液化氣船獨立C型液罐主體材料的選擇和應用

張朝華，馮大成，華學明

（1. 上海交通大學 上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3. 上海鎧韌氣體工程有限公司，上海 200441）

工藝與材料

液化氣船獨立C型液罐主體材料的選擇和應用

張朝華1,2,3，馮大成1,2,3，華學明1,2

（1. 上海交通大學 上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3. 上海鎧韌氣體工程有限公司，上海 200441）

介紹C型液罐的定義和分類。根據(jù)液貨的種類和液化方式，確定設計最低溫度，從而選擇液罐的主體材料。列舉液罐的4種典型主體材料，并闡述其在工程應用中獨特的使用性能和質量要求。

液化氣船；獨立C型液罐；材料

0 引 言

液化氣作為重要的工業(yè)和民用燃料及有機化學原料，在世界能源結構中占有十分重要的地位。隨著世界氣體能源需求日益增多，液化氣的海運量逐年增長。因此，液化氣船具有較好的市場前景，且其作為高技術、高附加值船舶，可獲得較好的經濟效益。

世界各大船級社的最新資料顯示：當前液化氣船的數(shù)量及總裝容量正在不斷增長，出于經濟性考慮，在中長距離干線上運營的液化氣船正朝著大型化方向發(fā)展；而短途運營的液化氣船正朝著環(huán)保、節(jié)能、輕便的方向發(fā)展。這種發(fā)展趨勢對液罐（又稱液貨艙）用鋼提出了更高的要求，不僅要求鋼板具有很高的強度，而且要求鋼板具有優(yōu)良的低溫韌性、加工性和焊接性。

根據(jù)當前的行業(yè)發(fā)展情況，中小型液化氣船一般指貨物裝載容積＜100000m3的液化氣船，常用的貨艙類型是獨立C型（即壓力容器型）。目前，只有少數(shù)國家具有設計和建造船用獨立C型液罐的能力。船用獨立C型液罐在使用溫度和壓力等方面有很多特殊要求，因此研究和總結如何正確選擇其主體材料，并使其滿足使用要求，顯得尤為重要。

1 液化氣船獨立C型液罐的定義和分類

按照《國際散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規(guī)則》[1]（即IGC規(guī)則）的規(guī)定，液化氣體船有獨立液貨艙、薄膜液貨艙、半薄膜液貨艙、整體液貨艙和內部絕熱液貨艙等5種貨物圍護系統(tǒng)，其中獨立液貨艙和薄膜液貨艙是較常用的液貨艙。

獨立液貨艙系指自身支持的液貨艙，不構成船體結構的一部分。獨立液貨艙又分為A型、B型和C型等3類。獨立C型液罐的設計、建造、檢驗和試驗符合壓力容器標準，適用范圍廣，不需要次屏壁，是中小型液化氣船較常采用的貨物圍護系統(tǒng)。按照液化氣液化方式的不同，該型液罐又分為全壓式C型液罐和半冷半壓式C型液罐。

1) 全壓式C型液罐裝載的氣體只能通過加壓來液化，船上不設置再液化設備，貨物裝載時的溫度和壓力不可調，可裝載貨物的種類有限。該液罐的設計壓力≤1.8MPa，設計溫度≥-10℃，主要用來裝載液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas，LPG）和氨，船舶最大裝貨容積約為7000m3；其結構通常為圓筒形或球形壓力容器，外表面無須敷設隔熱絕緣。

2) 半冷半壓式C型液罐裝載的氣體可通過制冷和（或）加壓來液化，船上設有再液化設備，可根據(jù)不同貨物的需要調整貨物裝載時的溫度和壓力，可裝載的貨物種類較多，適應性較強。該液罐的設計壓力為0.3～0.8MPa，根據(jù)所裝載貨物的類型，典型的設計最低溫度有-163℃（以適應近年來在我國市場迅速增長的液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）并兼容液化乙烯、乙烷氣（Liquefied Ethylene/Ethane Gas，LEG）和LPG），-104℃（以適應LEG并兼容LPG）和-48℃（以適應LPG）等3種。船舶裝貨容積多為3000～30000m3，當前有36000m3及85000m3裝貨容積的船舶正在研發(fā)和建造中。該液罐的結構通常為圓筒形壓力容器，為充分利用船體空間，常采用雙聯(lián)甚至三聯(lián)圓筒形結構，外表需敷設隔熱絕緣。

2 液化氣船獨立C型液罐主體材料的選擇

在滿足一定強度要求的前提下，C型液罐主體材料最重要的性能要求是抗低溫脆性破壞, 保證在使用溫度下具有足夠的低溫韌性。

由于歐洲研發(fā)和應用船用C型液罐較早，且長期占據(jù)領先地位，加上其材料標準體系完整、應用廣泛，因此國際船用液罐行業(yè)在選用主體材料時，通常選用歐洲的壓力容器所用鋼板標準。

根據(jù)上述C型液罐的分類，以設計最低溫度為基準，結合常用歐洲鋼材標準和設計壓力等因素，可較為合理地選擇和確定C型液罐的主體材料。現(xiàn)對C型液罐常用的4種典型主體材料及其選擇因素進行歸納和整理，見表1。

表1 C型液罐典型主體材料及其選擇因素

表1中：EN 10028-6為壓力容器用淬火加回火可焊接細晶粒鋼；EN 10028-4為壓力容器用鎳合金低溫鋼。從表1中可看出：全壓式液罐由于設計壓力大，不僅筒體較厚，而且鋼板的屈服強度較高（為690MPa），僅從材料質量方面考慮，沒有半冷半壓式液罐經濟；而對于半冷半壓式液罐，隨著設計最低溫度的降低，鋼板所需鎳合金越來越多，既能保證足夠的低溫韌性，同時可使強度得到提高，筒體所需厚度有逐步下降的趨勢。

3 液化氣船獨立C型液罐主體材料的使用性能和質量要求

鑒于上述液罐常用材料均為標準材料，其使用性能在EN 10028-6和EN 10028-4上都可查詢，因此以下主要結合IGC規(guī)則、船級社規(guī)范和工程實踐分析這些鋼材的通用要求、特殊要求及質量要求，以便更好地指導工程應用。

3.1 冶煉方法

由氧氣轉爐或電爐冶煉，并進行爐外精煉，全鎮(zhèn)靜處理。

3.2 交貨狀態(tài)

13MnNi6-3為正火或正火加回火狀態(tài)，其他3種一般為調質（即淬火加回火）狀態(tài)，以細化晶粒、均化組織，獲得良好的低溫韌性。

目前該行業(yè)也有引入交貨狀態(tài)為熱機控軋鋼板的產品實例。與同強度級別調質鋼相比，熱機控軋鋼具有更低的碳含量和碳當量、更好的塑性，除特厚鋼板外，焊接時通常無須預熱。

3.3 化學成分

冶金機理和措施如下。

1) 提高低溫鋼韌性的措施：具有體心立方晶格的材料（α-Fe）均有低溫冷脆現(xiàn)象，而面心立方晶格的材料如Al，Cu，Ni，奧氏體不銹鋼（γ- Fe）等均無低溫冷脆現(xiàn)象。Ni和Mn可擴大奧氏體相區(qū)，若Ni 含量增大到20%以上，可使奧氏體相區(qū)擴大到常溫。Mn同Ni一樣，能使鋼的相變溫度下降，對降低脆性轉變溫度是有效的。

2) 固溶強化和晶粒細化：低溫用鋼一般通過合金元素 Ni和 Mn的固溶強化；通過加入 V，Al，Nb及Ti 等合金元素形成穩(wěn)定的氮化物，達到細化晶粒的目的。同時，還應提高Mn與C的比值，降低含C量，從而得到較低的脆性轉變溫度。

3) 增加鋼材中的Ni含量：與無Ni鋼相比，含Ni鋼具有較小的屈強比鋼材的屈強比越大，表明其塑性變形能力儲備越小，越易促使脆性斷裂。由于Ni的加入，含Ni鋼的屈強比優(yōu)于無Ni鋼，使低溫韌性得到顯著改善。

4) 提高鋼材的純凈度：為充分發(fā)揮 Ni在鋼中的有利作用，在提高Ni含量的同時，降低C含量和嚴格限制S及P的含量。

特別地，針對P690QL2，在滿足標準要求的范圍內，其C含量、C當量、S含量和P含量越少越好，以獲得較好的焊接性；而Ni含量越多越好，以獲得較好的低溫韌性。

3.4 力學性能

除滿足船級社規(guī)范的要求外，強度、延伸率和沖擊功最好具有足夠的富余量，屈強比不宜過大，橫向沖擊功平均水平最好＞40J，沖擊試驗溫度須按IGC規(guī)則的要求選擇（見表2）。

表2 C型液罐典型主材的沖擊試驗溫度 ℃

對于X12Ni5和X7Ni9，其每一爐批鋼板中的最厚板（厚度＞13mm或＞16mm）須根據(jù)EN 10274[4]進行落錘試驗。

特別地，對于雙聯(lián)甚至三聯(lián)圓筒形液罐的專有結構縱艙壁，所用鋼板須具有Z25性能，按EN 10164[5]驗收，以保證其板厚方向的塑性。

3.5 工藝性能

1) 機加工：X12Ni5和X7Ni9由于含有較多的鎳合金，在機加工時易粘連刀具，可通過減少刀頭進給量和增大機床夾具回轉速度等措施來改善。

2) 冷成型：對于P690QL2和13MnNi6-3，若加工變形度超過2%，則需消除應力熱處理；對于X12Ni5和 X7Ni9，若加工變形度超過 5%，則需消除應力熱處理。熱機控軋鋼板在加工后應盡量避免熱處理。焊接試驗做冷彎項目時，對于P690QL2，彎曲直徑為6倍試樣厚度；其他3種材料，彎曲直徑為4倍試樣厚度；X12Ni5和X7Ni9材料，少數(shù)船級社規(guī)范甚至要求彎曲直徑為3倍試樣厚度。

3) 熱成型：熱成型工藝包括初始溫度、加熱速度、加熱溫度、保持時間、冷卻速度、加熱冷卻方法和均勻度等，應按照相關船級社規(guī)范或壓力容器標準執(zhí)行。原始供貨為正火或正火加回火的鋼板，工件成型后只需在靜止空氣中冷卻，無須進行熱處理。原始供貨為調質（即淬火加回火）鋼板，成型后需按鋼廠熱處理工藝制度重新進行調質熱處理。

4) 焊接性：由于有關高強鋼和低溫鋼焊接的研究較多，這里不再贅述。值得關注的是：C型液罐的焊接工藝正朝自動化和機械化方向發(fā)展；焊接材料，尤其是國產化和氣保焊絲的開發(fā)是需加強研究和發(fā)展的領域。

3.6 鋼板外形和尺寸公差

鋼板外形公差即不平度、鐮刀彎和切斜（脫方），尺寸公差即厚度、寬度和長度的公差，二者測量和驗收的標準遵照EN 10029[6]。液罐受壓元件（即殼體鋼板）的厚度公差皆為C級（即正公差），其他部位鋼板的厚度公差可為A級（即非對稱正負公差）。

3.7 表面質量

鋼板的表面質量標準應不低于EN 10163-2[7]Class B Subgroup 2的要求。鋼板的表面不得有裂紋、結疤、拉裂和夾雜，且不得有分層。行業(yè)應用中更嚴格的要求是：每張鋼板的表面最終瑕疵面積不得超過3%，且表面有瑕疵的張數(shù)不得超過總張數(shù)的 3%。鋼廠只能用修磨方法對鋼板表面的局部缺陷進行清除，且不得使鋼板的厚度小于最小允許厚度。除非供需雙方同意且在合同中注明，否則不允許焊補。

3.8 內部質量

對于鋼板的內部質量，鋼廠應按照標準EN 10160[8]對每張鋼板進行超聲波檢測，板體區(qū)域按Class S1（縱艙壁所用鋼板按Class S2）驗收，板邊區(qū)域按Class E3驗收。

特別地，對于X7Ni9鋼板，為避免后期焊接施工時其剩磁引發(fā)電弧偏吹，板材既不能采用磁鐵吊運，也不能存放在高壓電線或大型電機設備附近。應避免采用電機車鐵路運輸或其他有可能增加磁化的運輸方法。鋼板邊緣剩磁須＜50 Gauss。鋼板出廠前，鋼廠須在板材的四角測量剩磁，并記錄到鋼板證書中。

3.9 質量證明書

鋼板的生產和檢驗必須符合船級社規(guī)范的要求，鋼廠交貨時須按照EN 10204[9]Type 3.2的要求提供船級社認可的質量證明書。

質量證明書內容應包含鋼板的牌號、標準、冶煉方法、交貨狀態(tài)、爐批號、規(guī)格尺寸、質量、化學成分、機械性能、外形尺寸檢查、表面質量、內部質量、鋼廠質檢簽名章印及船檢簽名章印等。

3.10 鋼板復查

鋼板運到液罐制造廠后，由其質量管理部門對鋼板進行復查，核對鋼板證書，并復查鋼板外形尺寸和表面質量。鋼板首次應用時，必要時由試驗部門抽查復驗其化學成分和機械性能。若發(fā)現(xiàn)鋼板有質量問題，需及時向物資和技術部門反饋。

4 結 語

液化氣船獨立C型液罐主體材料的選擇、使用性能和質量要求有很多特殊性。在相關工程領域應用該類材料時，大體可參考以上論述來設計和確定材料技術方案。當前，該領域的材料除上述相對較成熟的品種外，主要有高錳低溫鋼和節(jié)鎳低溫鋼2個新的研究發(fā)展方向，值得行業(yè)人士密切關注。

[1]International Maritime Organization. International code for the construction and equipment of ships carrying liquefied gases in bulk: MSC.370(93)[S]. 2014.

[2]European Committee for Standardization. Flat products made of steels for pressure purposes—Part 6: Weldable fine grain steels,quenched and tempered: EN 10028-6:2009[S].

[3]European Committee for Standardization. Flat products made of steels for pressure purposes—Part 4: Nickel alloy steels with specified low temperature properties: EN 10028-4:2009[S].

[4]European Committee for Standardization. Metallic materials—drop weight tear test: EN 10274:1999[S].

[5]European Committee for Standardization. Steel products with improved deformation properties perpendicular to the surface of the product—Technical delivery conditions: EN 10164:2004[S].

[6]European Committee for Standardization. Hot-rolled steel plates 3 mm thick or above—Tolerances on dimensions and shape:EN 10029:2010[S].

[7]European Committee for Standardization. Delivery requirements for surface condition of hot-rolled steel plates, wide flats and sections—Part 2: Plate and wide flats: EN 10163-2:2004[S].

[8]European Committee for Standardization. Ultrasonic testing of steel flat product of thickness equal or greater than 6 mm(reflection method): EN 10160:1999[S].

[9]European Committee for Standardization. Metallic products—Types of inspection documents: EN 10204:2004[S].

Selection and Application of Main Body Material for the Independent Type C Cargo Tank of Liquefied Gas Carrier

ZHANG Zhao-hua1,2,3，F(xiàn)ENG Da-cheng1,2,3，HUA Xue-ming1,2

（1. Shanghai Key Laboratory of Laser Manufacturing and Material Modification, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China；2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration Equipment,
Shanghai 200240, China；3. CRYOLOBE Gas Technology Co., Ltd., Shanghai 200441, China）

This paper introduces the definition and categorization of type C Cargo tanks. According to the type and liquefaction method of the liquid cargo, the minimum design temperature can be determined, whereby the materials for the main body of the tank are selected. Four typical types of main body material are listed, and their unique application performance and quality requirements in engineering applications are elaborated.

liquefied gas carrier; independent type C Cargo tank; material

U663.85；U668

A

2095-4069 (2017) 06-0039-05

2017-03-01

工信部高技術船舶科研項目

張朝華，男，主任工程師，1979年生。2001年畢業(yè)于西華大學焊接專業(yè)，現(xiàn)上海交通大學材料工程專業(yè)工程碩士在讀。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.009