S690QL欧标调质高强度结构钢板完全技术指南：性能参数、热处理工艺与工程应用解析

S690QL在全球超高强度结构钢领域的旗舰地位

在大型海洋工程装备、超高层建筑、重型起重机械等对材料强度和轻量化有着极致要求的领域，S690QL作为EN 10025-6标准体系下的调质高强度细晶粒结构钢，凭借其690MPa级屈服强度、-40℃的超低温冲击韧性以及优异的焊接性能，成为全球范围内最高强度级别的可焊接结构钢之一，堪称“超高强度结构钢领域的旗舰材料”。

S690QL这一牌号的命名遵循EN 10025-6欧洲标准的规范体系，其中“S”代表结构钢（Structural Steel）；“690”代表最小屈服强度值（单位MPa）；“Q”代表调质状态交货（Quenched and Tempered）；“L”代表低温冲击等级（Low temperature），即-40℃冲击韧性要求。该材料是EN 10025-6标准中强度等级最高的牌号之一，适用于大型承重结构、海洋平台、起重机臂架、桥梁等对减重有迫切需求的关键部件。

近年来，S690QL在全球重大工程中的应用日益广泛。中国香港将军澳海滨南桥采用S690QL钢材，实现了更小的构件尺寸和更安全的吊装施。欧洲Northern Lights碳捕集与封存项目中的LCO₂运输船储罐选用50mm厚P690QL2材料（S690QL的低温版本）。本文将从材料科学和工程应用的双重角度，系统阐述S690QL钢板的化学成分设计、力学性能特征、热处理工艺规范、焊接技术要点及典型应用场景。

S690QL的牌号含义与执行标准

1.1 牌号逐字符解析

S690QL的牌号命名遵循EN 10025-6欧洲标准的规范体系，承载着明确的材料技术参数：

S：Structural Steel的缩写，表示该材料为结构用钢，这是欧标结构钢命名的通用前缀。

690：代表最小屈服强度值（单位MPa）。这是S690QL材料分级的核心依据，根据标准规定，厚度≤65mm时屈服强度不低于690MPa。

Q：Quenched and tempered的缩写，代表交货状态为调质（淬火+回火）。这一标识表明材料经过了水淬和高温回火处理，以获得细小均匀的回火马氏体或回火贝氏体组织。

L：Low temperature的缩写，代表低温冲击等级，要求-40℃冲击功≥30J（横向）/≥40J（纵向）。这是S690QL区别于S690Q（-20℃）的核心特征。

材料数字代号：1.8928，是S690QL在欧标体系中的标准编号，与DILLIMAX 690T等商业牌号对应。

1.2 执行标准体系

S690QL钢板主要遵循以下标准规范：

EN 10025-6:2019：《热轧结构钢产品 - 第6部分：调质状态下交货的高强度结构钢平板产品技术条件》，是该材料的核心产品标准。

EN 1011-2：焊接推荐规范，规定了高强度钢焊接的一般性要求。

EN ISO 3690：规定了焊材扩散氢含量的测定方法，S690QL焊接应选用HD<5ml/100g级的碱性焊材。

1.3 材料定位与质量等级

在EN 10025-6标准体系中，S690QL是690MPa级调质钢的中间等级，其系列包括：

S690Q/S690QL/S690QL1的成分差异在于Ni含量等合金元素的调整，以满足不同的低温冲击韧性要求。例如，Northern Lights项目的LCO₂运输船储罐采用了50mm厚P690QL2材料（-60℃等级）。

化学成分与合金设计原理

2.1 标准化学成分范围

S690QL采用“低碳+多元微合金化+调质处理”的精密成分设计思路，通过精确控制各元素含量，实现690MPa级超高强度、-40℃超低温韧性和优异焊接性的综合平衡。根据商业产品资料及学术研究数据，化学成分范围如下：

碳（C） ：≤0.20%，典型控制在0.10%～0.18%。超低碳设计是保证焊接性能和-40℃低温韧性的基础，可显著降低焊接冷裂倾向。

硅（Si） ：≤0.50%，典型控制在0.20%～0.50%。硅在炼钢过程中起脱氧作用，同时通过固溶强化提供一定的强度贡献。

锰（Mn） ：≤1.80%，典型控制在1.15%～1.65%。锰是重要的固溶强化元素，能显著提高钢的强度和淬透性，同时与硫结合形成MnS，减轻硫的热脆危害。

磷（P） ：≤0.025%，高品质产品要求≤0.015%。磷是有害杂质元素，容易引起晶界脆化，在-40℃环境下影响更为显著。

硫（S） ：≤0.010%，高品质产品要求≤0.005%。超低硫控制是保证-40℃超低温冲击韧性的关键。

铬（Cr） ：≤1.50%，典型控制在0.20%～0.70%。铬能显著提高钢的淬透性和回火稳定性，同时形成碳化物增强强度。

镍（Ni） ：≤3.0%，典型控制在0.05%～1.50%。镍是改善低温韧性的关键元素，对于L级-40℃冲击要求尤为重要。

钼（Mo） ：≤0.80%，典型控制在0.20%～0.50%。钼通过固溶强化和碳化物析出强化，显著提高钢的热强性和抗回火软化能力。

硼（B） ：≤0.005%。微量硼可显著提高淬透性，是获得690MPa级强度的关键元素之一。

铌（Nb） ：≤0.06%，与钒、钛等微合金元素协同作用，抑制晶粒长大并提供沉淀强化。

钒（V） ：≤0.12%，通过形成V(C,N)析出相提供沉淀强化。

钛（Ti） ：≤0.05%。钛优先与氮结合形成TiN，保护铌、硼等元素用于强化，同时进一步细化晶粒和改善焊接热影响区韧性。

氮（N） ：≤0.015%。氮含量过高会导致应变时效脆化。

铝（Al） ：≥0.010%。铝是强脱氧剂，与氮形成AlN细化晶粒，改善低温韧性。

2.2 碳当量与焊接性评估

S690QL的碳当量（CEV）是评价焊接性的关键参数。采用国际焊接学会（IIW）公式计算：

CEV（%）= C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15

根据典型化学成分，S690QL的碳当量约为0.55%～0.62%。例如，学术研究中20mm厚S690QL钢板的CEV测定值为0.57%，起重机制造中使用的S690QL1钢板的Ceq为0.55%，特厚板专利技术中的CEV为0.58%～0.62%。这一碳当量范围表明S690QL具有一定的淬硬倾向，对冷裂纹较为敏感，属于有淬硬倾向的钢，必须采取合适的焊接工艺、焊接材料和焊接参数。

冷裂敏感指数Pcm：典型控制在0.27%～0.31%范围内。Pcm是计算预热温度的重要依据。

力学性能与工艺特性

3.1 拉伸性能

S690QL钢板依据EN 10025-6标准，在不同厚度区间呈现出差异化的强度要求，体现了材料设计对厚度效应的充分考虑：

厚度≤65mm：屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～940MPa，断后伸长率A≥14%。这是S690QL牌号命名的核心依据。

厚度65～100mm：屈服强度≥670MPa，抗拉强度770～940MPa，伸长率≥14%。

厚度100～150mm：屈服强度≥630MPa，抗拉强度720～900MPa，伸长率≥14%。

厚度150～200mm：屈服强度≥610MPa，抗拉强度700～880MPa，伸长率≥14%。

厚度200～250mm：屈服强度≥600MPa，抗拉强度690～870MPa，伸长率≥14%。

国内专利技术已成功研制出厚度150mm以下保性能、保探伤的S690QL1钢板，屈服强度控制在650～780MPa，抗拉强度控制在740～930MPa，伸长率控制在15%～25%。这一宽广的厚度覆盖范围使S690QL能够适应从薄板到特厚板承重构件的多样化工程需求。

3.2 冲击韧性：-40℃超低温性能

冲击韧性是S690QL区别于S690Q的核心优势指标，也是其能够应用于海洋工程和极地环境的关键保障：

冲击试验温度：-40℃。对于QL1等级可扩展至-60℃。这一超低温冲击要求使S690QL能够满足海洋工程、北方严寒地区和极地工况下的服役需求。

冲击功要求（纵向） ：三个试样平均值≥40J，允许单个值≥28J。S690QL1（E级）的-60℃纵向冲击功要求平均≥30J。

实际产品性能：国内专利技术生产的S690QL1特厚板，-60℃纵向冲击功实测值高达143～340J，远高于标准要求。

3.3 硬度与物理性能

交货状态硬度：布氏硬度典型值约250-320HB，取决于厚度和回火工艺。

弹性模量：约200 GPa（室温）。

密度：7.85 g/cm³。

热导率：约35-45 W/(m·K)，高于普通碳钢。

热处理工艺规范

4.1 调质工艺（淬火+回火）

S690QL的核心特征是调质（淬火+回火）状态交货，这是获得回火马氏体/回火贝氏体组织和690MPa级超高强度的关键工序：

淬火工艺：奥氏体化温度通常为900℃～950℃。专利技术中典型淬火温度为920±30℃，保温时间为1.5-2.5 min/mm。保温时间按板厚计算，确保全截面奥氏体化。冷却介质为水，充分的淬火冷却能够获得马氏体组织，这是超高强度的基础。

回火工艺：回火温度为600℃～680℃。专利技术中典型回火温度为660±30℃，保温时间为3.0-4.5 min/mm。回火保温后空冷至室温。高温回火能够消除淬火内应力，改善材料韧性储备，获得回火索氏体或回火贝氏体组织，实现强度与韧性的最佳匹配。

4.2 冶炼与轧制工艺

S690QL钢板的制造工艺要求如下：

冶炼工艺：采用KR铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→真空脱气（VD/RH）的复合冶炼工艺。LF精炼过程中需确保白渣保持时间≥20min，VD真空度必须达到67Pa以下，保压时间≥13min。

纯净度控制：严控P≤0.010%、S≤0.005%。例如，特厚板S690QL1的P≤0.010%、S≤0.003%。

控轧控冷工艺：采用两阶段轧制。一阶段（再结晶区）开轧温度1100-1150℃，终轧温度≥980℃；二阶段（未再结晶区）开轧温度≤950℃，累计压下率≥50%，终轧温度760-880℃。轧后采用层流冷却，冷却速度≥10℃/s，返红温度500-580℃。

焊接工艺要点

S690QL属于低合金调质高强钢，合金成分丰富，强度等级高，碳当量CEV≈0.55%-0.62%，焊接时面临的主要风险是冷裂纹和热影响区韧性下降。因此，焊接工艺需严格控制预热温度、层间温度、焊接热输入等关键参数。

5.1 焊接性分析

S690QL的焊接性分析如下：

碳当量较高：CEV≈0.55%-0.62%，淬硬性倾向明显，焊接性能要求严格。

冷裂纹风险：S690QL对冷裂纹较为敏感，焊接过程中在氢的作用下，快速冷却时易导致冷裂纹。必须严格执行预热、后热和低氢焊接工艺措施。

热影响区性能控制：焊接热输入对热影响区的微观组织和性能有显著影响。研究表明，采用低热输入（0.8 kJ/mm）时，粗晶区形成细小的自回火马氏体组织，-40℃冲击韧性优良；而高热输入（1.7 kJ/mm和2.5 kJ/mm）导致原奥氏体晶粒粗大，促进脆性解理断裂。

推荐工艺参数：焊接热输入不宜超过2.5 kJ/mm，低热输入（≤0.8 kJ/mm）可获得最佳的HAZ性能。

5.2 预热与层间温度控制

焊前预热是防止冷裂纹的关键措施：

预热温度：根据Pcm值和板厚计算，典型预热温度为130-200℃。EN 1011-2标准推荐预热温度100-150℃。例如，65mm厚度S690QL筒体横焊时预热温度为130℃。板厚越大，预热温度越高——DILLIMAX 690技术资料推荐：板厚20mm及以下需25℃预热，50mm及以下需50℃，100mm及以下需100℃，200mm及以下需150℃。

层间温度控制：层间温度不应低于预热温度，且不宜超过250℃。典型控制为≤200-250℃，以防止热影响区性能劣化和晶粒粗化。

定位焊预热：定位焊处的预热温度应比正常焊前的预热温度更高。

5.3 焊接材料选择

焊材选择应遵循“等强匹配”或“低强匹配”原则，并严格控制扩散氢含量：

焊材类型：必须选用低氢或超低氢焊接材料，扩散氢含量HD≤5ml/100g。对于手工电弧焊，应选用碱性药皮焊条（ISO 3690标准，HD<5ml/100g级），并按焊材生产商的要求进行干燥处理。

药芯焊丝气保焊（FCAW） ：Megafil 742M（φ1.2mm，打底）匹配Topcore 742B（φ4.0mm，填充盖面）和ST55焊剂。Topcore 742B为药芯埋弧焊丝，可达-60℃冲击性能。

气体保护焊（GMAW） ：ER110S-G级别焊丝，保护气体为80%Ar+20%CO₂。

5.4 焊接热输入控制

焊接热输入是影响S690QL焊接接头性能的关键参数：

控制原则：S690QL的最大焊接热输入不应超过2.5 kJ/mm。采用低热输入可有效防止冷裂纹并保证HAZ韧性。

最佳热输入窗口：研究表明，采用低热输入（0.8 kJ/mm）焊接时，粗晶区形成细小的自回火马氏体组织，获得高强度、高硬度和优良的-40℃低温韧性。当热输入增加至1.7 kJ/mm和2.5 kJ/mm时，原奥氏体晶粒尺寸增大，韧性显著下降。

冷却时间控制：必须确保冷却时间t8/5不超过20秒。经验表明，必须通过选择焊接条件，以确保冷却时间t8/5不超过20秒，这在已根据各屈服强度级别正确地选用了对应的焊材时适用。

5.5 焊后热处理（PWHT）

焊后热处理是高强钢焊接的重要工序，但S690QL有其特殊性：

PWHT必要性：研究表明，对S690QL焊缝施加525℃×2h的PWHT后，焊接接头的力学性能没有显著变化。AWS D1.1:2020设计规范不推荐对屈服强度超过690MPa的调质高强钢进行PWHT。

DNV规范要求：根据DNV-OS-C401标准，多道焊接头（屈服强度460-690MPa）的硬度不得超过420HV10。

回火焊道技术：为降低最后一道焊缝热影响区的硬度，可采用回火焊道方法——调整盖面焊道顺序，使后续焊道对前一道焊缝的热影响区进行回火处理。该方法被广泛用于高强钢的焊接。

工程实践选择：在海洋工程结构焊接中，通常不采用PWHT，而是通过严格控制预热、层间温度和热输入来保证焊接质量。

典型工程应用领域

6.1 海洋工程装备——核心应用市场

S690QL在海洋工程领域的应用是其最核心的市场，通过减重设计可实现装备自重降低30-60%，显著提升经济性：

海洋钻井平台：桩腿、悬臂梁、升降系统等关键承载结构。DNV-OS-C401标准明确允许使用屈服强度690MPa级钢材制造海洋平台关键结构。

大型浮式起重机：桅杆式起重机筒体环缝焊接。如5000t起重机筒体壁厚65mm、直径10m，采用S690QL材料以减轻起重机自重。

海上风力发电：单桩基础、塔筒过渡段、导管架结构。

起重铺管船吊机：塔吊产品的焊接生产，采用药芯焊丝气保焊工艺，成功应用于塔吊产品的焊接生产-7。

6.2 大型桥梁与超高层建筑

将军澳海滨南桥（中国香港）：采用S690QL钢材，实现了更小的构件尺寸和更安全的吊装施工，获得2025香港工程师学会安全卓越设计奖银奖。

超高层建筑：钢结构框架、转换层桁架、伸臂桁架等关键部位，S690QL的高强度可有效减小构件截面尺寸。

6.3 碳捕集与储运（CCS）

Northern Lights项目（挪威）：全球首个跨境碳捕集与封存项目，LCO₂运输船储罐选用50mm厚P690QL2材料（-60℃等级），储罐容量7500m³。

6.4 重型工程机械

起重机臂架：汽车起重机、履带起重机等设备的吊臂系统，S690QL可使设备自重降低30-60%。

输送设备、升降机：高应力承载部件。

6.5 水利与能源装备

水利闸门：大型水电站的进水口闸门和泄洪闸门。

水电压力钢管：抽水蓄能电站的压力管道岔管。

国内生产与供货现状

7.1 主要生产企业

舞阳钢铁：国内S690QL/S690QL1生产的重要企业，采用电炉+LF+VD冶炼、控轧控冷+调质工艺，可批量生产8-150mm厚度规格的特厚板。

南阳汉冶特钢：拥有S690QL1特厚板专利技术，产品厚度达150mm，通过KR铁水预处理、转炉、LF精炼、VD真空处理等工艺，生产钢板保探伤、保性能。

济钢、湘钢：具备批量生产能力。

7.2 供货规格范围

厚度：8mm～250mm。DILLIMAX 690系列可供6-250mm。

宽度：1500mm～4000mm。

长度：6000mm～18000mm。

交货状态：调质（淬火+回火）。

等级：S690Q（-20℃）、S690QL（-40℃）、S690QL1（-60℃）均可供货。

质量检验与控制要求

8.1 化学成分检验

每批S690QL钢板应按炉号进行熔炼分析，分析方法可采用直读光谱法。C、Si、Mn、P、S及Cr、Ni、Mo、Nb、V、Ti、B等关键元素的含量应在质保书中明确体现。高品质产品要求P≤0.010%、S≤0.005%。

8.2 力学性能检验

拉伸试验：取样方向为横向，测试屈服强度、抗拉强度和断后伸长率。不同厚度区间对应不同的强度要求。S690QL标准要求Rm=770-940MPa，ReH≥690MPa（≤65mm），A≥14%。

冲击试验：取样方向为纵向和横向，试验温度为-40℃，三个试样冲击吸收功的平均值应≥40J（纵向）、≥30J（横向）。

硬度试验：HV10硬度应满足设计要求。DNV-OS-C401标准要求焊接接头硬度≤420HV10。

8.3 无损检测

S690QL钢板应根据用户要求在技术协议中明确探伤要求。专利技术产品按EN 10160进行探伤，达到S1/E1标准的比例为100%，S2/E3标准的比例为90%。

8.4 模拟焊后热处理验证

对于焊接结构件，应在技术协议中明确模拟焊后热处理制度。研究表明，当PWHT温度不宜超过550-600℃，以避免回火软化。

采购与验收注意事项

为保证S690QL钢板质量满足工程要求，建议采购方在技术协议中明确以下要点：

牌号与标准：明确指定S690QL，注明执行标准EN 10025-6:2019。如需更低温度冲击，应指定S690QL1（-60℃）。

交货状态：明确调质（Q+T）状态交货。调质状态是S690QL的核心特征。

厚度规格与公差：明确公称厚度、宽度、长度及允许偏差范围。常规厚度8-250mm，特厚板需单独协商。

化学成分要求：明确CEV≤0.65%、Pcm≤0.31%的关键要求。

力学性能要求：明确拉伸性能的厚度分组、-40℃冲击功验收值（≥40J纵向）。

探伤要求：明确探伤方法（超声波）、执行标准和合格级别。重要用途建议100%探伤、EN 10160 S1/E1级合格。

焊接工艺评定：建议采购方在技术协议中明确焊接工艺评定标准（EN 1011-2）、预热温度（130-200℃）、层间温度（≤250℃）和热输入控制（≤2.5 kJ/mm）要求。

质保书要求：要求供方提供符合EN 10025-6标准的质保书，包含炉批号、化学成分（含碳当量CEV）、力学性能（含-40℃冲击值）及热处理记录的完整信息。