LNG用低溫高錳鋼及其焊接技術(shù)發(fā)展

郭偉 蔡艷 華學(xué)明

摘要：隨著國(guó)際LNG產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)LNG儲(chǔ)運(yùn)低溫材料的需求日益增加。為了兼顧服役性能和制造成本，Mn元素含量為20%～28%的低溫高錳鋼得到關(guān)注。該鋼種采用Mn元素替代Ni元素，并添加適量的C、N、Cu等元素，在控制成本的同時(shí)獲得良好的組織穩(wěn)定性和低溫強(qiáng)韌性，具有廣闊的應(yīng)用前景。低溫高錳鋼焊接時(shí)易出現(xiàn)熱裂紋、元素?zé)龘p以及接頭低溫性能下降等問題，對(duì)焊接材料開發(fā)和焊接工藝優(yōu)化提出了較高要求。加強(qiáng)對(duì)LNG船用低溫高錳鋼及其焊接技術(shù)的研發(fā)，有助于提高我國(guó)船舶制造企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：高錳鋼;奧氏體化元素;元素?zé)龘p;熱裂紋;低溫性能

中圖分類號(hào)：TG457.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）11-0007-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.02

0 前言

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（IGC code）規(guī)定，LNG船儲(chǔ)罐及相關(guān)的管道制造材料被限定為四種：殷瓦合金、9Ni鋼、不銹鋼和鋁合金，但這些材料均存在價(jià)格高、制造工藝復(fù)雜等局限[1]。近年來，以Mn替代Ni的相關(guān)研究一直是低溫鋼產(chǎn)品開發(fā)的熱點(diǎn)，Mn元素在合金化過程中具有與Ni元素相近的物理化學(xué)特性，且成本更低。研究表明，鋼中加入含量20%以上的Mn代替?zhèn)鹘y(tǒng)低溫鋼中的Ni元素，并加入含量0.4%以上的C元素，可以在室溫下獲得奧氏體組織，提高其低溫韌性[2]。據(jù)測(cè)算，低溫高錳鋼比IGC規(guī)定的四種材料價(jià)格低70%～80%，并具有強(qiáng)度高、加工方便等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

文中總結(jié)了目前低溫高錳鋼的發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)高錳鋼焊接易發(fā)生合金元素?zé)龘p、熱裂紋進(jìn)行分析，從焊接接頭低溫性能角度分析了高錳鋼在低溫領(lǐng)域的適用性，介紹了低溫高錳鋼在LNG領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

1 低溫高錳鋼發(fā)展

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[3]。對(duì)于高錳鋼來說，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)。對(duì)于Fe-Mn二元合金，當(dāng)Mn含量不低于28%時(shí)可以獲得穩(wěn)定的奧氏體組織，低溫韌性優(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[4]。

C元素不僅是強(qiáng)奧氏體化元素，而且具有顯著的固溶強(qiáng)化能力，也是高錳鋼的主要添加元素。高錳鋼經(jīng)1 050 ℃水韌處理后，碳全部溶于奧氏體中，室溫下呈單相奧氏體組織，具有良好的韌性;但當(dāng)重新加熱超過300 ℃后，碳就會(huì)沿晶界析出形成碳化物，大大降低材料韌性，這對(duì)于焊接接頭是不利的。此外，在Fe-Mn-C系高錳鋼中添加適量的Al元素[5]和N元素[6]，已經(jīng)開發(fā)了Fe-Mn-C-Al、Fe-Mn-Cr-N等低溫高錳鋼。N元素是強(qiáng)奧氏體化元素，具有顯著的固溶強(qiáng)化能力，有助于改善高錳鋼的強(qiáng)韌性，但是N元素的溶解度很低，通常需要添加Cr元素來提高N元素的溶解度。幾種低溫高錳鋼的力學(xué)性能如表1所示?？偟膩碚f，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。

此外，有學(xué)者在低溫（110 K）環(huán)境中對(duì)Fe-Mn-C低溫高錳鋼進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試，并與9Ni鋼進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者相當(dāng)，F(xiàn)e-Mn-C低溫高錳鋼的CTOD值達(dá)到0.56～0.65 mm[2]。

2 高錳鋼焊接技術(shù)

焊接是低溫高錳鋼在工業(yè)生產(chǎn)中不可避免的重要環(huán)節(jié)，也是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵因素，其研究熱點(diǎn)包括焊接方法和填充材料兩方面。目前針對(duì)低溫高錳鋼焊接的方法包括激光焊[8]、TIG自熔焊[9-10]、TIG填絲焊[11-12]、MAG焊[2]和SAW焊[13]等。通常，低溫高錳鋼的組織穩(wěn)定性較好，接頭熱影響區(qū)仍為奧氏體組織，但也有研究發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)晶界析出了碳化物[14]，這對(duì)于沖擊韌性是不利的。高錳鋼焊接通常采用與母材成分相似的焊絲[2]，有專利提出了Mn含量23%～26%，C含量0.25%～0.45%，Ni含量6%～8%，W含量3%～5%，N含量0.02%～0.04%，并嚴(yán)格控制S、P含量的低溫高錳鋼埋弧焊實(shí)芯焊絲[15]。高錳鋼焊接的主要問題包括焊接裂紋、焊縫金屬元素?zé)龘p以及接頭韌性下降等。

2.1 焊接熱裂紋

高錳鋼熱裂紋敏感性高，一方面由于Fe-Mn合金凝固溫度范圍大、導(dǎo)熱系數(shù)低、凝固收縮率大，導(dǎo)致焊接熱應(yīng)力大;另一方面，為了獲得穩(wěn)定的奧氏體，母材和焊材中往往添加C、Si、Cr、Ni、Cu、Al等合金元素，以及存在少量的S、P雜質(zhì)元素，導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶組織[16]，在拉應(yīng)力下容易開裂。C元素作為重要的固溶強(qiáng)化和奧氏體化元素，往往會(huì)擴(kuò)大凝固溫度范圍，在焊縫和熱影響區(qū)生成（Fe，Mn）3C/γ等低熔點(diǎn)共晶組織，在熱應(yīng)力下導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。Si的固溶強(qiáng)化作用提高了錳鋼的力學(xué)性能，但是Si降低了共晶的C含量，因此導(dǎo)致更多的低熔點(diǎn)共晶組織，此外Si在晶界的聚集會(huì)產(chǎn)生低熔點(diǎn)液膜，加劇了凝固裂紋傾向[10]。Cr元素雖然加強(qiáng)了固溶強(qiáng)化，但含量過高不僅降低奧氏體穩(wěn)定性，還由于Cr元素?cái)U(kuò)大了共晶溫度范圍，降低了共晶C含量，導(dǎo)致產(chǎn)生大量低熔點(diǎn)（Cr，F(xiàn)e，Mn）7C3/γ共晶，更容易產(chǎn)生熱裂紋[17]。雜質(zhì)S元素易與Mn產(chǎn)生MnS夾雜，P元素則提高凝固溫度范圍，導(dǎo)致晶界產(chǎn)生大量低熔點(diǎn)（Fe，Mn）3P/γ共晶組織，特別是在添加了Ni元素的高錳鋼中，Ni元素會(huì)加劇P在晶界的偏析，即使P含量很低（0.02%），也會(huì)產(chǎn)生大量（Fe，Mn）3P/γ共晶組織，從而增加熱裂紋風(fēng)險(xiǎn)[18]。

為了改善高錳鋼的熱裂敏感性，一方面應(yīng)嚴(yán)格控制C、P、S等元素的含量，另一方面可以通過添加Ti、Nb等合金元素來提高金屬的共晶溫度。Ti、Nb與C形成TiC或NbC化合物，產(chǎn)生TiC/γ和NbC/γ共晶組織，從而提高金屬共晶溫度，減少（Fe，Mn）3C/γ低熔點(diǎn)共晶組織，降低晶界脆化溫度范圍，改善熱裂敏感性[19]。此外，Al元素有助于降低C元素的活度，抑制C在晶界偏析，減少甚至消除（Fe，Mn）3C/γ低熔點(diǎn)共晶，降低裂紋敏感性[20]。由此可知，在高錳鋼及其焊材的研發(fā)過程中，添加合金元素需謹(jǐn)慎，在保證低溫強(qiáng)韌性的同時(shí)，應(yīng)從焊接角度出發(fā)降低其熱裂敏感性。

2.2 合金元素?zé)龘p

為了保證高錳鋼的低溫強(qiáng)韌性，Mn元素的含量較高，同時(shí)還不同程度地添加N、Al等元素，但是這些元素的沸點(diǎn)較低，焊接過程中易發(fā)生燒損，最終影響焊縫金屬的組織和性能。對(duì)于高錳鋼焊接來說，Mn元素?zé)龘p是首要考慮的，這對(duì)焊縫金屬的組織和性能至關(guān)重要。MA L. L.[21]研究發(fā)現(xiàn)，采用1 kW功率激光對(duì)厚度為1 mm的高錳鋼進(jìn)行自熔焊后，母材中Mn元素含量從24.26%降至17.18%，而采用GTAW自熔焊則未發(fā)現(xiàn)明顯的Mn元素含量變化。Jr J. W. M.[24]采用4 kW激光對(duì)厚度為3 mm的高錳鋼進(jìn)行自熔焊后，母材中的Mn元素含量從24.26%降至22%[8]。由此可見，焊接方法是影響高錳鋼焊接過程中Mn元素蒸發(fā)行為的重要因素。

當(dāng)高錳鋼母材添加N元素時(shí)，N元素易從熔池中逸出，造成焊縫金屬中N元素含量下降，因此有學(xué)者在高錳鋼焊接保護(hù)氣體中添加氮?dú)?，保護(hù)氣體中的N元素溶解進(jìn)入熔池，甚至可以提高焊縫金屬的N元素含量。有研究表明[11]，對(duì)N含量為0.3% 的高錳鋼進(jìn)行TIG自熔焊，采用純氬氣保護(hù)時(shí)，焊縫金屬的N元素含量下降為0.27%;在保護(hù)氣體中添加4%氮?dú)夂螅缚p金屬中N元素含量提高至0.39%，接頭性能也得到改善。

雖然高錳鋼焊接過程易發(fā)生Mn、N等元素?zé)龘p，但由于母材的合金元素含量較高，焊縫金屬的組織通常仍能保持為奧氏體，但合金元素含量下降對(duì)于焊縫金屬的組織穩(wěn)定性和層錯(cuò)能存在影響，對(duì)接頭的低溫強(qiáng)韌性不利，在實(shí)際焊接生產(chǎn)中應(yīng)給予關(guān)注。

2.3 焊接接頭低溫性能

雖然高錳鋼母材在低溫環(huán)境中具有良好的力學(xué)性能，但是焊接熱循環(huán)會(huì)造成成分偏析和組織穩(wěn)定性下降，高錳鋼焊接接頭的低溫力學(xué)性能往往低于母材[22]。韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司[2]采用成分與母材相近的焊絲進(jìn)行了Fe-Mn-C系高錳低溫鋼氣保焊，保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，母材的力學(xué)性能如表1所示，厚度為30 mm，室溫下測(cè)得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度約為669 MPa，屈服強(qiáng)度約438 MPa，在-196 ℃溫度下測(cè)得焊縫金屬和熱影響區(qū)的沖擊功分別為60 J和86 J，顯著低于母材（見表1）。韓國(guó)釜山國(guó)立大學(xué)采用埋弧焊進(jìn)行了Fe-24Mn高錳鋼焊接，在-163 ℃溫度下測(cè)得焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別617 MPa和1 150 MPa，延伸率為20%[13]。付瑞東等[23]采用與母材同成分的焊絲開展了32Mn-7Cr-0.6Mo-0.3N高錳鋼的TIG焊接，母材厚度為6 mm，-196 ℃溫度下測(cè)得接頭的抗拉強(qiáng)度為1 250 MPa，低于母材的抗拉強(qiáng)度1 350 MPa。Chan等[9]通過提高保護(hù)氣體中氮?dú)夂康姆椒?，在高錳鋼GTAW自熔焊熔化區(qū)獲得高于母材的氮含量，焊接接頭在深冷環(huán)境（-269 ℃）中的屈服強(qiáng)度與母材相當(dāng)。需要注意的是，含量過高的N元素可能會(huì)在晶界偏析，造成低溫韌性下降[24]。

此外，高錳鋼焊接接頭在低溫環(huán)境中的疲勞性能也受到關(guān)注。韓國(guó)慶尚大學(xué)[14]在-163 ℃環(huán)境中對(duì)Fe24Mn鋼焊接接頭的不同區(qū)域進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試，發(fā)現(xiàn)焊縫金屬和熔合線區(qū)域的裂紋擴(kuò)展速率相當(dāng)，均略低于母材。還對(duì)Fe-0.7C-15Mn-2Al鋼的GTAW接頭進(jìn)行了疲勞性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)焊接接頭在-163 ℃溫度下的疲勞強(qiáng)度顯著低于母材，疲勞試樣在焊縫位置斷裂[14]。

3 低溫高錳鋼在LNG領(lǐng)域應(yīng)用

在LNG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，韓國(guó)大宇造船海洋公司與浦項(xiàng)鋼鐵公司，以及美國(guó)船級(jí)社ABS、法國(guó)船級(jí)社BV、挪威船級(jí)社DNV-GL、韓國(guó)船級(jí)社KR和英國(guó)勞氏船級(jí)社LR共同啟動(dòng)了“極低溫用高錳鋼及焊接材料共同開發(fā)”項(xiàng)目，旨在積極推動(dòng)高錳鋼的開發(fā)。用于建造LNG船舶液貨圍護(hù)系統(tǒng)的材料需滿足：（1）對(duì)沖擊載荷和周變載荷具有較好的適應(yīng)能力，具有良好的低溫沖擊韌性和疲勞性能;（2）低溫服役時(shí)具有較高的強(qiáng)度和塑性;（3）熱膨脹系數(shù)小，低溫服役時(shí)的溫差應(yīng)力小。高錳鋼在低溫下無脆性轉(zhuǎn)變，具有良好的沖擊韌性和組織穩(wěn)定性。根據(jù)韓國(guó)浦項(xiàng)制鐵制訂《LNG船舶用高錳鋼技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》以及ISO-WG17標(biāo)準(zhǔn)草案，目前LNG船舶用高錳鋼的成分體系為22%～26% w（Mn）+0.3%～0.6% w（C）的中碳高錳鋼，大致的成分區(qū)間如表2所示。母材抗拉強(qiáng)度約為800～970 MPa，屈服強(qiáng)度>400 MPa，延伸率>22%，-196 ℃夏比沖擊功則不應(yīng)低于27 J。

不同于9Ni鋼焊接普遍采用鎳基合金作為填充材料，高錳鋼焊接通常采用與母材成分相近的焊材，能夠大幅降低LNG輸運(yùn)船舶的建造成本。在高錳鋼焊材研發(fā)方面，韓國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)院于2014年制訂了高錳鋼用電弧焊條（KSD 7142）、高錳鋼用電焊藥芯焊絲（KSD 7143）、高錳鋼用埋弧焊絲和焊劑（KSD 7144）等一系列新標(biāo)準(zhǔn)。目前，韓國(guó)在LNG船用低溫高錳鋼領(lǐng)域的快速發(fā)展給其他造船大國(guó)造成較大壓力，各國(guó)紛紛加快高錳低溫鋼的研發(fā)。十三五期間，我國(guó)也在新型LNG低溫鋼及焊接技術(shù)方面做出了積極探索，形成了多項(xiàng)專利技術(shù)[25]。隨著國(guó)際LNG產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，掌握LNG船用低溫高錳鋼的應(yīng)用技術(shù)，建立相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，降低LNG運(yùn)輸船建造成本，這對(duì)于我國(guó)占領(lǐng)LNG運(yùn)輸船市場(chǎng)起到關(guān)鍵性作用。

4 結(jié)論

（1）低溫高錳鋼采用Mn元素替代Ni元素，Mn元素含量約為20%～28%，并添加適量的C、N、Cu等元素，不僅在低溫環(huán)境中具有穩(wěn)定的奧氏體組織和低溫強(qiáng)韌性，而且價(jià)格低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（2）低溫高錳鋼焊接易出現(xiàn)熱裂紋、元素?zé)龘p，以及接頭低溫性能下降等問題，開發(fā)配套的焊接材料，優(yōu)化焊接工藝，實(shí)現(xiàn)焊縫金屬合金元素的優(yōu)化調(diào)節(jié)，對(duì)于改善高錳鋼焊接接頭低溫性能至關(guān)重要。

（3）在LNG船舶建造領(lǐng)域，低溫高錳鋼具有替代9Ni鋼的潛力。韓國(guó)在LNG船用低溫高錳鋼方面的研究起步較早，已初步形成相關(guān)焊接標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)一步提升我國(guó)在LNG船舶建造領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，有必要加強(qiáng)對(duì)LNG船用低溫高錳鋼及其焊接技術(shù)的研發(fā)。

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