LPG燃料罐用鋼VL4-4的成分和性能研究

滕 達，張曉雪，陳林恒，趙晉斌

(南京鋼鐵股份有限公司 江蘇省高端鋼鐵材料重點實驗室，江蘇 南京210035)

0 引言

液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas，LPG)作為一種潔凈環(huán)保燃料，一直受到大家青睞。隨著《2020年全球船用燃油限硫令實施方案》的頒布實施，清潔能源需求突顯，LPG的生產(chǎn)、運輸、儲存等受到廣泛重視。一大批現(xiàn)有船舶將改用LPG燃料以滿足新的要求，因此帶來大量的LPG燃料罐需求。LPG主要成分為丙烷和丁烷的混合物，還伴有少量的丙烯和丁烯等。LPG采用低溫加壓狀態(tài)儲存，液罐的設(shè)計溫度通常為-40～-55 ℃，因此要求燃料罐用鋼具有良好的強韌性匹配，以及-60～-80 ℃甚至-100 ℃的低溫韌性，并且鋼板的焊接性和加工性能等綜合性能優(yōu)異。

本文以LPG燃料罐用鋼為研究對象，首先進行LPG燃料罐用鋼的化學成分設(shè)計，并分析其母材組織特征和力學性能等，其次重點研究鋼板焊接工藝和焊接接頭的組織及性能，為國內(nèi)LPG燃料罐用鋼的應用推廣提供借鑒和參考。

1 化學成分設(shè)計及力學性能標準

LPG燃料罐用鋼板VL4-4采用新一代熱機械控制工藝(Thermo Mechanical Control Process，TMCP)生產(chǎn)，在鋼坯成分、潔凈度及鋼板的內(nèi)在質(zhì)量和均勻性控制方面要求嚴格，通過低碳、添加少量Nb+Al+Ti微合金細化晶粒元素的成分設(shè)計思路，獲得超細化組織，鋼板最大厚度達到40 mm。VL4-4的成分設(shè)計和力學性能要求分別見表1和表2。

表1 VL4-4成分設(shè)計

LPG燃料罐用鋼VL4-4鋼板強度富裕量適中且屈強比在0.80以下，可以在保證強度的同時提高結(jié)構(gòu)安全性。鋼板的低溫沖擊韌性優(yōu)異，20 mm和40 mm鋼板-70 ℃低溫沖擊功可達到300 J以上，遠高于標準要求。VL4-4鋼板系列溫度的低溫沖擊試驗結(jié)果見圖1，40 mm鋼板在-60～-100 ℃范圍內(nèi)沖擊功保持在250 J以上，其韌性轉(zhuǎn)變溫度在-100 ℃以下。20 mm和40 mm鋼板無塑性轉(zhuǎn)變(Nil-Ductility Transition，NDT)沖擊試驗結(jié)果見表3。從表中可知，-60～-80 ℃的NDT均為合格，表明鋼板的低溫韌性優(yōu)異，其無塑性轉(zhuǎn)變溫度(Nil-Ductility Transition Temperature，NDTT)≤-80 ℃。

40 mm VL4-4的金相照片見圖2，顯微組織由鐵素體+珠光體+少量貝氏體組成。鐵素體晶粒尺寸細小，晶粒度可達到11級以上，保證了鋼板的強度和優(yōu)異的低溫韌性。

表2 LPG燃料罐用鋼VL 4-4力學性能

圖1 40 mmVL4-4系列低溫沖擊

表3 VL4-4 NDT落錘性能

圖2 40 mm VL4-4金相照片(板厚1/4處的金相)

2 焊接性能

考慮LPG燃料罐在低溫高壓下服役，其焊接接頭的整體性能直接影響罐體的服役壽命，焊接性能在評價材料質(zhì)量上也越來越受重視。采用埋弧焊方法對鋼板進行焊接性能評定，焊接鋼板選用40 mm厚VL4-4，焊縫型式為對接焊縫，坡口型式采用K型缺口。焊接接頭示意圖見圖3，圖中1～11表示焊道順序。焊接工藝參數(shù)見表4。

由于采用低碳成分設(shè)計，低溫鋼可在不預熱的情況下進行焊接。在50 kJ/cm的線能量下，焊接接頭粗晶區(qū)組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體，見圖4。粗晶區(qū)內(nèi)沿原始奧氏體晶界分布著多邊形鐵素體組織，晶內(nèi)為板條貝氏組織，在微合金晶粒細化元素的作用下，粗晶區(qū)組織沒有出現(xiàn)異常粗化的現(xiàn)象，保證了焊接接頭的強度和低溫韌性。粗晶區(qū)內(nèi)沒有生成馬氏體等硬相組織，從而避免了焊接接頭的硬化。焊接接頭拉伸、彎曲、沖擊和硬度等試驗數(shù)據(jù)見表5。焊接評定結(jié)果表明：低溫鋼焊接接頭的熔合線(Fusion line，F(xiàn)L)、FL+1 mm、FL+3 mm、FL+5 mm位置的-60 ℃低溫沖擊功大于150 J，焊接性能優(yōu)異，完全符合LPG燃料罐的要求。

圖3 焊接接頭示意圖

表4 試板焊接參數(shù)

圖4 焊接接頭的顯微組織(熔合線+粗晶區(qū))

3 裂紋尖端張開位移性能

鋼板母材和焊接接頭的裂紋尖端張開位移(Crack Tip Opening Displacement，CTOD)性能見表6。

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是指裂紋體受張開型載荷后原始裂紋尖端處兩表面所張開的相對的距離，其值越大表示材料抗開裂性能越好。實驗結(jié)果表明：VL 4-4鋼板母材和焊接接頭的CTOD性能優(yōu)異，抗開裂性能優(yōu)異。

表5 焊接接頭性能

表6 母材CTOD性能

4 結(jié)論

(1)LPG燃料罐用鋼VL4-4采用低碳、Nb+Al+Ti微合金成分設(shè)計，以TMCP工藝生產(chǎn)，具有超細化的鐵素體+珠光體+少量貝氏體組織，鋼板具有良好的強韌性，-60～-100 ℃優(yōu)異的低溫沖擊、NDTT溫度低于-100 ℃，鋼板具有良好的韌性和抵抗裂紋擴展的能力。

(2)鋼板具有良好的焊接性能，在50 kJ/cm的線能量下，焊接接頭粗晶區(qū)組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體，焊接接頭沒有出現(xiàn)軟化和硬化，焊接接頭-60 ℃低溫沖擊和CTOD性能優(yōu)異，完全符合建造和使用要求。