LNG低溫高錳奧氏體鋼材料應用研究概述

孫淑俠

(武漢船舶職業(yè)技術學院，湖北武漢 430050)

巴黎協(xié)定后，國際海事組織(IMO)第72屆海上環(huán)境保護委員會通過了國際海運溫室氣體減排初步戰(zhàn)略目標。為實現(xiàn)減排目標，現(xiàn)階段采用液化天然氣(LNG)等清潔能源是業(yè)界普遍接受的方式[1]。LNG船舶運輸和燃料應用需求越來越廣泛，相較傳統(tǒng)9Ni、奧氏體不銹鋼[2]等成本效益有望提高53%以上的高錳奧氏體鋼的應用得到廣泛關注。

1882年，英國冶金學家Robert Abbott Hadfield發(fā)現(xiàn)將鋼中含錳量添加至12%以上，經(jīng)處理后能夠得到單一的奧氏體組織，在高應力、強沖擊的工況下顯現(xiàn)出良好的耐磨性能，并發(fā)現(xiàn)高錳鋼特殊的硬度和磁學性能[3-4]。自此以后，高錳鋼被廣泛應用在耐磨鋼、高強度汽車鋼和無磁鋼等領域，但高錳鋼一直未應用于LNG儲運的超低溫領域。LNG具有可燃性和超低溫性，LNG儲罐制造技術是船舶制造中最頂尖的技術之一，人們在利用高錳奧氏體鋼作為LNG低溫材料時要重點考慮安全性。

無鎳高錳奧氏體鋼可以大幅度降低LNG裝備成本，且高錳奧氏體鋼是面心立方晶體結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的塑韌性，在低溫應用中具備很好的潛力。鑒于高錳奧氏體鋼極少應用于船舶LNG領域，如何安全可靠地在船舶上應用一直是業(yè)界關注的問題，為此，國際海事界開展了深入的研究，并在國際海事組織和國際船級社協(xié)會等國際組織協(xié)調(diào)下，設立專家組，討論高錳奧氏體鋼船用的適應性，以控制高錳奧氏體鋼應用帶來的安全風險。我國相關高校、研究院所、鋼企也開展了相關研究。本文通過對高錳奧氏體鋼在LNG低溫儲罐中的應用研究情況進行分析，旨在更好地了解國內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀，借鑒經(jīng)驗。

1 高錳奧氏體鋼的基本情況

作為LNG低溫材料，高錳奧氏體鋼在-196℃超低溫下應具備良好的抗脆斷能力，同時具備良好的加工性能，包括具備良好的可焊性和變形后性能不損失的能力。高錳奧氏體鋼中加入質(zhì)量分數(shù)22%以上的錳，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)低溫鋼中使用的鎳，并加入0.4%左右的碳，由于碳與錳作為促進奧氏體形成元素，并通過添加一定的Cr、Cu、B、N等元素[5]，具體化學成分詳見表1，以保證鋼的奧氏體組織，提高其低溫韌性。

根據(jù)國際海事組織發(fā)布的MSC.1/Circ.1599通函有關“用于低溫環(huán)境的高錳奧氏體鋼應用臨時指南”[6]中對高錳奧氏體鋼力學性能的規(guī)定，其主要力學性能指標要求詳見表2。大生產(chǎn)的高錳奧氏體鋼具有良好的強度，屈強比一般可達50%，延伸率一般在40%以上，-196℃沖擊功可達100J左右，機械性能優(yōu)良。

表2 高錳奧氏體鋼的力學性能

2 國外研究情況

2.1 鋼材研究情況

在高錳奧氏體鋼用作低溫LNG材料方面國外已經(jīng)開展了相對深入的研究，其中以韓國的研究應用居多[7]，資料顯示，最初他們通過將高錳奧氏體鋼與現(xiàn)有成熟的奧氏體不銹鋼和9Ni進行對比研究，發(fā)現(xiàn)高錳奧氏體鋼具有與9Ni、STS304等傳統(tǒng)低溫材料相當?shù)男阅?，具備較好的低溫適應性。通過拉伸試驗對比，其應力應變曲線與STS304相似，無明顯屈服，且屈服強度介于STS304和9Ni之間，其低溫強度有明顯上升，如圖1。-196℃的沖擊性能優(yōu)良，與9Ni相當，達到150J左右，具有良好的沖擊韌性，-196℃斷口呈韌性，如圖2。在CTOD試驗中，試驗值在0.56mm～0.65mm間，與9Ni相當，如圖3。在裂紋擴展速率試驗中，發(fā)現(xiàn)其擴展速率與9Ni基本相同，且高錳鋼疲勞裂紋擴展門檻應力強度因子幅度小于9Ni，如圖4。在熱膨脹率試驗中，高錳鋼熱膨脹率最低，可以在LNG等低溫介質(zhì)充裝中的溫度場變化中產(chǎn)生最小的熱應力，如圖5。

圖1 高錳鋼的應力應變曲線

圖2 高錳鋼的沖擊值和斷口

圖3 高錳鋼的CTOD

圖4 高錳鋼的da/dN

圖5 高錳鋼的熱膨脹率

在高錳奧氏體鋼焊接材料配套研究方面，韓國開發(fā)了藥芯焊絲電弧焊、埋弧焊和鎢極氬弧焊等焊接材料，經(jīng)過系列工藝試驗，并對焊接接頭開展拉伸試驗、沖擊試驗、裂紋擴展速率試驗、CTOD試驗和應力腐蝕試驗，針對奧氏體鋼熱裂紋傾向敏感，開展了橫向可調(diào)拘束裂紋試驗，試驗表明，高錳鋼具有良好的焊接工藝性能。

在高錳奧氏體鋼的加工工藝性研究方面，由于具有良好的塑韌性和400MPa左右的屈服強度，即使在冷變形時需要更大的工作載荷，仍表現(xiàn)出良好的加工變形能力。為驗證高錳奧氏體鋼的加工性能，韓國建造了一只24m3設計壓力為9bar的圓筒形壓力罐和一只52m3設計壓力為10bar的方形壓力罐，經(jīng)水壓試驗和液氮低溫試驗，無開裂、無滲漏情況出現(xiàn)。

2.2 鋼材應用情況

為研究高錳奧氏體鋼在LNG動力船燃料艙應用情況，積累營運經(jīng)驗，韓國投資建造了一條船名為“Green Iris”5萬噸散貨船，如圖6。該船具備LNG和燃料油雙燃料動力，建造了一個設計壓力為7bar、容量為500m3的高錳奧氏體鋼獨立C性燃料艙，航行于韓國國內(nèi)航線，于2018年3月投入營運，入KR和LR雙重船級[8]。該船為全球首個實現(xiàn)高錳奧氏體鋼船舶應用的案例。

案例庫建設中，采用了“選”、“整”、“合”、“飾”的方式，逐步完善了整個案例庫：“選”就是在大量信息中，選擇適合我校教學實際的案例；“整”就是將選擇的案例按照工藝特點分類整理；“合”就是將案例的背景、分析、適合領域、教學建議整合在一起；“飾”就是給案例做好標記，添加名稱編號等，便于輸入到案例庫框架中。

圖6 Green Iris輪

該燃料罐主要采用板厚為18mm和26mm兩種規(guī)格的高錳奧氏體鋼建造，采用等離子切割和倒邊，罐體和封頭采用冷壓成型方式，主要運用藥芯焊絲氣保焊和埋弧焊完成裝焊，經(jīng)壓力試驗、射線探傷和超聲波探傷等檢驗合格。

通過整理2018年3月至2019年2月約一年的43次每次約265海里的海上航線觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，高錳奧氏體鋼罐內(nèi)平均壓力為3.23bar，最大壓力4.9bar，溫度范圍為-133.5℃～-148.4℃，具有較好的適應性。

除船用外，韓國在陸上LNG儲罐方面開展了一些應用，如符合KGS AC 111的24m3高錳鋼獨立C型罐、實驗室1m3左右的與304開展對比工作的高錳鋼試罐、符合KGS AC 115的10m3陸上LNG終端試驗罐和20萬方陸上LNG終端建造。此外，韓國還在聯(lián)合開展IMO B型LNG艙的生產(chǎn)實踐工作。

2.3 國際標準的研究情況

隨著研究和應用的深入，經(jīng)濟型高錳奧氏體鋼在LNG中的應用引起廣泛關注。國際海事組織于2016年正式將“高錳鋼應用與低溫環(huán)境的適應性”作為議題納入會議討論，并成立國際間專家工作組重點討論高錳鋼作為LNG儲運材料的安全風險、試驗要求和應用要求等，經(jīng)各國專家努力，在2019年1月的MSC100次會議上通過了“低溫環(huán)境的高錳奧氏體鋼應用臨時指南”(MSC.1/Circ.1599)[6]，為指導高錳奧氏體鋼應用提供了很好的指導。該指南主要從材料化學成分、性能指標、試驗要求、儲罐設計強度校核要求、焊接和檢驗等方面做出全面的規(guī)定。目前，IMO正在就高錳奧氏體鋼除LNG以外的應用領域、鋼板厚度范圍、IGC/IGF規(guī)則修訂及其他應用問題開展討論。

基于IMO的研究狀況，國際船級社協(xié)會正在制定高錳奧氏體鋼的檢驗指南，以指導各船級社開展高錳奧氏體鋼的認可和檢驗。

除此以外，在韓國的積極推動下，美國材料試驗協(xié)會通過了《低溫應用壓力容器板.合金鋼和奧氏體高錳鋼的標準規(guī)格》(ASTMA1106/A1106M-2017)[8]；國際標準化組織通過了《船舶和船舶技術.船上液化天然氣儲罐用高錳奧氏體鋼規(guī)范》(ISO 21635-2018)[9]，一定程度上促進了高錳鋼材料的認可和檢驗標準依據(jù)問題。

盡管國際相關組織在標準化方面做出了積極努力，但總體來看高錳奧氏體鋼應用經(jīng)驗仍然較為缺乏，船舶設計和船東選材方面仍缺乏足夠信心。

3 我國研究情況

3.1 鋼材研究情況

3.2 鋼材應用情況

高錳奧氏體鋼相對焊接性能較差，易產(chǎn)生液化裂紋和結(jié)晶裂紋[12-13]。在高錳奧氏體鋼配套焊接材料開發(fā)工作方面，中船重工第725所利用無縫藥芯焊絲制造焊條焊芯、埋弧焊焊絲和氬弧焊焊絲，保證了焊縫熔敷金屬與母材具有相當?shù)幕瘜W成分，與母材具有良好的匹配性，實現(xiàn)電焊條、埋弧焊和氬弧焊等焊接材料的批量化，實物熔敷金屬σ0.2>400MPa、σb>660MPa、AKV>70J，符合IMO臨時導則的技術要求。大西洋也開展了高錳鋼電焊條、埋弧焊絲等研究工作，并實現(xiàn)批量生產(chǎn)。南鋼和武漢科技大學也開展了高錳鋼配套焊接材料的研發(fā)工作并實現(xiàn)配套。

為摸清高錳奧氏體鋼的加工性能，中集宏圖開展了高錳奧氏體鋼制造LNG燃料罐的生產(chǎn)實踐。通過試制一臺5m3的LNG罐，如圖7，驗證鋼材冷變形、封頭制作、焊接性能、低溫性能等，積累一定的制造經(jīng)驗。LNG罐經(jīng)過水壓試驗、無損檢測和液氮充裝試驗結(jié)果良好，表明高錳奧氏體鋼具有較好的低溫性能。

圖7 高錳奧氏體鋼試罐

3.3 標準的研究情況

依托“十三五”重點研發(fā)計劃，東北大學正牽頭起草《低溫壓力容器用高錳鋼鋼板》國家標準[12]。該標準主要綜合國內(nèi)外LNG儲罐用高錳奧氏體鋼研究開發(fā)情況和用戶使用要求作為制定依據(jù)，并參考、借鑒、吸收了GB24510-2009、GB3531、ASTM A1106/1106M、中國船級社《材料與焊接規(guī)范》等要求。

結(jié)合國家項目和我國行業(yè)研究的情況，中國船級社正組織編制《高錳奧氏體低溫鋼應用指南》，該指南從高錳鋼鋼板技術要求、配套焊材技術要求、應用評估要求及儲罐制造等提出要求，一定程度上指導了高錳鋼應用的關鍵技術問題。

舞陽鋼鐵公司、中船集團第725所也在積極推進高錳鋼鋼板、焊接材料等的團體標準編制工作，對高錳鋼應用技術標準體系做了很好的補充。

4 討 論

從國內(nèi)外研究情況來看，船舶行業(yè)對于高錳奧氏體鋼在LNG領域的應用做了大量基礎工作，結(jié)合國際討論的焦點，我國應用研究時主要遇到了沒有高錳奧氏體鋼安全評估試驗項目和衡準要求、高錳奧氏體鋼基礎研究投入不足、配套焊材和焊接工藝能力研究薄弱以及工程應用實踐欠缺等問題，針對問題討論如下：

(1)建立合適的高錳奧氏體鋼安全評估試驗項目和衡準要求。目前IMO是在比較傳統(tǒng)的低溫材料如9Ni鋼或304不銹鋼的基礎上建立評估試驗項目和衡準要求，且基于材料專業(yè)經(jīng)驗基礎上提出附加的試驗要求和衡準要求。如提出低溫拉伸、系列溫度沖擊、時效沖擊、S-N曲線、裂紋疲勞擴展試驗、CTOD試驗、晶間腐蝕試驗、應力腐蝕試驗等，另外還需對焊接接頭開展系列試驗，以驗證焊接性。在實際工程應用過程中，具體在工廠認可檢驗時，仍不夠聚焦，試驗成本很高，下一步應進一步積累試驗數(shù)據(jù)，建立合適的試驗項目和衡準要求，推進產(chǎn)業(yè)化，真正節(jié)省使用成本。

(2)加強高錳奧氏體鋼基礎研究，建立鋼材在不同溫度下的金相圖譜，研究奧氏體鋼組織的轉(zhuǎn)變規(guī)律，低溫條件下的組織性能特點，開展不同回火溫度對材料組織性能的影響分析等，為工程應用提供理論依據(jù)。

(3)推動焊材配套能力和焊接工藝研究，開發(fā)適應不同焊接方法的全位置焊接材料，研究高效質(zhì)量穩(wěn)定的焊接工藝，有助于高錳奧氏體鋼材料的進一步應用。

(4)開展不同LNG儲艙形式的工程實踐，研究基于高錳奧氏體鋼材料的主要結(jié)構(gòu)評估方法，如疲勞強度評估、裂紋擴展評估、斷裂力學評估，研究適宜的安全準則。開展C型獨立艙、B型艙等不同形式的高錳奧氏體鋼工程實踐，積累鋼材加工和制造中的經(jīng)驗。

5 展 望

高錳奧氏體鋼作為LNG低溫材料具有良好的市場前景，隨著LNG船舶建造技術的發(fā)展，其應用研究越來越多?？梢灶A見，隨著國際規(guī)則和相關技術標準的推進，高錳奧氏體鋼將得到大規(guī)模的應用。下一步隨著高錳奧氏體鋼應用研究的深入，進一步開發(fā)出高錳奧氏體鋼管材、型材，適應各種用途；隨著不同艙型的研發(fā)和技術攻關，逐漸實現(xiàn)燃料艙和貨艙的獨立C型艙、B型艙等應用；高錳奧氏體儲艙貨物適應性也會進一步提升，可能會適應丙烷、乙烯、液氨、液態(tài)二氧化碳等其他低溫貨物；隨著高錳奧氏體鋼應用的深入，有望實現(xiàn)LNG全產(chǎn)業(yè)鏈低溫環(huán)境應用。