LNG船用高錳鋼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分析

關(guān)鍵詞：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，高錳鋼，液化天然氣，超低溫鋼

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2024.10.019

0 簡(jiǎn)介

L NG運(yùn)輸過(guò)程中的存儲(chǔ)、加注設(shè)備材料需要在超低溫環(huán)境下具備良好的抗斷性能、止裂性能、耐疲勞性能和組織穩(wěn)定性能。2020年前，根據(jù)國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則（IG CCode）規(guī)定，LNG船儲(chǔ)罐及相關(guān)的管道制造材料被限定為4種：殷瓦合金、9Ni鋼、不銹鋼和鋁合金，但以上材料價(jià)格較高、制造工藝較為復(fù)雜[1]。近十年來(lái)，高錳鋼領(lǐng)域的突破性進(jìn)展帶來(lái)了新的工程選項(xiàng)。

1 標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域發(fā)展情況

1.1 高錳鋼低溫性能

低溫高錳鋼的組織穩(wěn)定性是其強(qiáng)韌化的基本要求，合金成分是奧氏體穩(wěn)定性的主要因素[2]。對(duì)于高錳鋼來(lái)說(shuō)，Mn是最主要的奧氏體化元素，能夠提高層錯(cuò)能，促進(jìn)TWIP效應(yīng)[3]。以雙相Fe-Mn-A l低溫鋼為例，TWI P效應(yīng)是指在低溫變形過(guò)程中，變形初期階段以位錯(cuò)滑移為主要變形機(jī)制；隨著變形量的增加，鐵素體的變形仍以位錯(cuò)滑移為主，但奧氏體的變形以應(yīng)變誘導(dǎo)孿晶為主；因此在低溫變形時(shí)奧氏體組織中產(chǎn)生大量變形孿晶，并觀察到大量位錯(cuò)塞積現(xiàn)象，表明變形孿晶對(duì)于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有阻礙作用，并且變形孿晶密度越大，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙效果變大，加工硬化率變高[4]，這也是高錳鋼低溫性能的根本機(jī)理[5]。當(dāng)Mn含量不低于28%時(shí)，可以獲得穩(wěn)定的奧氏體組織，低溫韌性?xún)?yōu)良，但強(qiáng)度較低；當(dāng)Mn含量不低于35%時(shí)，Mn元素則易在晶界偏聚，低溫下發(fā)生晶界脆斷，對(duì)強(qiáng)度和韌性不利[6]。總的來(lái)說(shuō)，低溫高錳鋼展現(xiàn)出良好的低溫強(qiáng)韌性，抗拉強(qiáng)度達(dá)到甚至超過(guò)9Ni鋼，但屈服強(qiáng)度和沖擊韌性相對(duì)略低，尤其要注意的是軋制板材橫向沖擊韌性可能較低[3]。此外，高錳鋼焊接中主要存在焊接裂紋、焊縫金屬元素?zé)龘p以及接頭韌性下降等問(wèn)題[3]，其中焊接熱循環(huán)帶來(lái)的成分偏析和組織穩(wěn)定性下降，高錳鋼焊接接頭的低溫力學(xué)性能低于母材[7]。

1.2 鎳合金鋼標(biāo)準(zhǔn)情況

LNG通常在零下163℃的條件下儲(chǔ)存運(yùn)輸，在高錳鋼相關(guān)技術(shù)成熟前，此前主要采用鋁合金、鎳合金鋼（9%Ni）、不銹鋼等作為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐的主要材料。其中，9Ni鋼相較于具有奧氏體不銹鋼和鋁合金，具有熱脹系數(shù)小，經(jīng)濟(jì)性好，使用溫度最低可達(dá)-196℃的特點(diǎn)[8]，使用最為廣泛。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況見(jiàn)表1。

影響9Ni鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度的主要因素中，合金元素和雜質(zhì)含量都與化學(xué)成分密切相關(guān)[9]。9Ni鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。在9Ni鋼的生產(chǎn)領(lǐng)域，我國(guó)的河鋼舞鋼、新余新鋼是主要的生產(chǎn)廠家。

1.3 高錳鋼標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展沿革

在L NG船用低溫高錳鋼研發(fā)和應(yīng)用方面，韓國(guó)起步較早。2010年11月，大宇造船與浦項(xiàng)鋼鐵與全球船級(jí)社啟動(dòng)高錳鋼和焊接材料的研究項(xiàng)目，在2015年6月實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。在船級(jí)社認(rèn)證以外，同年相關(guān)企業(yè)與韓國(guó)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)局（KATS）展開(kāi)了廣泛合作，并制定了鋼板、電弧焊條、電焊藥芯焊絲、埋弧焊絲和焊劑等系列韓國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)完成美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）鍋爐及壓力容器規(guī)范和ASTM標(biāo)準(zhǔn)及天然氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際認(rèn)證工作。在2014年3月，浦項(xiàng)鋼鐵與韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）聯(lián)合研制出了“格子結(jié)構(gòu)”式的大容量高錳鋼LNG儲(chǔ)罐，貯藏量達(dá)到2萬(wàn)立方米[10]。另一方面，在英國(guó)倫敦國(guó)際海事組織（IMO）總部舉辦了第100次海事安全委員會(huì)（MSC），浦項(xiàng)鋼鐵的LNG儲(chǔ)罐用超低溫高錳鋼及應(yīng)用技術(shù)正式登記注冊(cè)成為國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?；谄湓诔蜏赜酶咤i鋼的技術(shù)積累，韓國(guó)企業(yè)在ISO相繼發(fā)布6項(xiàng)船用高錳鋼鋼材、薄板、鑄件、鍛件的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在該領(lǐng)域已經(jīng)建立起了LNG船高錳鋼使用、測(cè)試系列規(guī)范。

2 主要渠道及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)梳理

由于LNG船用鋼材涉及化工、材料行業(yè)，其主要的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工作渠道不限于船舶與海洋技術(shù)委員會(huì)（見(jiàn)表3）。包括ISO/TC 67包括低碳能源的石油和天然氣行業(yè)；ISO/TC 8船舶與海洋技術(shù)；ISO/TC 22道路車(chē)輛；ISO/TC 220低溫容器；ISO/TC 17鋼等技術(shù)委員會(huì)等。其中更關(guān)注船上應(yīng)用的TC 8/SC 8船舶設(shè)計(jì)分委會(huì)和TC 8/SC 4舾裝與甲板機(jī)械分委會(huì)是最主要的標(biāo)準(zhǔn)研制渠道。

在以上國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)渠道中進(jìn)一步梳理涉及的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)18項(xiàng)，其中已發(fā)布14項(xiàng)，在研4項(xiàng)。涉及LNG鋼材的制造、檢驗(yàn)、測(cè)試、兼容性、規(guī)范、相關(guān)的管路要求。ISO/TC 8/SC 8分委會(huì)分管的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到6項(xiàng)，包括鋼材、薄帶、鑄件、鍛件、鋼管、焊接配件。

3 重點(diǎn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容分析

ISO 21635：2018《船舶與海洋技術(shù)-船上LNG儲(chǔ)罐用高錳奧氏體鋼規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)是高錳奧氏體鋼材系列標(biāo)準(zhǔn)中最早研制并發(fā)布的，其以IGC規(guī)則經(jīng)國(guó)際海事組織MSC.5（48）號(hào)決議通過(guò)的《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》修正案、國(guó)際海事組織MSC.391（95）號(hào)決議通過(guò)的《國(guó)際使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶安全規(guī)則》為法規(guī)基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)框架涵蓋要求規(guī)格、制造、化學(xué)成分和力學(xué)性能、測(cè)試程序、焊接性、標(biāo)記和文檔記錄等內(nèi)容，主要的參考標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)要求中，“制造規(guī)定”包括煉鋼實(shí)踐與鋼板要求；“化學(xué)成分和力學(xué)性能要求”包括化學(xué)成分、機(jī)械性能、常壓強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度要求、韌性要求、彎曲試驗(yàn)和補(bǔ)充要求；“測(cè)試程序要求”包括機(jī)械試驗(yàn)要求、復(fù)驗(yàn)程序要求。

3.1 鋼板制造

鋼板制造的規(guī)定主要根據(jù)I AC S發(fā)行的規(guī)范IACS UR W13、IACS UR W16，首先板坯與成品板厚的減薄比應(yīng)不小于3：1，鋼板應(yīng)通過(guò)熱軋生產(chǎn)，并在軋制后在800℃至500℃的溫度范圍內(nèi)控制冷卻速度，防止晶界碳化物的形成，同時(shí)建議冷卻速率高于10℃/s，以防止碳化物沉淀。其次，板材成型溫度不得超過(guò)500℃，且不允許在最終軋制過(guò)程之后進(jìn)行熱處理[11]。公差的規(guī)定參考IACS URW13的板材的厚度公差要求。在鋼材實(shí)踐過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼材應(yīng)采用堿性氧氣、電爐/平爐或其他工藝生產(chǎn)；此外，鋼在脫氧過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行鎮(zhèn)靜。

3.2 化學(xué)成分和力學(xué)性能

基于ASTM A1106/A1106M-17，標(biāo)準(zhǔn)制定了高錳奧氏體鋼的化學(xué)成分的占比要求，并要求從每種鑄鋼的每個(gè)鋼包中取樣的化學(xué)成分都應(yīng)滿足表6的要求。

沖擊試驗(yàn)方面，鋼的夏比V型缺口試樣的韌性應(yīng)符合表7的規(guī)定，且試驗(yàn)應(yīng)在-196℃下進(jìn)行。試驗(yàn)每組3個(gè)全尺寸試樣的平均吸收能應(yīng)為27J或以上，其縱軸應(yīng)當(dāng)與板材的最終軋制方向垂直，每個(gè)沖擊試驗(yàn)樣本與缺口相對(duì)的橫向膨脹量應(yīng)不小于0.38mm。對(duì)于型材用鋼，應(yīng)沿縱向截取夏比V型缺口試樣，其平均夏比沖擊值應(yīng)為41J以上[11]。

彎曲試驗(yàn)方面，規(guī)定可采取面彎曲、根部彎曲或側(cè)面彎曲的橫向彎曲試驗(yàn)。如母材和焊縫金屬具有不同的強(qiáng)度水平，可能需要縱向彎曲試驗(yàn)來(lái)代替橫向彎曲試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)程序、焊接性能與標(biāo)記

在試驗(yàn)程序方面，標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)品件應(yīng)進(jìn)行一次拉伸試驗(yàn)和至少一組3個(gè)夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)和夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)應(yīng)分別按照ISO 6892-1和ISO 148-1進(jìn)行，試樣的縱向軸線應(yīng)與板材的最終軋制方向垂直。

當(dāng)拉伸試驗(yàn)不符合要求時(shí)，可以對(duì)同一件進(jìn)行兩次附加試驗(yàn)，如兩次附加測(cè)試都通過(guò)，則可接受該產(chǎn)品件的適用性。如這些測(cè)試中的一個(gè)或兩個(gè)都不合格，該產(chǎn)品件應(yīng)被拒收。

在焊接性能方面，標(biāo)準(zhǔn)要求焊接操作前，應(yīng)根據(jù)相關(guān)要求仔細(xì)考慮鋼材的可焊性，并進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。其中，船廠或儲(chǔ)罐制造商應(yīng)當(dāng)按照IACS UR W1第1.4.3條（應(yīng)更新為IACS UR W8）編制焊接工藝規(guī)范（WPS），并作為最低要求。在標(biāo)記要求上，每一件成品都應(yīng)有一個(gè)清晰可見(jiàn)的標(biāo)記，并注明以下信息制造商的名稱(chēng)和地址、鋼材牌號(hào)的統(tǒng)一識(shí)別標(biāo)記。

4 結(jié)論

（1）隨著L NG作為船用燃料的需求持續(xù)增長(zhǎng)，制定液化天然氣船用鋼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的前景廣闊。目前航運(yùn)業(yè)積極尋求過(guò)渡和替代燃料，并遵守日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，液化天然氣已成為過(guò)渡燃料的最主要選擇。與此同時(shí)，在超低溫鋼材領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)研制，對(duì)于未來(lái)可能出現(xiàn)的液氫燃料和液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)存運(yùn)輸提供了重要的技術(shù)積累。

（2）目前來(lái)看，制定LNG船用鋼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的主要挑戰(zhàn)之一是需要確保液化天然氣圍護(hù)系統(tǒng)和其他關(guān)鍵部件所用的鋼材符合安全和性能標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼顧鋼材的環(huán)境與可持續(xù)問(wèn)題。這需要我國(guó)行業(yè)利益相關(guān)者、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)組織之間的合作，在關(guān)注鋼材性能標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，關(guān)注鋼材全生命周期碳排放，制定全面的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)滿足LNG船用鋼要求。

（3）LNG船用鋼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定也為推動(dòng)航運(yùn)業(yè)的創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步提供了機(jī)會(huì)。特別地，將有助于促進(jìn)全球采用LNG作為船用燃料。我國(guó)在LNG船舶動(dòng)力改裝市場(chǎng)上占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，建立包括安全性能和其他關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)框架，對(duì)于我國(guó)LNG動(dòng)力改裝、LNG相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建造均具有巨大的市場(chǎng)意義。