国产780级钢冷卷后的低温韧性

刘启明，杜天棕，赵志文

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省台州市 317300）

国产780级钢冷卷后的低温韧性

刘启明，杜天棕，赵志文

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省台州市 317300）

本文介绍水电站压力钢管780级钢板进行模拟卷板后低温冲击韧性下降的程度，卷板后和卷板时效处理后韧性对比，卷板焊接后母材韧性变化，以及应变时效敏感性试验情况等，并进行论证和评价。

低温韧性；冷卷试验；780级钢板；应变时效

0 引言

某抽水蓄能电站引水系统工程压力钢管780级钢板由首钢秦皇岛金属材料有限公司负责研发生产，牌号为SG780CFE，因其是首次用于国内大型水电工程，钢板母材的可卷性和焊接性能成为该电站钢管工程质量的关键。下面就对国产780级钢板的低温韧性性能做简单的探讨。

随着钢材质量的不断提高，780级钢材韧性指标已提高到-40℃、≥47J。而实际产品韧性裕度则更大。该电站压力钢管用钢SG780CFE、板厚52mm的实际冲击吸收能量均值可达164.67J。

水电站压力钢管需要冷卷成形。为了解SG780CFE钢对卷板工艺的适应性，该电站对厚度为52mm的SG780CFE钢板进行了模拟卷板试验。通过试验意外发现，卷板后的韧性往往达不到-40℃、≥47J。

勿论，承受冷加工后缺口韧性恶化是必然的，经受3%的加工应变会使脆性转变温度上升20℃[1]。可是本次卷板试验无规范支持，所得冲击吸收能量值无量化验收标准。同时，其他以往工程卷板试验亦未进行低温冲击试验，故无从比较。这样，面临的问题是如何评价试验结果，其次还涉及卷板时效后、卷板焊接后钢材韧性又将发生怎样的变化。现就针对上述问题作浅显探讨。

1 钢板冷卷后的低温韧性

该电站对SG780CFE、厚度52mm钢板进行了4个曲率半径的冷卷试验，应变量分别为1%、2%、3%和5%。表1、表2仅列出其中等同于本电站压力钢管工程的2个曲率半径，即应变量分别为3%和5%的低温冲击试验结果。

表1 卷板后-20℃冲击韧性

表2 卷板后-40℃冲击韧性

从表1、表2中可以看出，卷板后低温韧性急剧下降。按表1、表2统计，-20℃冲击有8/24（即1/3）的试样未达到母材规定值的下限47J；-40℃冲击有19/24（近80%）的试样未达到母材规定值的下限47J。在-40℃冲击试样中，冲击吸收能量均值最低的一组，只有该钢材卷板前实际均值164.6J的1/10。

2 钢板冷卷后经时效处理的韧性

钢板冷卷后和冷卷后进行250℃×1h时效处理的冲击吸收能量（每3个试样1组的均值），以及8组总计的均值见表3、表4。

表3 卷板后时效前、后-20℃低温韧性均值

半径（mm）位置轧制方向温度（℃）时效前冲击吸收能量（J）时效后冲击吸收能量（J）1300外弧纵向-20 217.7 229.3 1300内弧纵向-20 87.3 30.0平均值-20 79.3 146

表4 卷板后时效前、后-40℃低温韧性均值

由表3、表4得知，卷板后时效前与时效后的-40℃冲击韧性，并未显示明显区别；时效后-20℃冲击韧性反倒比时效前显著上升。

分析其原因，氮是引起钢产生时效硬化、影响钢材塑性和韧性的主要元素，说明该钢种对含氮量控制得好（50ppm以下）。同时，因钢中添加了多种固氮元素，如Ti、Nb、V等，从而减少了游离氮的危害作用。另一方面，经历人工时效250℃×1h的加热，其温度恰处在“低温回复”温度0.1Tm～0.3Tm的范围内，故对冲击韧性能略起回复作用。

3 卷板焊接后的低温韧性

为了了解卷板—焊接后和卷板—焊接—时效后两种情况下对焊接接头性能的影响，对应变量2%和3%的瓦片分别制成内外弧不对称X坡口进行埋弧焊。预热温度为100℃，最高道间温度为150℃，热输入为17.1 ～30.5kJ/cm。时效处理为250℃×1h。其熔合区与热影响区的低温韧性（每3个试样1组的均值）见表5、表6。

表5 卷板焊接后在时效前后的-20℃低温韧性

表6 卷板焊接后在时效前后的-40℃低温韧性

从表5、表6中看出，无论卷板—焊接后或卷板—焊接—时效后，其熔合区和热影响区的-20℃和-40℃冲击吸收能量，全部达到了钢板供货指标≥47J。这可推断为焊接热对冷作的回复作用。此外，亦可看出，时效后比时效前的韧性有所提高，其原因见上文“3”，在此不再赘述。

4 应变时效敏感性试验

前已述及，卷板试验为非标准性的，对试验结果亦无合格验收标准可依。为评价钢板的应变时效敏感性，则参照GB/T 4160—2004《钢的应变时效敏感性试验方法》，进行了变形量分别为1%、2%、3%和5%的20～-40℃时效前后冲击性能试验。表7列出了每3个冲击试样1组的平均值。

表7 钢板应变后时效前后的冲击吸收能量J

从表7可归纳为以下几点：

（1）即使经受5%的变形量，时效前后-20℃和-40℃冲击韧性亦远大于钢板供货标准的下限47J。可以认为是卷板试验条件比GB/T 4160的均匀拉伸变形之试验条件苛刻所致。

（2）随着温度的降低，冲击吸收能量递减。

（3）应变时效后，冲击吸收能量均值点有11/16（近69%）下降，但下降幅度小。

（4）随着变形量增大，无论时效前或是时效后，其韧性均略呈下降趋势。

根据应变时效敏感性公式计算，SG780CFE钢的应变时效敏感性系数为4.71%。

须指出，测试应变时效敏感性系数旨在对材料分析和对比，并无合格验收标准。《机械工程手册》（1996年版）认为低合金钢应变时效敏感性系数一般小于10%；而《压力容器材料实用手册》（2000年版）认为低合金钢应变时效敏感性系数一般小于40%[2]。由此看出，即使按前者要求，SG780CFE钢亦能满足。

5 压力钢管安全服役条件

焊接结构易发生脆性断裂的部位无疑是焊接接头。

日本《闸门压力钢管技术规范》设定压力钢管最低使用温度为0℃。并规定对于600～800N/mm级钢，在0℃不发生脆性断裂的条件是焊接接头韧性（冲击吸收能量值）≥47J；同时对母材则要求万一焊缝发生断裂则能够止裂[3]。为此，对780级钢板韧性规定为-40℃、≥47J。但所有规范对卷板后瓦片的韧性无规定。可以认为，具有-40℃、≥47J这样高的韧性储备，已考虑了卷板带来的韧性损失。而更重要的是，瓦片焊接热影响区和熔合区韧性已达到-40℃、≥47J，无疑是能够有效防止焊缝裂纹扩展的。

6 结论

（1）SG780CFE钢板冷卷后韧性急剧下降，以至于达不到钢板供货标准-40℃、≥47J。但卷板后焊接热影响区和熔合区韧性均可达到-40℃、≥47J。既然焊接热可使卷板后的韧性得以一定程度上的回复，那么冷卷后韧性急剧下降的问题就显得不突出。

（2）SG780CFE钢低温韧性对时效不敏感，时效的副作用可忽略。

（3）SG780CFE钢的应变时效敏感性系数远低于10%，仅为4.71%。

[1] 稻垣道夫，田中甚吉.高强钢焊接实践.北京：机械工业出版社，1990.

[2] 侯建国，等.钢材冲击韧性和应变时效敏感性问题的探讨.西北水电，2001，（2）：41.

[3] 水门铁管协会，水门铁管技术基准，2006.

刘启明（1987—），男，大学本科，助理工程师，主要研究方向：水工建筑物和水工钢结构施工管理，水电站施工管理。E-mail：429477163@qq.com

杜天棕（1940—），女，大学本科，教授级高级工程师，主要研究方向：水电站焊接结构制作安装。

赵志文（1972—），男，大学本科，工程师，主要研究方向：机电设备安装及管理。

Domestic 780MPa-Grade Steel Plate Toughness at Low Temperature

LIU Qiming，DU Tianzong，ZHAO Zhiwen
（Zhejiang xianju pumped storage Co. Ltd.，Taizhou 317300，China）

This article introduces the degree of toughness decline of 780MPa-grade steel plate，which is used in penstock of hydropower station，at low temperature after simulating cold-bending test，compares the toughness of steel plate after cold-bending with the toughness of cold-bending steel plate after aging treatment，reveals the change of toughness of coldbending base metal when welded，and the result of strainaging sensibility test carried out for such steel plate，most of all，analyses and evaluates the results showed by tests.

toughness at low temperature；cold-bending test；780MPa-grade steel plate；strain aging