耐蚀性等各种高性能油井管和管线管。为提高火力发电效率，推进发电锅炉蒸汽的高温高压化，世界各国正在大力开发高温强度优越的铁素体耐热钢。目前，越来越多的国家采用液化天然气（LNG）的方法运送天然气，这使得LNG储罐用钢的需求增加。下面对各种能源用钢的研发动向进行简要介绍。
　　石油、天然气用钢
　　为了保证深井、超深井油气田开采过程的安全性和可靠性，以及尽可能延长油气井的使用寿命，对油井管的性能提出了新的更高的要求。对于含CO2的油气井，开发出9Cr、13Cr马氏体不锈钢油井管；为适应在H2S、CO2共存的、强腐蚀环境中使用，开发出添加Ni、Mo的改良型13%Cr不锈钢油井管，改良型13%Cr不锈钢油井管的强度级别为95ksi、110ksi。而且，还开发出高等级的奥氏体和铁素体双相不锈钢，有22%Cr钢、25%Cr钢等，这些钢含有较多的Cr、Ni、Mo等钝化膜稳定性元素，钢的强度可达到110ksi级和125ksi级。最近开发出以马氏体为主相的15%Cr不锈钢油井管（125ksi级）和17%Cr不锈钢油井管（110ksi级、125ksi级），这些钢管可在比改良型13%Cr不锈钢油井管的使用环境更为恶劣的条件下使用。而对于高温高压油气井，同时含有较高H2S和CO分压、高Cl-、高有机硫等，此时传统的不锈钢已经难于满足正常的开采需求。为此，对铁镍基系列耐蚀油井管材料进行了研究和开发。
　　为实现大输送量并降低输送成本，陆地用管线钢管向大口径化和高强度化的发向发展。目前，各钢铁公司正积极开发X120管线钢管，并进行实际管线铺设实验。除了对强度的要求，还要求钢管具有良好的脆性断裂止裂性能、高夏比冲击功以及高均匀伸长率。通过改变加速冷却时的冷却速度，开发出提高均匀伸长率的X120管线钢管和铁素体－贝氏体两相组织的高均匀伸长率的X120管线钢管。
　　发电设备用钢
　　近年来，随着发电设备向大型化方向发展，对钢板提出了大厚度、大宽度和长尺化，即大单重钢板的要求，同时还要求钢板具有高强度、良好的韧性以及高的焊接效率。此外，特厚钢材焊接后要进行高温、长时间的焊后热处理（PWHT）。目前对焊后热处理特厚钢材的韧性要求越来越高。为满足这些要求，开发出各种1.25Cr-0.5Mo特厚钢材。这些钢在降低杂质含量的同时，添加了微合金元素，以对微观组织进行控制。而且，采用连铸－锻造－厚板轧制－热处理（Q－T）工艺开发出厚度为210mm的2.25Cr-1Mo-V特厚钢板。这种特厚钢板在长时间PWHT后仍具有很高的高温强度以及良好的低温韧性，并具有良好的抗回火脆化特性。
　　为提高火力发电效率，推进发电锅炉蒸汽的高温高压化，世界各国针对先进超超临界压力（A-USC）火力发电项目，正在开发一系列高强度铁素体系耐热钢。高强度铁素体系耐热钢（Gr.91、Gr.92、Gr.122）都是基于提高650℃长时间蠕变强度的合金设计而开发的，目标强度是650℃10万h蠕变断裂强度达80MPa以上，成为A-USC锅炉低温部位的候选材料。另外，开发出低C-9Cr钢、SAVE12AD、高B-9Cr钢三种铁素体耐热钢，这三种钢的共同特征是Cr含量9%，几乎不含Mo，W含量为2%-3%，为抑制δ铁素体的生成，还添加2%-3%Co。低C-9Cr钢（9Cr- 2.4W-1.8Co-VNb钢）将长时间蠕变强度劣化主要影响元素Al和Ni的含量分别降低到10ppm和100ppm的水平，并将C含量降低到传统钢的50%以下。SAVE12AD（9Cr-2.9W-Co- VNbTa-Nd-N钢）是进一步改良SAVE12而开发的Cr.122钢种。该钢种将Cr从12%降低到9%，实现了增B和降N。添加晶界净化元素Nd是该材料的特征。高B-9Cr钢（9Cr-2.8W-3Co-VNbBN钢）用高B和低N的配合，实现了提高母材的长时间蠕变强度和抑制焊接接头热影响区（HAZ）的强度劣化。
　　在核能用钢方面，对高速炉燃烧包覆管用钢进行研究开发。首先开发出铬含量在9-16%的氧化物弥散强化（ODS）合金钢及高纯度奥氏体系不锈钢。为使极难加工的ODS铁素体钢反复冷轧成为可能，开发出马氏体系9Cr-ODS钢。然而，新开发的在Na冷却系统中使用的9Cr-ODS钢，在铅铋（Pb-Bi）冷却系统、超临界压水（SCPW）冷却系统中存在耐蚀性问题。因此，作为高温强度及耐辐照性能优越、且在Pb-Bi、SCPW系统中耐蚀性能强的ODS钢，正在积极推进将钢中铬含量提高到15%-16%，并添加4%铝的（15-16）Cr-4Al-2W-0.2Ti-0.35Y2O3钢的开发。目前世界各国对核裂变炉包壳结构材料进行了研究开发，所开发的反应堆包壳结构材料有低活性铁素体钢（RAFS）、氧化物弥散强化钢（ODS）、碳化硅复合材料（SiC/SiC）、钒合金（V合金）。RAFS的研发已从对材料基本特性及辐照影响的研究转向了实用化技术的开发。ODS钢的组成成分几乎和RAFS相同，但其高温强度及耐辐照性能却远远超过RAFS。近年来，随着将其应用到核裂变反应堆及高速炉上的预期增强，各国均加快了这方面的研究开发。
　　海洋构筑物用钢
　　随着石油、天然气开采向深海域和冰海区域发展，对海洋构筑物用钢提出了低温安全性的要求。为应对这些要求，日本开发出最高屈服强度（YP）可达690MPa级的系列化高强度厚钢板，各钢板的C含量都降低到0.08%以下，Pcm都小于0.20%，因此都具有良好的焊接性。在炼钢工序，降低钢中的P、S、N，并且根据需要进行Ca-Ti处理或REM-Ti处理，用连铸方法将钢制成310mm或250mm厚的钢坯。在轧制工序，为压合铸坯的中心疏松并对钢的组织进行控制，进行大压下轧制，控制轧制后，利用Super-OLAC进行加速冷却。其中YP550MPa级以下的厚钢板可以采用TMCP工艺或DQ-T工艺（直接淬火-回火）生产。采用TMCP工艺或DQ-T工艺制造的钢板，综合利用了高级材质设计技术、高级钢技术和利用Super-OLAC加速冷却装置的最先进厚板制造技术，使钢板具有低Pcm成分、优良的母材性能、焊接接头韧性以及CTOD特性。YP690MPa级海洋工程用特厚钢板采用连铸―锻造―轧制工艺生产。该生产工艺通过成分的微合金化设计和锻造加工的组合改善了连铸坯中心部位的内在质量，并缩短了制造周期。该工艺是低压下比工艺，采用该工艺可以用厚度为310mm的连铸坯制造厚度为180mm的内在质量优良的特厚钢板，而且-40℃低温韧性良好。
LNG储罐用钢
　　由于LNG气化温度为-162℃，对其结构材料性能，尤其是低温性能要求极其苛刻。9%Ni钢因其具有高强度、良好的低温韧性、良好的可焊性和优异的抗温差变形能力等特点，被国际上普遍采用作为LNG储罐内胆结构材料。为降低对镍元素的需求量，对安全性与9%Ni钢板相同的新材料进行了开发。日本利用TMCP工艺开发出镍含量为6.0%-7.5%的低温压力容器用镍钢钢板。该开发钢的晶粒直径约为淬火回火的传统9%Ni钢晶粒直径的1/3，实现了微细化，并且对Si、Cr、Mo含量进行最佳化处理，使钢中的残余奥氏体量与9%Ni钢相同。而且，镍含量为6.0%-7.5%的新型低温压力容器用镍钢板焊趾的极限CTOD值与传统9%Ni钢相同，该部位是极易成为断裂源的部位。在新型低温压力容器用镍钢钢板实用化时，进行了-196℃大型断裂试验等多项试验，检验储罐的安全性。最终的评价结果是，新型低温压力容器用镍钢板具有与JIS G3127 9%Ni钢板相同的性能，新型钢板的最大厚度是47mm。ASME正在推进将该新型钢作为A841 Grade G钢纳入标准。今后该新型钢板将会在国内外不断扩大应用。