16MnDR在LNG儲罐的應(yīng)用

李博成，張雨，馬媛，周姝娟，閆冀明

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

近年來隨著中國石油產(chǎn)品需求量的大幅提升，LNG儲罐的建造迅速發(fā)展、崛起[1]，我國計(jì)劃建造200多個(gè)特大型LNG儲罐，LNG儲運(yùn)設(shè)施的總投資預(yù)計(jì)可達(dá)1×1012元[2]。市場中的壓力容器設(shè)備常規(guī)用板材Q345R不能滿足設(shè)備在低溫低應(yīng)力條件下的使用要求[3]，在-20～-40 ℃的工況條件下，設(shè)備的主要受壓元件板材只能選用低溫板材或奧氏體不銹鋼，由于不銹鋼造價(jià)過高，使得我國研制出的一種壓力容器用低溫鋼—16MnDR鋼材在-20～-40 ℃的工作溫度范圍內(nèi)突顯出一定的使用優(yōu)勢[3]。16MnDR是在原有的主要強(qiáng)化元素Mn和Si的基礎(chǔ)上，添加Nb、Ni、V等微合金元素，及采用高純潔凈鋼的冶煉方法和微合金化等措施冶煉而成的具有足夠的強(qiáng)度，良好的塑性、低溫沖擊韌性(在-40 ℃的使用溫度下低溫沖擊功Akv≥34 J)和抗焊接冷裂紋性能[4-7]。此外，16MnDR鋼材具有良好的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能，其實(shí)際性能達(dá)到國外先進(jìn)水平鋼廠生產(chǎn)的同類鋼號[8]。目前，16MnDR通常用于液化石油、液氧、液氮、液氨等相關(guān)生產(chǎn)儲存容器、輸送管道以及寒冷地區(qū)服役設(shè)備[9]，是石油化工裝置中廣泛用于制造低溫壓力容器的經(jīng)濟(jì)型碳錳鋼(C-Mn鋼)[4]。

LNG儲罐用材料的正確選擇對于LNG工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性起著至關(guān)重要的作用。由于工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不同，造成各國LNG儲罐用材料的技術(shù)性能指標(biāo)、合金體系及其理論依據(jù)的不同[10]。本文通過分析16MnDR在某16萬立方米儲罐成功應(yīng)用的案例，研究論證16MnDR代替進(jìn)口板材S355J2結(jié)構(gòu)鋼在22萬立方米儲罐中應(yīng)用的可行性及技術(shù)上的可靠性，為國產(chǎn)材料16MnDR在LNG工程的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 16MnDR和S355J2材料對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)體系及特征對比分析

我國常用的低合金板材Q355D和德國的S355J2，美國的ASTM A529MGr50是同一級別，化學(xué)成分略有差異，機(jī)械性能相同。歐標(biāo)牌號S355J2屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼板，執(zhí)行EN 10025—2: 2004，根據(jù)GB/T 1591—2018牌號S355J2對應(yīng)于國標(biāo)牌號Q355D(AR)。S355J2是低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，因其具有良好的強(qiáng)度、沖擊韌性和焊接性能，使得此牌號的鋼板在各個(gè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于橋梁、船舶、重型機(jī)械基礎(chǔ)、海洋石油平臺及其他承受較高載荷的工程與焊接結(jié)構(gòu)件。

NB/T 47014—2011 (JB/T 4708)根據(jù)金屬材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能和焊接性能將焊制承壓設(shè)備用母材進(jìn)行分類、分組，將Q345(GB/T 1591—2018標(biāo)準(zhǔn)已用Q355鋼級替代Q345鋼級)與16MnDR材料歸為同一類別和組別。根據(jù)組別評定規(guī)則，某一母材評定合格的焊接工藝，適用于同類別號同組別號的其他母材[11]。因此，母材S355J2評定合格的焊接工藝，適用于母材16MnDR。

2 試驗(yàn)材料

2.1 化學(xué)成分

根據(jù)GB 3531—2014，16MnDR板材中含有C、Si、Mn、Ni等化學(xué)成分，其中C、S和P元素是鐵礦石中的原有化學(xué)成分，對鋼材而言屬于的雜質(zhì)元素，會增加鋼板的脆性，降低其低溫韌性。由于脆性斷裂為16MnDR的主要失效模式，因此C、S和P元素對鋼板是有害的。但由于這些元素是礦石中固有的不能去除的，故而只能控制其含量。16MnDR中含有的鋼材有益化學(xué)元素—Ni、Mn和Si元素可以提高鋼板的低溫韌性，提高沖擊吸收功，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度[3]。16MnDR和S355J2鋼的化學(xué)成分(熔煉分析)如表1所示[12-13]。

表1 母材16MnDR、S355J2鋼的化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

2.2 力學(xué)性能

根 據(jù)GB 3531—2014、GB/T 1591—2018和BS EN 10025—2: 2004，16MnDR、Q355D(AR)、S355J2鋼的力學(xué)性能如表2所示[12-14]。

表2 16MnDR、Q355D(AR)、S355J2鋼的力學(xué)性能

3 項(xiàng)目實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

某LNG項(xiàng)目接收站工程建設(shè)規(guī)模達(dá)500萬噸/年，包括：LNG專用裝卸碼頭(最大可?？?6.6萬立方米LNG船舶)1座、6座22萬立方米儲罐、配套氣化外輸裝置及公用工程系統(tǒng)等。該儲罐為目前國內(nèi)單個(gè)儲罐容積最大的液化天然氣儲罐，基礎(chǔ)形式為樁基，樁基礎(chǔ)以上主要結(jié)構(gòu)部位為承臺、墻體及穹頂。其結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土筒體，內(nèi)襯鋼結(jié)構(gòu)。內(nèi)罐體結(jié)構(gòu)包括罐底、罐壁、鋁內(nèi)罐吊頂，罐體直徑為86.00 m，儲罐內(nèi)罐墻體相對標(biāo)高為43.60 m，內(nèi)罐凈容量為220 000 m3，鋁吊頂通過吊桿與拱頂骨架連接在一起，主體材質(zhì)為ω(Ni)9%低溫鋼。

儲罐外罐墻體結(jié)構(gòu)包括罐底、罐壁、抗壓環(huán)和拱頂，外罐墻體內(nèi)直徑為88.00 m，儲罐外罐墻體相對標(biāo)高為51.60 m(環(huán)梁以下)。墻體分為12層，其中，拱頂模塊(包括中心環(huán)等)、罐頂結(jié)構(gòu)、穹頂襯里板、防潮板和罐頂穿孔等結(jié)構(gòu)采用S355J2結(jié)構(gòu)鋼。

3.2 焊接工藝評定試驗(yàn)

3.2.1 化學(xué)成分

16MnDR和S355J2鋼分別根據(jù)GB/T 3531—2014和EN 10025—2: 2004進(jìn)行化學(xué)成分檢測，材質(zhì)證書實(shí)測值如表3所示。

表3 16MnDR、S355J2鋼低溫壓力容器母材的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)測值 單位：%

3.2.2 焊接工藝評定力學(xué)性能試驗(yàn)

經(jīng)檢驗(yàn)的16MnDR和S355J2鋼板的力學(xué)性能均符合NB/T 47014—2011及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。對于16MnDR鋼板的力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)用母材厚度為12 mm，焊材為碳鋼焊條E7018-1，填充金屬直徑為Φ3.2 mm。對于S355J2鋼板的力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)用母材厚度為12 mm，焊材為碳鋼焊條E7018，填充金屬直徑為Φ3.2 mm。

分別取2組試樣尺寸(寬度×厚度)約為25×12 mm 的16MnDR和S355J2鋼進(jìn)行焊接接頭拉伸試驗(yàn)，測得16MnDR的斷裂荷載分別為167713 N和167889 N, S355J2的斷裂荷載分別為173628 N和174786 N。16MnDR的抗拉強(qiáng)度分別為550 和552 MPa,S355J2的抗拉強(qiáng)度分別為557和564 MPa。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，16MnDR和S355J2鋼拉伸試驗(yàn)的試樣斷裂位置均在母材上，說明在-40 ℃試驗(yàn)條件下，焊縫強(qiáng)度高于母材。

分別取4組16MnDR和4組S355J2鋼進(jìn)行焊接接頭彎曲試驗(yàn)，彎曲類型為側(cè)彎，彎心直徑為40 mm。16MnDR和S355J2鋼的側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果為：所有側(cè)彎試驗(yàn)彎曲角度為180°時(shí)，彎曲凸面焊縫上均未發(fā)現(xiàn)缺陷，試樣檢測結(jié)果全部合格，說明焊縫塑性較好，沒有尺寸較大的非金屬夾雜。

對16MnDR和S355J2鋼的力學(xué)沖擊值進(jìn)行分析，根據(jù)表4可知，-20 ℃下S355J2焊接接頭的平均吸收功焊縫中心的為63 J，熱影響區(qū)的為118 J。-40 ℃下16MnDR焊接接頭的平均吸收功焊縫中心的為89 J，熱影響區(qū)的為221 J，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求值47 J，說明16MnDR在-40 ℃下焊接接頭具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。眾所周知，低溫鋼板的使用單位希望鋼板具有較高的低溫沖擊功，16MnDR鋼的使用溫度較低，較S355J2鋼更適用于低溫壓力容器的制備。

表4 16MnDR和S355J2鋼的沖擊試驗(yàn)

3.2.3 顯微硬度測試

分別對16MnDR和S355J2鋼進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，在距上、下表面2 mm處分別選取母材、熱影響區(qū)、焊縫為測試點(diǎn)位置。根據(jù)測試結(jié)果可知，16MnDR鋼板焊縫區(qū)的顯微硬度在HV220以上，焊縫位置顯微硬度較為均勻，未見明顯異常情況，在母材區(qū)16MnDR鋼的顯微硬度在HV165左右，S355J2鋼的顯微硬度在HV160左右，綜上可知，16MnDR的硬度略高于S355J2的硬度。

4 結(jié)語

對比分析國內(nèi)兩個(gè)大型LNG項(xiàng)目儲罐用材料16MnDR和S355J2鋼的常規(guī)力學(xué)性能，得出以下結(jié)論：

(1)在相同的試驗(yàn)環(huán)境中，16MnDR鋼焊接接頭的低溫沖擊韌性優(yōu)于S355J2鋼焊接接頭的低溫沖擊韌性，且在-40 ℃時(shí)，16MnDR具有良好的低溫沖擊韌性。

(2)國產(chǎn)材料16MnDR替代進(jìn)口材料S355J2，有利于通過國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對材料性能指標(biāo)進(jìn)行把控。16MnDR和S355J2屬于焊制承壓設(shè)備用同類、同組母材，根據(jù)NB/T 47014—2011可知用16MnDR代替S355J2鋼板，S355J2已在某22萬立方米儲罐LNG項(xiàng)目評定合格的焊接工藝，適用于同類別號同組別號的母材16MnDR，后續(xù)項(xiàng)目兩種材料的替換，不需要重新進(jìn)行16MnDR鋼的焊接工藝評定，降低焊評所需的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí)，對響應(yīng)國家降本增效的戰(zhàn)略舉措具有重要意義。

綜上所述，國產(chǎn)材料16MnDR可代替S355J2鋼應(yīng)用于22萬立方米LNG低溫儲罐的建造工程。