國內(nèi)外LNG儲罐用9%Ni鋼的性質(zhì)比較

柳智(中石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司，山東 青島 266400)

0 引言

隨著世界天然氣產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)作為一種清潔能源，憑借自身優(yōu)勢成為國際天然氣貿(mào)易的重要部分。對國外生產(chǎn)9%Ni鋼的大型鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)比利時(shí)INDUSTEEL公司、日本新日鐵公司和國內(nèi)生產(chǎn)9Ni鋼的大型鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)太原鋼廠、南京鋼廠、鞍山鋼廠進(jìn)行技術(shù)調(diào)研、考察各廠家的9%Ni鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能及內(nèi)在質(zhì)量，對比如下。

1 化學(xué)組成對比

9%Ni鋼是世界公認(rèn)生產(chǎn)難度最大的鋼種之一，國內(nèi)外生產(chǎn)9%Ni鋼的廠家通過控制超低磷、超低硫冶煉使成品滿足高強(qiáng)度及-196 ℃超低溫韌性要求[1-2]。一般來說，C可以通過間隙固溶提高強(qiáng)度，但是碳含量高會造成碳化物析出產(chǎn)生孔蝕，焊接性能和冷脆性顯著降低，因此在保證強(qiáng)度的前提下，C應(yīng)該越低越好。Ni為奧氏體穩(wěn)定元素，9%左右的Ni為穩(wěn)定化元素，能提高低溫時(shí)鋼材的強(qiáng)度，降低AC3點(diǎn)，細(xì)化晶粒，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，減輕脆性并改善機(jī)械性能，增強(qiáng)耐酸能力。Mn是奧氏體穩(wěn)定元素，有利于回轉(zhuǎn)奧氏體的穩(wěn)定，也是基體強(qiáng)化元素，可以通過沉淀強(qiáng)化來提高強(qiáng)度，Mn的含量應(yīng)該控制在合理的范圍內(nèi)，過低則強(qiáng)度達(dá)不到要求，過高則形成大尺寸的MnS夾雜物影響焊機(jī)性能和低溫韌性。Si在煉鋼過程中是脫氧元素，對降低9Ni鋼中有害元素0含量非常重要，Si同時(shí)可以提高強(qiáng)度，但含量也應(yīng)該控制在合理的范圍內(nèi)。Cr在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，能顯著提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時(shí)降低塑性和韌性。Cr又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。S、P為有害元素，S易與金屬元素Mn形成MnS，P容易在晶界偏聚降低晶界抗裂紋擴(kuò)展能力，降低低溫韌性。對低溫韌性有害的元素，應(yīng)將其控制在最低值。國內(nèi)外各廠家9%Ni鋼成品化學(xué)成分和中國石化物資采購技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《16萬m3全容式LNG儲罐用06Ni9DR鋼板》對個(gè)化學(xué)成分要求標(biāo)準(zhǔn)見表1。從表1中可以看出，國內(nèi)外的5家成產(chǎn)廠家均達(dá)到中國石化物資采購技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)與國外的鋼板相比化學(xué)成分差別不大，國內(nèi)鋼板在S成分的控制上還有待提高。

2 熱處理及金相組織對比

中國石化物資采購技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《16萬m3全容式LNG儲罐用06Ni9DR鋼板》鋼板的交貨狀態(tài)要求鋼板應(yīng)采用電爐冶煉或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉，并采用爐外精煉加真空脫氣工藝生產(chǎn)。鋼板應(yīng)為鎮(zhèn)靜鋼，并應(yīng)做細(xì)化晶粒處理，采用連鑄工藝，技術(shù)條件所規(guī)定的鋼板生產(chǎn)工藝不應(yīng)有較大變化。供貨的所有鋼板其主要元素(C、Ni、P、S)的成分范圍應(yīng)盡可能小，以保證鋼板性能的穩(wěn)定和一致性。鋼板的交貨狀態(tài)為淬火+回火(QT)，回火溫度應(yīng)限制在540～600 ℃之間，允許在淬火和回火工序之間增加一道臨界淬火，即QLT或QQ’T工藝。不允許采用兩次正火+回火(NNT)工藝。為淬火+回火(QT)，回火溫度應(yīng)限制在 540～600 ℃之間，允許在淬火和回火工序之間增加一道臨界淬火，即QLT或QQ’T工藝。不允許采用兩次正火+回火(NNT)工藝[3-4]。國內(nèi)外生產(chǎn)9%Ni鋼板的供貨鋼廠采用的熱處理工藝參數(shù)見表2。

表1 國內(nèi)外各廠家9%Ni鋼成品化學(xué)成分對比 單位：wt%

表2 9%Ni鋼材交貨狀態(tài)

3 力學(xué)性能對比

國內(nèi)外各個(gè)生產(chǎn)廠家的9%Ni鋼材常規(guī)力學(xué)性能應(yīng)符合表3中物資采購標(biāo)準(zhǔn)的的數(shù)值要求。從表3可以看出各個(gè)生產(chǎn)廠家的9%Ni鋼板的力學(xué)性能均達(dá)到物資采購的標(biāo)準(zhǔn)，與國外生產(chǎn)廠家相比，國產(chǎn)的9%Ni鋼在拉伸實(shí)驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)中表現(xiàn)出來的力學(xué)強(qiáng)度能和國外廠家已經(jīng)與國外產(chǎn)品接近。

4 配套焊材的情況

-196 ℃以下的脆性轉(zhuǎn)變溫度為9%Ni鋼板的手工焊接溫度，焊前正火后再進(jìn)行高溫回火(或900 ℃水淬后570 ℃回火)，9%Ni鋼板焊接的關(guān)鍵有幾點(diǎn)，分別是焊接韌性的保證、接頭強(qiáng)度和焊接缺陷的控制。當(dāng)選擇焊接材料時(shí)注意以下幾點(diǎn)：

(1)焊接前注意對9%Ni板的保護(hù)，前嚴(yán)禁接觸磁性材料，避免在直流電焊接產(chǎn)生電弧偏吹等情況，影響焊接質(zhì)量。

(2)采用與9%Ni鋼相近的焊接材料時(shí)，焊后要熱處理，以保證焊縫的低溫韌性，采用高鎳焊接材料進(jìn)行焊接。

(3)9%Ni鋼焊接前不能預(yù)熱，高鎳奧氏體類型的焊接材料強(qiáng)烈晶粒長大傾向，為保證焊接接頭的低溫韌性要控制層間溫度，避免焊接接頭過熱、晶粒長大。

(4)合理選擇焊接線能量，其關(guān)系到焊接接頭的組織、晶粒粗細(xì)和焊接接頭的性能。500 ℃的焊接熱循環(huán)對焊接接頭的強(qiáng)度和焊接韌性沒有太大影響；900～1200 ℃的焊接熱循環(huán)，會使晶粒長大到原來的3～5倍，導(dǎo)致接頭的低溫韌性明顯下降，所以，嚴(yán)格控制焊接熱輸入并控制和調(diào)節(jié)焊后冷卻速度。

表3 國內(nèi)外生產(chǎn)廠家9%Ni鋼材的常規(guī)力學(xué)性能對比

目前國內(nèi)在建的LNG項(xiàng)目內(nèi)罐9%Ni鋼焊接材料國外采購居多，焊條型號一般為ENiCrMo-6；焊絲型號一般為ERNiCrMo-3和ERNiCrMo-4，且后一種焊絲牌號應(yīng)用最普遍。通過實(shí)踐證明，無論是國內(nèi)或者國外鋼板使用以上焊接材料獲得焊接接頭性能都能達(dá)到規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 供貨商業(yè)績對比

在業(yè)績方面，國外的Industeel和新日鋼生產(chǎn)的9%Ni鋼已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，控制了主要的國際市場，國內(nèi)太鋼和南鋼生產(chǎn)的9%Ni鋼已應(yīng)用于中石油在大連和江蘇等LNG儲罐上，在使用效果上目前還未發(fā)現(xiàn)什么問題?？傮w來說，國產(chǎn)9%Ni鋼已基本達(dá)到應(yīng)用于大型LNG儲罐上的要求。

6 結(jié)語

(1)國內(nèi)鋼板的S、P含量比國外要高，合金成分控制方面稍差，各種性能指標(biāo)比國外鋼板稍差，但也能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

(2)與國外生產(chǎn)廠家相比，國產(chǎn)的9%Ni鋼在拉伸實(shí)驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)中表現(xiàn)出來的力學(xué)強(qiáng)度能和國外廠家已經(jīng)與國外產(chǎn)品接近。

總體來說，國產(chǎn)9%Ni鋼已基本達(dá)到應(yīng)用于大型LNG儲罐上的要求。