北京科技大学：先进能源用钢的材料设计、制备与应用技术

2024-12-17 15:24:44 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

“双碳”背景下，国家《“十四五”现代能源体系规划》中提出推动各个能源类型协调发展战略。随着国家重点清洁能源及传统能源工程建设不断发展，对安全服役要求也越来越高，钢铁材料作为重要基础原材料亟需迭代升级，研发更高强度、更长寿命、更高效能的高性能绿色钢铁产品。

北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心先进能源用钢团队承担了“十三五”“十四五”国家重点研发计划，国家自然基金以及校企合作科研项目80余项，提出了基于组织调控和性能优化的合金设计和工艺控制理论，突破了先进核电站、风力/水力/光伏发电、氢能/油气储运、煤矿开采等能源领域用高性能钢铁及合金等材料设计、制备和质量控制关键共性技术瓶颈，为国家重大工程与装备用先进金属材料研发与应用提供了理论依据和技术支撑。相关成果在ACTA、Corrosion Science、JMST、MC、MSEA及金属学报等期刊发表学术论文200余篇，撰写专著3部，授权发明专利100余件，获得省部级科技进步奖10余项。

1 高品质管线钢研发

1.1 CO₂驱耐腐蚀石油管

CO₂-EOR是一项应用于油田开采工艺的技术，显著提高了油田的采收率，极大地提高了经济效益，实现减少CO₂排放量和石油增产的目的。然而该技术带来的站场输油金属管道CO₂严重腐蚀问题亟待解决。团队系统地研究了不同温度、不同Cl^-等典型环境下金属管道腐蚀机制，提出低C 中Cr 的合金成分体系设计，明确了合金成分、组织类型、晶粒取向、晶间电位以及钢中夹杂物类型、形态等多因素对低C 中Cr 钢均匀腐蚀和点蚀的影响机理，从宏观、介观、微观、纳观等多尺度层次揭示钢种的耐蚀机制，突破了组织精细化的工业生产的全流程控制技术，在国内钢铁企业制备出了以5Cr和7Cr为代表的CO₂驱专用钢管，提出CO₂驱钢管专有的腐蚀评价方法，实现CO₂驱专用管材的工业化生产及试用（如图1所示），为丰富我国耐蚀钢管的品种、提升产品质量提供了支撑。

1.2 超临界CO₂输送用钢

CCUS技术是一项将CO₂从排放源头进行捕获收集，通过管道运输至利用或封存区的方法，为了便于管道运输以及储存，CO₂通常被压缩至超临界状态（压力＞7.38MPa，温度＞31.1℃）。然而当CO₂管道泄漏或放空时，压力急剧下降，从而导致低温（-50℃左右），因此管材需要更良好的抗低温韧性以及止裂性能。另外，若管道内含有H₂O、O₂、SO₂等杂质时，极易引起钢管的腐蚀等问题。团队针对超临界CO₂输送环境，利用数字化研发手段，结合机器学习和商业软件对材料成分和微观结构进行了优化设计，提出了超低C、低Mn，微Nb含Cr的微合金化成分体系，并进行了实验室研究和现场验证和焊接评价。经过30kJ/cm的焊接之后，钢管基体和焊缝均具有良好的低温韧性和耐CO₂腐蚀性能，能够满足超临界CO₂输送用钢需求。

1.3 高等级输氢管线钢

氢能产业具有巨大的发展前景，在目前的氢能发展和利用中，纯氢管道被认为是大规模、长距离氢输送的必要载体，目前输氢管道优选X52及以下钢级，随着输氢需求的不断增加，X65等更高钢级输氢管线钢的市场需求不断扩大。然而管线钢强度级别越高，缺陷强化所占比例越高。输氢管道中的氢气分子会与钢材表面碰撞并吸附于钢材表面，由物理吸附变为化学吸附进而解理为氢原子后，以原子形式渗入材料，在某些组织缺陷或应力集中处聚集，可导致管线钢发生氢脆或氢致延迟开裂，甚至出现氢鼓泡等氢损伤现象。团队通过VASP、Materials Studio等软件进行第一性原理计算，分析在临氢环境下，不同浓度的C、Mn、Nb、V、Cr、Mo、Cu等元素偏聚对晶界强度、H原子捕获和晶界氢致脆化的影响，明确了影响材料抗氢性能的主要元素，利用机器学习等方法优化了管线钢的合金成分和微观结构，在现场制备出了10MPa充氢后氢脆指数低于10的高性能X65输氢管线钢。

2 清洁能源用钢研发

2.1 高强韧风电用钢

风力发电作为清洁能源、可再生能源且具有经济性的发电形式之一，风电开发利用率正在不断攀升，同时市场需求与应用场景逐渐发生变化，陆上风电正从传统的平原、丘陵、山地，走向沙漠、戈壁、荒漠，以及油气田、盐碱化地，海上风电也进入规模化开发阶段，积极向深远海进发。风电塔架服役环境也愈加严苛，同时随着机组大型化，风塔承受载荷不断增加，对风电用钢的强度、低温韧性、焊接性能、疲劳性能等提出了更高的要求。团队联合国内多家钢铁企业、研究院所和设计单位率先提出了塔架优化设计和材料升级的协同轻量化创新解决方案，开发了正火轧制及TMCP工艺，开发了420-460MPa高强度钢板代替现有355MPa 级别钢板，达到了塔架整体减重10%-15%的效果。围绕500MPa风电用钢板关键技术和产品系列难题，成功突破了钢板材料设计制备、环焊缝低应力焊接及高强塔架热矫形等一系列关键技术，疲劳等级达到DC140。相同装机容量下，可节约钢材20%，疲劳寿命提升25%以上。完成了全球首台套500MPa高强钢风电塔架吊装（图2），刷新了全球塔架用钢板强度等级新纪录。

2.2 吉帕级高性能水电钢

随着我国大容量抽水蓄能电站建设的快速发展，高水头、大HD值的压力管道规模趋于巨型化，国内水电建设对高强度水电钢板需求日趋增加。为了减薄压力钢管、蜗壳和岔管的壁厚，降低施工和焊接难度，建造抽水蓄能水电站已越来越多采用800MPa级以上高强度钢板，1000MPa级水电钢已在浙江天台抽水蓄能电站试用。然而1000MPa级水电钢板在厚度组织均匀性、强韧性匹配、应变时效稳定性、焊接裂纹敏感性等方面仍存在诸多问题。团队在合金成分优化的基础上提出了在线淬火+回火的制备工艺，利用变形过程中形成的大量变形带和高密度位错提高了钢板淬透性，同时为纳米级析出提供了更多形核点，增强了相变过程中马氏体的变体选择性，显著提高了大角度晶界的比例，在确保高强度的基础上，提升了钢板低温冲击韧性和组织稳定性，-60℃冲击功达到100J以上，从而改善了应变时效稳定性。

2.3 超低温液氢储罐用钢

氢能具有高热值、零碳排放、可再生的特点，被视为 21 世纪最具发展潜力的能源，低温液态储氢具有密度大、加注效率高、安全性好等特点，发展潜力巨大。低温液态储氢是将氢气压缩后冷却至-253℃以下，使之液化并存放于绝热真空储存器中的储氢方式，对低温能源储罐性能提出了严苛的要求。目前液氢在国外已得到广泛应用，而国内仅应用于航天系统，民用基本处于空白。国外在液氢储罐用材方面相对比较成熟，国内缺乏相应的应用基础研究和材料开发设计。团队提出了基于合理层错能和Mn、Al合金化的成分思路，明确了Al元素抑制了低温塑性变形过程和冲击过程中ε-马氏体相变，促进了形变孪晶的形成，显著提高了低温韧性，制备出温度在4.2K时冲击功高达231J的高锰钢，为液氢储罐用钢选材提供了技术储备。

3 高强长寿命耐磨钢

钢材由于磨损而产生的耗费约占钢材总量的10%，面向矿山机械对轻量化、煤矿刮板运输机和农机对耐蚀性、搅拌罐等对长寿命等亟需，探索和开发更高耐磨性、更长寿命的高性能绿色钢铁产品，突破高强韧、易焊接、耐腐蚀、低应力等关键共性技术，实现耐磨钢铁材料迭代升级，对减少因磨损导致的经济损失和资源浪费具有重要意义。团队提出了基于Nb、Ti、Mo的微合金化成分设计，开发了低Pcm值的高强韧易焊接耐磨钢组织调控技术，在热输入16-20kJ/cm范围内实现了NM400钢的免预热焊接；提出降C、Mn，加Re、Cu、Ni等合金设计理念，采用淬火高均质低温回火工艺，获得小微区电势差的高耐蚀耐磨钢的生产和应用；开发了基于TRIP效应的TiC颗粒增强型耐磨钢的冶炼、连铸和TMCP制备技术；开发了薄规格耐磨钢直接淬火+矫直的短流程低应力耐磨钢控制技术。实现了系列耐磨钢的研发与推广应用。（北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心副主任武会宾）