Q345R против Q390R – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Q345R и Q390R - это низколегированные стали, предназначенные для сосудов под давлением, которые широко используются в китайском и международном производстве для котлов, сосудов под давлением и криогенных контейнеров. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между этими двумя марками, балансируя стоимость, производимость, свариваемость и требуемые механические характеристики. Типичные компромиссы включают выбор более дешевого, более пластичного материала против более прочной альтернативы, которая уменьшает толщину сечения или вес.

Основное техническое различие между Q345R и Q390R заключается в их уровне проектной прочности: Q390R специфицируется для более высокого минимального предела текучести и, следовательно, используется там, где требуется большая грузоподъемность или уменьшенная толщина. Поскольку обе марки являются не нержавеющими сталями для сосудов под давлением с аналогичными философиями легирования, их часто сравнивают при оптимизации конструкций на прочность, ударную вязкость и производимость.

1. Стандарты и обозначения

• GB (Китай): Q345R и Q390R обозначены в китайских стандартах GB/T для сталей сосудов под давлением. Суффикс "R" указывает на пригодность для сварных пластин сосудов под давлением.
• EN / ISO: Грубые эквиваленты производительности часто сравниваются с EN S355 (для серии Q345) и более прочными строительными сталями, но прямые замены должны проверяться по стандартам сосудов под давлением.
• ASME / ASTM: Нет прямого соответствия по ASME; пользователи обычно сопоставляют с семействами ASTM A516/A572 по механическим свойствам и допустимым напряжениям.
• JIS: Японские стандарты используют другую номенклатуру; сопоставление требует проверки по каждому свойству.

Классификация: обе марки Q345R и Q390R являются углеродно-марганцевыми низколегированными сталями (типа HSLA для использования в сосудах под давлением), а не инструментальными или нержавеющими сталями. Они являются вариантами для сосудов под давлением (R) с требуемой ударной вязкостью при заданных температурах.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица: общее качественное присутствие общих элементов

Элемент	Q345R (типично)*	Q390R (типично)*	Функциональная роль
C	Низкий–средний	Низкий–средний (часто немного ниже)	Контроль прочности; более высокий C увеличивает прочность и твердость, но снижает свариваемость и вязкость.
Mn	Средний	Средний–высокий	Деоксидирование и упрочнение в твердом растворе; способствует закаляемости.
Si	Следы–умеренный	Следы–умеренный	Деоксидант; небольшое влияние на прочность.
P	Следы (контролируемо низкий)	Следы (контролируемо низкий)	Примесь — поддерживается на низком уровне для сохранения вязкости.
S	Следы (контролируемо низкий)	Следы (контролируемо низкий)	Примесь — контролируется для свариваемости и вязкости.
Cr	Следы–низкий	Следы–низкий	Может присутствовать в небольших количествах для закаляемости/вязкости.
Ni	Следы–низкий	Следы–низкий	Улучшает вязкость при низких температурах, когда присутствует.
Mo	Следы–низкий	Следы–низкий	Закаляемость и стойкость к ползучести, если добавлен.
V	Следы (возможное микроалюминирование)	Следы (микроалюминирование более вероятно)	Микроалюминирование для упрочнения осаждением (улучшение зерна).
Nb (Nb,V в комбинации)	Возможные следы	Возможные следы	Улучшение зерна и прочности после термомеханической обработки.
Ti	Возможные следы	Возможные следы	Деоксидирование и контроль роста зерна.
B	Не типично	Не типично	Очень низкие уровни могут использоваться в некоторых сталях HSLA для повышения закаляемости (редко).
N	Контролируемо низкий	Контролируемо низкий	Может образовывать нитриды; контролируется для вязкости.

*“Типично” указывает на общие стратегии легирования для этих сталей сосудов под давлением; проконсультируйтесь с конкретным производителем/стандартом для сертифицированных пределов элементов и сертификатов партий.

Резюме стратегии легирования: - Обе марки в основном полагаются на контролируемый углерод и марганец с выборочным микроалюминированием (Nb, V, Ti) и следовыми элементами для вязкости и прочности. - Q390R обычно производится для достижения более высокого предела прочности; производители могут ужесточить контроль углерода, увеличить микроалюминирование или применить термомеханическую обработку, чтобы достичь более высокого уровня без чрезмерного содержания углерода, которое могло бы повредить свариваемости или вязкости.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры: - Доставляемое состояние для обеих марок обычно нормализованная или контролируемо прокатанная пластина с микроструктурой феррит–перлит или мелкозернистой бейнитно-ферритной в зависимости от скоростей охлаждения и микроалюминирования. - Q345R, предназначенная для более низкого уровня прочности, часто демонстрирует более равномерный феррит и перлит с большими областями феррита, что способствует пластичности. - Q390R нацелена на более мелкозернистую микроструктуру с более сильными матричными компонентами (более закаленный бейнит или улучшенный феррит), достигаемую за счет более строгих графиков прокатки или осаждения микроалюминирования, что дает более высокий предел текучести.

Реакция на термообработку: - Нормализация: Обе марки реагируют на нормализацию, улучшая размер зерна и равномерность; нормализация часто специфицируется для пластин сосудов под давлением, чтобы обеспечить вязкость. - Закалка и отпуск: Не типично как стандартная поставка для этих "как прокатанных" пластин сосудов под давлением, но возможно для индивидуальных более прочных вариантов; Q390R может быть спроектирована так, чтобы больше выигрывать от процессов закалки и отпуска, если производитель требует более высокой прочности с сохранением вязкости. - Термомеханическая контролируемая обработка (TMCP): Широко используется для производства Q390R для достижения более высокой прочности при сохранении приемлемой вязкости и свариваемости — микроалюминирующие элементы осаждаются и улучшают размер зерна аустенита во время прокатки.

4. Механические свойства

Таблица: сравнительные механические характеристики (качественные с указанным минимальным значением, где это возможно)

Свойство	Q345R	Q390R	Комментарий
Указанный минимальный предел текучести	~345 МПа (по обозначению)	~390 МПа (по обозначению)	Основное различие — у Q390R более высокий законодательно установленный предел текучести.
Прочность на разрыв	Умеренная	Выше	Q390R обычно достигает более высокой предельной прочности на разрыв.
Удлинение (пластичность)	Более высокая пластичность	Немного ниже пластичность	Стали с более высокой прочностью обычно показывают уменьшенное равномерное удлинение.
Ударная вязкость	Хорошая (указана при проектной температуре)	Хорошая, но может требовать более строгого контроля	Обе марки оценены по ударной вязкости, но Q390R требует контроля процесса для сохранения вязкости при более высокой прочности.
Твердость	Умеренная	Выше	Более высокая прочность коррелирует с увеличенной твердостью.

Объяснение: - Q390R обеспечивает более высокое соотношение прочности к весу и позволяет использовать более тонкие сечения при одинаковой нагрузке. Компромисс заключается в том, что достижение более высокой прочности может снизить пластичность и делает контроль микроструктуры более критичным для сохранения вязкости при низких температурах. - Для многих приложений сосудов под давлением, где вязкость специфицируется при определенных температурах, обе марки спроектированы для выполнения требований к ударной энергии; поставщики проверяют это с помощью испытаний на ударную вязкость по Шарпи при указанной температуре.

5. Свариваемость

Факторы, влияющие на свариваемость: - Содержание углерода и комбинированная закаляемость определяют восприимчивость к холодным трещинам и необходимость предварительного/последующего подогрева. - Микроалюминирование (Nb, V) может увеличить закаляемость локально в зоне термического влияния (HAZ) сварного шва.

Полезные индексы (качественное использование; не заменяют квалификацию процедуры): - Углеродный эквивалент, форма IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация: - Более низкие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ подразумевают более легкую свариваемость с обычными расходными материалами и меньший подогрев; по мере увеличения углерода и некоторых легирующих элементов также возрастает необходимость в подогреве, контролируемых температурах между проходами и термообработке после сварки. - Q345R, с его более низким проектным пределом прочности и часто немного более высокими допустимыми диапазонами углерода, обычно показывает лучшую врожденную свариваемость, чем Q390R, когда все другие факторы равны. Однако современный Q390R, произведенный с низким содержанием углерода и TMCP, может иметь приемлемые значения $CE_{IIW}/P_{cm}$, сопоставимые с Q345R. - Квалификация сварочной процедуры (WPS/PQR) и контроль водорода являются важными для обеих марок, особенно для толстых сечений и при низкотемпературной эксплуатации.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни Q345R, ни Q390R не являются нержавеющими или коррозионно-стойкими по составу. Защита от коррозии достигается за счет:
• Покрытий: краски на растворителях или водной основе, эпоксидные грунтовки и полиуретановые верхние покрытия.
• Металлической защиты: горячее цинкование или металлизация (цинк/алюминий) для атмосферного обслуживания.
• Коррозионных запасов: спецификация более толстых пластин для учета предсказуемых темпов коррозии.
• PREN (эквивалентный номер сопротивления к питтингу) не применим к этим не нержавеющим сталям: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Используйте PREN только для нержавеющих сплавов; для Q345R/Q390R рассмотрите катодную защиту, барьерные покрытия и соответствующий выбор материалов для агрессивных сред.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Резка: Обе марки легко резать пламенем, плазмой и лазером. Более высокая прочность Q390R может потребовать более медленных скоростей резки для контроля качества кромки в толстых сечениях.
• Гибка/формование: Q345R, с более низким пределом текучести, обычно легче гнется до малых радиусов и холодно формуется без пружинистости или трещин. Q390R, будучи более прочной, демонстрирует большую пружинистость и уменьшенное окно гибкости — проектирование формы должно быть пересмотрено, а допуски на чертежах скорректированы.
• Обрабатываемость: Обе марки обрабатываемы с использованием стандартных практик углеродной стали. Более высокая прочность и большая твердость Q390R могут немного сократить срок службы инструмента; выбирайте соответствующие материалы и скорости для режущих инструментов.
• Обработка поверхности: Шлифование и дробеструйная обработка проходят аналогично; тепловое воздействие во время сварки или тяжелой механической обработки может локально изменить свойства и должно учитываться в последовательностях обработки.

8. Типичные применения

Q345R – Типичные применения	Q390R – Типичные применения
Котлы и сосуды под давлением низкого и среднего давления, где оптимизация веса не критична; конструкционные секции и сварные изделия, требующие хорошей пластичности и вязкости	Сосуды под давлением, резервуары и конструкции, где приоритетом являются уменьшенная толщина стенки или экономия веса; более тяжелые процессные сосуды и компоненты под более высокими статическими нагрузками
Трубопроводы и компоненты с высокими требованиями к вязкости при низких температурах, где требуется немного больше пластичности	Изделия, где допустимое напряжение или проектные нормы позволяют извлечь выгоду от более высокого предела текучести (например, для уменьшения толщины пластины)
Общие сварные резервуары и оборудование, где легкость сварки и стоимость являются основными проблемами	Применения, где механическая прочность критична при сохранении целостности сварки — с учетом более строгих процессов контроля

Обоснование выбора: - Выбирайте Q345R, когда легкость обработки, формуемость и минимальные ограничения на сварку перевешивают необходимость минимизировать вес. - Выбирайте Q390R, когда структурная оптимизация, экономия веса или более высокие проектные давления требуют более высокой прочности — при условии, что контроль качества обеспечивает вязкость.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: Q390R обычно стоит дороже, чем Q345R из-за более строгих процессов контроля, возможного микроалюминирования и сертификации для более высокой прочности. Премия варьируется в зависимости от рынка и партии.
• Доступность: Обе марки обычно производятся, но доступность зависит от толщины, ширины пластины и требуемой квалификации по температуре удара. Q345R может быть более широко доступен в более широком диапазоне размеров; доступность Q390R может быть более переменной для толстых пластин или партий, сертифицированных для очень низких температур.
• Закупка: Укажите требуемые механические свойства, температуру удара и совместимость расходных материалов, связанных со сваркой. Запрашивайте сертификаты испытаний на заводе (MTC) и номера плавки для обеспечения прослеживаемости.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное)

Атрибут	Q345R	Q390R
Свариваемость	Хорошая	Хорошая–Умеренная (нужен контроль процесса)
Баланс прочности и вязкости	Умеренная прочность с хорошей пластичностью/вязкостью	Более высокая прочность; вязкость достижима с более строгим контролем
Стоимость	Ниже	Выше

Рекомендации: - Выбирайте Q345R, если: - Простота обработки, высокая пластичность и низкая стоимость материала являются приоритетами. - Проект не требует более высокого предела текучести и уменьшения толщины. - Легкость сварки и формования важнее, чем минимизация веса.

• Выбирайте Q390R, если:
• Требуется более высокий проектный предел текучести для уменьшения толщины стенки или веса.
• Экономика проекта благоприятствует более тонким сечениям, несмотря на более высокую стоимость материала за единицу.
• Производитель может предоставить сертифицированный материал, соответствующий требованиям к вязкости и контролируемой обработке (TMCP, низкий углерод, микроалюминирование) для управления свариваемостью и свойствами HAZ.

Заключительная заметка: Всегда проверяйте точные химические и механические пределы по сертификату завода поставщика и квалифицируйте сварочные процедуры для конкретной толщины пластины и температуры эксплуатации. Для работ с сосудами под давлением соблюдайте применимый код или стандарт и документируйте режимы испытаний на ударную вязкость и требования к неразрушающему контролю при выборе между Q345R и Q390R.