LNG 儲罐用9Ni 鋼板國產(chǎn)化過程中的設(shè)計要點解析

蔣賓偉

（中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250000）

9Ni 鋼板因其低溫韌性好、強度高、焊接工藝簡潔、不需要焊前及焊后熱處理等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于LNG 儲罐的建設(shè)中。一臺LNG 儲罐的投資中，其9Ni 鋼板的合同額接近整個物資采購量的三分之一，是LNG 儲罐項目建設(shè)最重要的物資。我國自主建造LNG 儲罐的初期，9Ni 鋼板多依賴進口，其材料性能和采購的時效性都很難精準(zhǔn)控制，價格上也一直居高不下。

2007 年，太鋼首次自主研發(fā)的LNG 低溫壓力容器用9Ni 鋼板[1]獲得成功，隨后國內(nèi)多家鋼廠都已經(jīng)研制出符合要求的9Ni 鋼板并取得了相關(guān)認證。經(jīng)過十余年探索，鋼板的生產(chǎn)工藝逐漸成熟，柳智[2]的研究成果表明國產(chǎn)化9Ni 鋼各個方面均符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對9Ni 鋼的要求，并且在國內(nèi)外得到應(yīng)用。同時近些年國內(nèi)外對于9Ni 鋼板的研究也進行的如火如荼，主要集中在：淬火對9Ni 鋼殘余奧氏體輔助循環(huán)塑性的研究[3]，熱處理對9%Ni 鋼性能的影響[4-5]，9Ni 鋼板的生產(chǎn)工藝[6-7]等方面。

本文對近期幾個LNG 儲罐建設(shè)項目中9Ni 鋼板物資采購中遇到的一些典型技術(shù)問題進行了總結(jié)，并從設(shè)計角度提出了一些合理化的意見和建議。

1 9Ni鋼板的檢驗程序

按照EN 10204：2004 “Metallic products-Types of inspection documents”[8]及GB/T 18253—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 檢驗文件的類型》[9]規(guī)定，基于規(guī)定檢驗的鋼及鋼產(chǎn)品應(yīng)出具檢驗證明書3.1或檢驗證明書3.2。其中：

檢驗證明書3.1 需要由制造廠授權(quán)的獨立于生產(chǎn)部門的檢驗代表簽發(fā)；

檢驗證明書3.2 由制造方授權(quán)的檢驗代表和需方授權(quán)的檢驗代表或者制造方授權(quán)的檢驗代表和第三方指定的檢驗代表同時簽發(fā)。

同時，用于承壓設(shè)備材料的制造商應(yīng)取得相應(yīng)管理機構(gòu)的認證，例如：按照歐盟PED 指令[10]制造的承壓設(shè)備，其材料制造商應(yīng)通過歐盟授權(quán)機構(gòu)通過PED 認證，并由制造廠授權(quán)的獨立于生產(chǎn)部門的檢驗代表簽發(fā)檢驗證明書3.1。如制造商未取得上述認證，也可在征求用戶同意后委托具備資質(zhì)的第三方檢驗代表見證檢驗過程后協(xié)助出具檢驗證明書3.2。另外，一般用于出口的設(shè)備需要提供符合EN 10204-3.2的檢驗證明書以證明其設(shè)備符合歐洲規(guī)范。

我國承壓設(shè)備用材料的認證主要是“全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會”評審?fù)ㄟ^后頒發(fā)的《鍋爐壓力容器材料評審證書》。早期我國LNG 儲罐用9Ni 鋼板主要依賴于進口，其對材料檢驗證明書的要求延續(xù)了歐盟的相關(guān)規(guī)定，要求制造方出具檢驗證明書3.2。近些年的國產(chǎn)化9Ni 鋼板的生產(chǎn)工藝漸漸成熟，性能也已經(jīng)日趨穩(wěn)定，筆者認為可以適當(dāng)放寬3.2證書的要求。從目前國內(nèi)9Ni 鋼板的生產(chǎn)情況來看，具備供貨能力的廠商都首先取得了容標(biāo)委頒發(fā)的《鍋爐壓力容器材料評審證書》，具備出具檢驗證明書3.1的條件。

2 9Ni鋼板的典型技術(shù)要求

9Ni 鋼板的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要有：我國的GB/T 3531[11]中的06Ni9DR、GB/T 24510[12]中的9Ni，歐盟材料標(biāo)準(zhǔn)EN 10028.4[13]對應(yīng)的X8Ni9+QT680 和X7Ni9，美國材料學(xué)會的ASTM A553/533[14]中Ⅰ類，以及日本鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)JIS G3127[15]中SL9N590（QT）。

2.1 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析以爐為單位進行。煉鋼過程中通常需要多次對鋼水取樣并分析其化學(xué)成分，工藝人員根據(jù)分析結(jié)果微調(diào)煉鋼工藝從而獲得滿足技術(shù)要求化學(xué)成分配比。取鑄坯前較為穩(wěn)定的一組化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)作為熔煉分析的結(jié)論。熔煉分析通常按照GB/T 4336[16]常規(guī)法進行。光譜法的主要特點是分析的效率比較高，由于光譜法分析時各元素光譜存在干涉的情況，其可靠性不及化學(xué)分析方法GB/T 223[17]，所以對成品分析要求采用化學(xué)分析方法。同時，GB/T 223 方法中部分元素的檢測標(biāo)準(zhǔn)更新較慢，方法較為落后，在有正規(guī)檢驗機構(gòu)發(fā)表聲明的情況下，可以授權(quán)有資質(zhì)的檢驗機構(gòu)采用精度不低于GB/T 223 標(biāo)準(zhǔn)的新方法進行檢驗。

2.2 無損檢測

6 mm 及以上的鋼板無損檢測主要執(zhí)行EN 10160—1999[18]，進行100%超聲波檢查，合格級別為S2 級，邊緣進行100%超聲波檢查，合格級別為E4 級。介于該標(biāo)準(zhǔn)編制時間較早且不利于在國內(nèi)的實施和監(jiān)管，建議采用NB/T 47013.3[19]進行100%超聲檢測，Ⅰ級合格。

需要注意的是NB/T 47013.3 要求對板材中部和板材邊緣或剖口預(yù)定線兩側(cè)一定范圍內(nèi)的掃查方式和質(zhì)量分級是有區(qū)別的。板材中部進行間距為50 mm 的平行掃描或間距為100 mm 的網(wǎng)格掃描，板材邊緣或剖口預(yù)定線周邊規(guī)定區(qū)域內(nèi)進行100%掃查，其Ⅰ級合格的質(zhì)量分級要求分別如表1[19]和表2[19]所示。

表1 承壓設(shè)備用板材中部檢測區(qū)域質(zhì)量分級Table 1 Acceptance criteria of middle inspection area of plate for pressure equipment mm

表2 承壓設(shè)備用板材邊緣或剖口預(yù)定線兩側(cè)檢測區(qū)域質(zhì)量分級Table 2 Acceptance criteria of plate edge or both sides of the predetermined line for pressure equipment mm

可以看出板材邊緣或剖口預(yù)定線兩側(cè)的掃查方式和質(zhì)量分級都是明顯高于板材中部的。而在生產(chǎn)過程中，鋼板檢測主要在鋼廠進行，并且大部分會在軋制后熱處理前的不規(guī)則坯料上，此時尚無法確定目標(biāo)板的下料切割線位置以及剖口預(yù)定線位置。關(guān)于以上問題的推薦解決方案有兩個：

方案一：提高板材中部的掃查方式為100%掃查，質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)按照板邊的嚴(yán)格要求。

方案二：鋼板出廠時按原定NB/T 47013.3 進行100%超聲檢測，Ⅰ級合格。進入預(yù)制廠劃定切割線或剖口預(yù)定線后，對線的兩側(cè)進行超聲波復(fù)探，兩側(cè)區(qū)域?qū)挾劝碞B/T 47013.3—2015 表5 中相關(guān)規(guī)定，質(zhì)量分級按邊緣或剖口預(yù)定線兩側(cè)的Ⅰ級為合 格。

兩個方案中，對于剖口預(yù)定線比較密集的底環(huán)板、加強圈、錨固帶等推選用方案一；對于壁板、底板等規(guī)則的矩形板推薦選用方案二。

2.3 熱處理

9Ni 鋼板的強度和韌性主要取決于熱處理后得到的馬氏體和貝氏體組織，目前主要的熱處理工藝有兩次正火＋回火（NNT）、淬火+回火（QT）、雙相區(qū)熱處理（IHT）。GB/T 24510 以及EN 10028.4 推薦的主要熱處理方法都是QT 工藝，同時在一定條件下允許薄板采用NNT 工藝。具體熱處理工藝的選擇需要鋼廠方面根據(jù)其設(shè)備能力、生產(chǎn)調(diào)度周期等因素綜合考慮，就目前生產(chǎn)情況看QT 工藝相對比較穩(wěn)定，在生產(chǎn)過程中應(yīng)用較廣泛。

當(dāng)性能試驗不合格時，鋼廠方面通常會要求重新熱處理以降低生產(chǎn)成本。安豐輝[20]等人的研究結(jié)果顯示：鋼板在一次和二次淬火前后其寬度和長度尺寸均發(fā)生增大，主要原因是淬火過程中鋼板相變層的膨脹量超過未相變層的屈服應(yīng)變，導(dǎo)致未相變層奧氏體發(fā)生塑性延伸。重復(fù)熱處理特別是淬火對鋼板性能的影響主要有：

（1）造成較嚴(yán)重的表面氧化甚至厚度減薄；

（2）易變形，造成板面平整度較差；

（3）由于鋼材的組織遺傳性，造成晶粒持續(xù)增大，并造成晶間裂紋的延伸。

目前，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及已發(fā)表的研究成果都未明確鋼板重復(fù)熱處理次數(shù)要求。僅NB/T 47010—2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》第7.5.4 條規(guī)定：當(dāng)力學(xué)性能試驗或復(fù)驗不合格時，允許對該批（件）鍛件重新熱處理后進行檢驗，但重新熱處理的次數(shù)不得超過2 次[21]。所以生產(chǎn)過程中應(yīng)限制重新熱處理的次數(shù)，建議重新熱處理次數(shù)不超過兩次，并在技術(shù)規(guī)格書及材料質(zhì)量證明書中加以明確。

2.4 機械性能

交貨狀態(tài)的9Ni 鋼板應(yīng)分別在頭、尾兩端取樣（采用全厚度取樣），檢測室溫拉伸性能和低溫沖擊性能，取樣和檢驗方法執(zhí)行EN 10028-1[22]或GB/T 2975[23]的規(guī)定。拉伸、沖擊試樣的軸線方向均應(yīng)垂直于鋼板的軋制方向；沖擊試樣的V 型缺口軸線方向應(yīng)垂直于鋼板的軋制表面。

從產(chǎn)品的實際力學(xué)性能看，現(xiàn)階段各個制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品都能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)格書要求。但需要注意的是通常壓力容器用材料對塑性要求較高，而現(xiàn)階段9Ni 鋼板普遍存在屈強比較高的情況，部分材料屈強比甚至達到了95%以上。當(dāng)屈強比較高時，材料從屈服到斷裂的時間較短，在斷裂前的塑性“儲備”較少，使得材料對應(yīng)力集中敏感，抗疲勞性能下降，這也是調(diào)制鋼中普遍存在的現(xiàn)象，迫切需要解決，在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)材料的屈強比選取適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。

2.5 預(yù)制加工

為減少材料的轉(zhuǎn)運工序次數(shù)，同時考慮目前LNG 儲罐建造現(xiàn)場的施工環(huán)境，出于保護鋼板不受磁性、腐蝕、機械碰撞等因素的損傷，LNG 儲罐用9Ni 鋼板采購時通常要求鋼板出廠后就近直接進入預(yù)制廠進行預(yù)制。預(yù)制加工過程中應(yīng)注意以下問題：

（1）9Ni 鋼板因其較好的強度和韌性，當(dāng)板型不好時，很難通過機械手段進行校平，預(yù)制前應(yīng)對鋼板的不平度進行嚴(yán)格的驗收。

（2）9Ni 鋼是一種強磁性材料，易產(chǎn)生磁性，磁性較高時會在焊接施工時產(chǎn)生嚴(yán)重的磁偏吹現(xiàn)象，影響儲罐的焊接質(zhì)量。加工過程中應(yīng)盡量避免鋼板接觸強磁性物體，并盡可能減少加工次數(shù)，轉(zhuǎn)移時采用真空吸盤，打磨時應(yīng)使用不銹鋼專用的砂輪，交付時磁性殘留最大值不應(yīng)超過50 高斯。

2.6 腐蝕與防護

LNG 儲罐建成后會對罐內(nèi)進行氮氣置換，運行過程中內(nèi)罐罐體部分不會產(chǎn)生大氣腐蝕，所以完成后不進行防腐涂裝。而早期9Ni 鋼板多依賴于進口，其制造、運輸周期較長，長時間暴露在海洋大氣下易發(fā)生較嚴(yán)重的腐蝕。國內(nèi)LNG 儲罐多布局在沿海地區(qū)，儲罐的建造環(huán)境與輪船相近，為了避免腐蝕的發(fā)生，通常會借鑒船板的做法對鋼板表面進行預(yù)處理并涂車間底漆。預(yù)處理按照GB/T 34000—2016《中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[24]的規(guī)定，鋼材表面處理潔凈度應(yīng)達到Sa2.5 級，漆膜厚度范圍為15 ～ 25 μm，允許極限為13 ～ 40 μm。油漆質(zhì)量推薦按照GB/T 6747—2008《船用車間底漆》[25]中相關(guān)規(guī)定執(zhí)行并應(yīng)提供相應(yīng)的合格證明材料。

組裝時，涂有底漆的鋼材，如在焊接之前未能將底漆清除，則應(yīng)證明該底漆對焊縫的質(zhì)量沒有不良的影響。特別需要注意的是，在現(xiàn)場焊接施工前進行焊接工藝評定時，合格的帶車間底漆的焊接工藝可以用于不帶底漆的焊接，但反之則不允許。在車間底漆性能不確定的情況下，建議施工單位在焊接施工前都對焊接坡口及周邊進行清理。

另外，從近期的幾個項目國內(nèi)供應(yīng)商的生產(chǎn)情況來看，國產(chǎn)化9Ni 鋼板在存放和運輸條件良好的情況下，可以不使用車間底漆。原因如下：1）根據(jù)GB/T 19292.2—2018[26]中介紹碳鋼在高腐蝕環(huán)境中（C4 類）的最大腐蝕速率為80 μm/a。2）整個生產(chǎn)周期內(nèi)9Ni 鋼板暴露與海洋大氣腐蝕環(huán)境中的時間不會超過3 個月，即在無車間底漆防護的情況下，9Ni 鋼板在生產(chǎn)周期內(nèi)的腐蝕深度最大不會超過20 μm。

3 總結(jié)與展望

經(jīng)過近10 余年的生產(chǎn)實踐，國產(chǎn)化9Ni 鋼板已經(jīng)漸漸成熟，并在多個項目中使用。從目前的使用情況來看，國產(chǎn)化9Ni 鋼板各項性能指標(biāo)均不低于國外同類產(chǎn)品，同時使用國內(nèi)產(chǎn)品還具有以下優(yōu)勢：① 按照國標(biāo)進行制造和檢驗，便于監(jiān)督和管理；② 成分分析和無損檢測等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)更新及時，執(zhí)行較靈活；③ 生產(chǎn)、運輸和預(yù)制周期短，能夠有效減少過程中的腐蝕和磁性增加。

隨著天然氣開發(fā)技術(shù)日趨成熟，對天然氣儲運的需求也日趨緊迫。目前國內(nèi)多個地方在進行LNG儲罐的建造，其單罐容積多在16 萬方以上，在建最大單罐容積達到了27 萬方。儲罐的大型化對于設(shè)計和制造的要求也越來越高，特別是厚板性能的穩(wěn)定性。另外，在二次底上使用5mm 板可以有效節(jié)約材料，但此種規(guī)格鋼板的超聲檢測和沖擊性能檢驗需要特別注意。