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北京科技大學(xué)：先進(jìn)能源用鋼的材料設(shè)計(jì)、制備與應(yīng)用技術(shù)

2024-12-17 15:24:44 作者：腐蝕與防護(hù) 來源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

“雙碳”背景下，國家《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中提出推動各個能源類型協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略。隨著國家重點(diǎn)清潔能源及傳統(tǒng)能源工程建設(shè)不斷發(fā)展，對安全服役要求也越來越高，鋼鐵材料作為重要基礎(chǔ)原材料亟需迭代升級，研發(fā)更高強(qiáng)度、更長壽命、更高效能的高性能綠色鋼鐵產(chǎn)品。

北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心先進(jìn)能源用鋼團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了“十三五”“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然基金以及校企合作科研項(xiàng)目80余項(xiàng)，提出了基于組織調(diào)控和性能優(yōu)化的合金設(shè)計(jì)和工藝控制理論，突破了先進(jìn)核電站、風(fēng)力/水力/光伏發(fā)電、氫能/油氣儲運(yùn)、煤礦開采等能源領(lǐng)域用高性能鋼鐵及合金等材料設(shè)計(jì)、制備和質(zhì)量控制關(guān)鍵共性技術(shù)瓶頸，為國家重大工程與裝備用先進(jìn)金屬材料研發(fā)與應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。相關(guān)成果在ACTA、Corrosion Science、JMST、MC、MSEA及金屬學(xué)報(bào)等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，撰寫專著3部，授權(quán)發(fā)明專利100余件，獲得省部級科技進(jìn)步獎10余項(xiàng)。

1 高品質(zhì)管線鋼研發(fā)

1.1 CO₂驅(qū)耐腐蝕石油管

CO₂-EOR是一項(xiàng)應(yīng)用于油田開采工藝的技術(shù)，顯著提高了油田的采收率，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)減少CO₂排放量和石油增產(chǎn)的目的。然而該技術(shù)帶來的站場輸油金屬管道CO₂嚴(yán)重腐蝕問題亟待解決。團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了不同溫度、不同Cl^-等典型環(huán)境下金屬管道腐蝕機(jī)制，提出低C 中Cr 的合金成分體系設(shè)計(jì)，明確了合金成分、組織類型、晶粒取向、晶間電位以及鋼中夾雜物類型、形態(tài)等多因素對低C 中Cr 鋼均勻腐蝕和點(diǎn)蝕的影響機(jī)理，從宏觀、介觀、微觀、納觀等多尺度層次揭示鋼種的耐蝕機(jī)制，突破了組織精細(xì)化的工業(yè)生產(chǎn)的全流程控制技術(shù)，在國內(nèi)鋼鐵企業(yè)制備出了以5Cr和7Cr為代表的CO₂驅(qū)專用鋼管，提出CO₂驅(qū)鋼管專有的腐蝕評價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)CO₂驅(qū)專用管材的工業(yè)化生產(chǎn)及試用（如圖1所示），為豐富我國耐蝕鋼管的品種、提升產(chǎn)品質(zhì)量提供了支撐。

1.2 超臨界CO₂輸送用鋼

CCUS技術(shù)是一項(xiàng)將CO₂從排放源頭進(jìn)行捕獲收集，通過管道運(yùn)輸至利用或封存區(qū)的方法，為了便于管道運(yùn)輸以及儲存，CO₂通常被壓縮至超臨界狀態(tài)（壓力＞7.38MPa，溫度＞31.1℃）。然而當(dāng)CO₂管道泄漏或放空時，壓力急劇下降，從而導(dǎo)致低溫（-50℃左右），因此管材需要更良好的抗低溫韌性以及止裂性能。另外，若管道內(nèi)含有H₂O、O₂、SO₂等雜質(zhì)時，極易引起鋼管的腐蝕等問題。團(tuán)隊(duì)針對超臨界CO₂輸送環(huán)境，利用數(shù)字化研發(fā)手段，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和商業(yè)軟件對材料成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了超低C、低Mn，微Nb含Cr的微合金化成分體系，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場驗(yàn)證和焊接評價(jià)。經(jīng)過30kJ/cm的焊接之后，鋼管基體和焊縫均具有良好的低溫韌性和耐CO₂腐蝕性能，能夠滿足超臨界CO₂輸送用鋼需求。

1.3 高等級輸氫管線鋼

氫能產(chǎn)業(yè)具有巨大的發(fā)展前景，在目前的氫能發(fā)展和利用中，純氫管道被認(rèn)為是大規(guī)模、長距離氫輸送的必要載體，目前輸氫管道優(yōu)選X52及以下鋼級，隨著輸氫需求的不斷增加，X65等更高鋼級輸氫管線鋼的市場需求不斷擴(kuò)大。然而管線鋼強(qiáng)度級別越高，缺陷強(qiáng)化所占比例越高。輸氫管道中的氫氣分子會與鋼材表面碰撞并吸附于鋼材表面，由物理吸附變?yōu)榛瘜W(xué)吸附進(jìn)而解理為氫原子后，以原子形式滲入材料，在某些組織缺陷或應(yīng)力集中處聚集，可導(dǎo)致管線鋼發(fā)生氫脆或氫致延遲開裂，甚至出現(xiàn)氫鼓泡等氫損傷現(xiàn)象。團(tuán)隊(duì)通過VASP、Materials Studio等軟件進(jìn)行第一性原理計(jì)算，分析在臨氫環(huán)境下，不同濃度的C、Mn、Nb、V、Cr、Mo、Cu等元素偏聚對晶界強(qiáng)度、H原子捕獲和晶界氫致脆化的影響，明確了影響材料抗氫性能的主要元素，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法優(yōu)化了管線鋼的合金成分和微觀結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場制備出了10MPa充氫后氫脆指數(shù)低于10的高性能X65輸氫管線鋼。

2 清潔能源用鋼研發(fā)

2.1 高強(qiáng)韌風(fēng)電用鋼

風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源、可再生能源且具有經(jīng)濟(jì)性的發(fā)電形式之一，風(fēng)電開發(fā)利用率正在不斷攀升，同時市場需求與應(yīng)用場景逐漸發(fā)生變化，陸上風(fēng)電正從傳統(tǒng)的平原、丘陵、山地，走向沙漠、戈壁、荒漠，以及油氣田、鹽堿化地，海上風(fēng)電也進(jìn)入規(guī)模化開發(fā)階段，積極向深遠(yuǎn)海進(jìn)發(fā)。風(fēng)電塔架服役環(huán)境也愈加嚴(yán)苛，同時隨著機(jī)組大型化，風(fēng)塔承受載荷不斷增加，對風(fēng)電用鋼的強(qiáng)度、低溫韌性、焊接性能、疲勞性能等提出了更高的要求。團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)多家鋼鐵企業(yè)、研究院所和設(shè)計(jì)單位率先提出了塔架優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料升級的協(xié)同輕量化創(chuàng)新解決方案，開發(fā)了正火軋制及TMCP工藝，開發(fā)了420-460MPa高強(qiáng)度鋼板代替現(xiàn)有355MPa 級別鋼板，達(dá)到了塔架整體減重10%-15%的效果。圍繞500MPa風(fēng)電用鋼板關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品系列難題，成功突破了鋼板材料設(shè)計(jì)制備、環(huán)焊縫低應(yīng)力焊接及高強(qiáng)塔架熱矯形等一系列關(guān)鍵技術(shù)，疲勞等級達(dá)到DC140。相同裝機(jī)容量下，可節(jié)約鋼材20%，疲勞壽命提升25%以上。完成了全球首臺套500MPa高強(qiáng)鋼風(fēng)電塔架吊裝（圖2），刷新了全球塔架用鋼板強(qiáng)度等級新紀(jì)錄。

2.2 吉帕級高性能水電鋼

隨著我國大容量抽水蓄能電站建設(shè)的快速發(fā)展，高水頭、大HD值的壓力管道規(guī)模趨于巨型化，國內(nèi)水電建設(shè)對高強(qiáng)度水電鋼板需求日趨增加。為了減薄壓力鋼管、蝸殼和岔管的壁厚，降低施工和焊接難度，建造抽水蓄能水電站已越來越多采用800MPa級以上高強(qiáng)度鋼板，1000MPa級水電鋼已在浙江天臺抽水蓄能電站試用。然而1000MPa級水電鋼板在厚度組織均勻性、強(qiáng)韌性匹配、應(yīng)變時效穩(wěn)定性、焊接裂紋敏感性等方面仍存在諸多問題。團(tuán)隊(duì)在合金成分優(yōu)化的基礎(chǔ)上提出了在線淬火+回火的制備工藝，利用變形過程中形成的大量變形帶和高密度位錯提高了鋼板淬透性，同時為納米級析出提供了更多形核點(diǎn)，增強(qiáng)了相變過程中馬氏體的變體選擇性，顯著提高了大角度晶界的比例，在確保高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，提升了鋼板低溫沖擊韌性和組織穩(wěn)定性，-60℃沖擊功達(dá)到100J以上，從而改善了應(yīng)變時效穩(wěn)定性。

2.3 超低溫液氫儲罐用鋼

氫能具有高熱值、零碳排放、可再生的特點(diǎn)，被視為 21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉矗蜏匾簯B(tài)儲氫具有密度大、加注效率高、安全性好等特點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿薮蟆５蜏匾簯B(tài)儲氫是將氫氣壓縮后冷卻至-253℃以下，使之液化并存放于絕熱真空儲存器中的儲氫方式，對低溫能源儲罐性能提出了嚴(yán)苛的要求。目前液氫在國外已得到廣泛應(yīng)用，而國內(nèi)僅應(yīng)用于航天系統(tǒng)，民用基本處于空白。國外在液氫儲罐用材方面相對比較成熟，國內(nèi)缺乏相應(yīng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和材料開發(fā)設(shè)計(jì)。團(tuán)隊(duì)提出了基于合理層錯能和Mn、Al合金化的成分思路，明確了Al元素抑制了低溫塑性變形過程和沖擊過程中ε-馬氏體相變，促進(jìn)了形變孿晶的形成，顯著提高了低溫韌性，制備出溫度在4.2K時沖擊功高達(dá)231J的高錳鋼，為液氫儲罐用鋼選材提供了技術(shù)儲備。

3 高強(qiáng)長壽命耐磨鋼

鋼材由于磨損而產(chǎn)生的耗費(fèi)約占鋼材總量的10%，面向礦山機(jī)械對輕量化、煤礦刮板運(yùn)輸機(jī)和農(nóng)機(jī)對耐蝕性、攪拌罐等對長壽命等亟需，探索和開發(fā)更高耐磨性、更長壽命的高性能綠色鋼鐵產(chǎn)品，突破高強(qiáng)韌、易焊接、耐腐蝕、低應(yīng)力等關(guān)鍵共性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)耐磨鋼鐵材料迭代升級，對減少因磨損導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)具有重要意義。團(tuán)隊(duì)提出了基于Nb、Ti、Mo的微合金化成分設(shè)計(jì)，開發(fā)了低Pcm值的高強(qiáng)韌易焊接耐磨鋼組織調(diào)控技術(shù)，在熱輸入16-20kJ/cm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了NM400鋼的免預(yù)熱焊接；提出降C、Mn，加Re、Cu、Ni等合金設(shè)計(jì)理念，采用淬火高均質(zhì)低溫回火工藝，獲得小微區(qū)電勢差的高耐蝕耐磨鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用；開發(fā)了基于TRIP效應(yīng)的TiC顆粒增強(qiáng)型耐磨鋼的冶煉、連鑄和TMCP制備技術(shù)；開發(fā)了薄規(guī)格耐磨鋼直接淬火+矯直的短流程低應(yīng)力耐磨鋼控制技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了系列耐磨鋼的研發(fā)與推廣應(yīng)用。（北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心副主任武會賓）