液化天然氣儲罐用高錳鋼應用研究進展*

姜長澤 亢淑梅 張思悅 范基業(yè) 張慧

遼寧科技大學 材料與冶金學院 遼寧 鞍山 114051

引言

LNG（液化天然氣）主要成分是甲烷，無色無味，無毒且無腐蝕性。其制造過程是將氣田產(chǎn)生的天然氣凈化處理，再經(jīng)過一連串低溫液化后，利用液化天然氣運輸船進行運輸。由于LNG在儲存運輸過程中以低溫形式存放，使得罐體材料工況溫度極低（-165℃），因而就要求其在低溫條件下仍具有極其優(yōu)異的延展性；另外LNG儲罐工作所處的海洋飛濺區(qū)腐蝕環(huán)境相較復雜而且惡劣，進而對于LNG儲罐的材料性能有著更細更高的要求[1-2]。

人們在開發(fā)的過程中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的耐磨鋼——高錳鋼可以耐受-196℃的極低溫度，因此將其作為一種開發(fā)LNG儲罐材料的新的研發(fā)思路具有極其深遠的戰(zhàn)略意義。在此之前的很長一段時間以來，國際海事組織（IMO）只允許使用四種材料作為 LNG儲罐的材料：不銹鋼、鎳合金鋼、鋁合金和 9%鎳鋼[3]。目前在LNG領域主要被應用的主要有9%鎳鋼、殷鋼、鋁合金和奧氏體不銹鋼[4]。選用他們的原因主要是他們都具有較優(yōu)異的低溫性能，但仍存在諸多不足，較為典型的問題是無法兼顧較好的低溫性能、較好的加工性能和較低的制造成本三者之間的關系。

綜合考量目前在LNG儲運領域的材料應用現(xiàn)狀，衡量各型材料在研究和實踐中的各項優(yōu)勢性能指標及存在的缺陷和局限性，尋找一種可以兼顧低溫性能和可加工性，甚至可以降低制造成本的合金材料替代現(xiàn)有材料成為該領域的一種新的研究和發(fā)展方向；高錳鋼完全能夠契合目前在LNG領域的相關要求，但仍需要不斷完善其各項性能指標[5-6]。為了使其能夠同時具有更好的可焊接性、可加工性和低溫韌性，加入了占比22%的Mn元素和Cr、Cu等諸多其他元素[7]；最終使其低溫韌性、耐腐蝕性能和抗疲勞性能均可以與當下廣泛使用的 9%鎳鋼相媲美，而且其塑性約為9% 鎳鋼的3倍；這大大提高LNG設施的安全性和穩(wěn)定性；與此同時錳的造價極低，只相當于同等鎳的 1/10 左右，比目前常用的其他幾種主流LNG儲罐用鋼的成本也要低很多；加之我國是一個極度緊缺鎳資源的國家，在未來，采用高錳鋼全面代替9%鎳鋼在LNG領域的應用地位成為一個具有巨大現(xiàn)實意義的目標，這不僅將大大降低制造成本還可以在一定程度上解決我國一直疲于應對的資源問題。大大鼓舞了我國在這一領域研發(fā)的斗志和信心。隨著能源和環(huán)保領域問題的日益凸顯，液化天然氣作為現(xiàn)階段的清潔能源具有極高的戰(zhàn)略地位；使得我國在LNG領域的迫切需要指引并且促進了其儲罐材料向低成本高性能的方向發(fā)展由此高錳奧氏體低溫鋼比傳統(tǒng)的鎳系低溫鋼擁有更加顯著的優(yōu)勢，和更加廣闊的應用前景，其意義不言而喻。

表1 高錳鋼的化學成分含量

1 國內外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

韓國和美國在發(fā)現(xiàn)高錳鋼所具有的戰(zhàn)略價值后已經(jīng)率先將高錳鋼納入各自的標準和規(guī)范；在目前高錳鋼應用于低溫LNG儲罐輸運材料方面的世界范圍中，韓國較為領先，通過資料可知，在實驗過程中為了研究高錳鋼性能優(yōu)勢，研究人員用高錳鋼與傳統(tǒng)9%鎳鋼作比較，發(fā)現(xiàn)高錳鋼的低溫適應性、沖擊韌性等諸多低溫性能與9%鎳鋼等傳統(tǒng)低溫合金鋼相當，且在實驗中發(fā)現(xiàn)高錳鋼在眾多試樣中具有最低的熱膨脹率；在焊接材料的配套研究方面，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)過系列工藝試驗發(fā)現(xiàn)高錳鋼的焊接工藝性能也十分優(yōu)異；通過對加工工藝的研究發(fā)現(xiàn)高錳鋼具有良好的塑性和韌性，在低溫和加大載荷的條件下仍表現(xiàn)出很好的加工性能。在應用方面，韓國率先研制出以高錳鋼作為罐體材料，以LNG作為燃料的貨船，用于采集實際工作數(shù)據(jù)以進一步研究高錳鋼的特點，驗證高錳鋼的優(yōu)越性，便于更加完善高錳鋼的性能，進而實現(xiàn)高錳鋼這一具有諸多優(yōu)勢的合金材料被廣泛應用于LNG儲罐材料領域的目標。韓國隨后在陸地上建立陸上LNG儲罐用于進一步的試驗研究和驗證。在認識到高錳鋼廣闊的應用前景后，國際上亦開始致力于高錳奧氏體低溫鋼應用標準的研究和制定?！暗蜏丨h(huán)境的高錳奧氏體鋼應用臨時指南” （MSC.1/Circ.1599）在2019年1月的MSC100次會議上被通過。其主要對材料的化學成分、性能指標、試驗、儲罐設計強度校核、焊接和檢驗等多方面要求進行了詳細的規(guī)定。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》（ISO21635－2018）[9]，以上諸多規(guī)范為高錳鋼在LNG領域的應用提供了標準，為指導高錳鋼在LNG領域的研發(fā)奠定了基礎。

表2 高錳奧氏體鋼的力學性能

1.2 國內研究現(xiàn)狀

我國是鎳資源極度緊缺的國家；開發(fā)高錳鋼在LNG儲運領域的應用，以及高錳鋼全面替代9%鎳鋼在LNG儲運領域的應用地位對于我國來說具有舉足輕重的意義。從2016年開始，我國的相關單位便開始開展高錳奧氏體鋼的研發(fā)工作。河鋼舞鋼經(jīng)過不懈努力解決了諸多如合金加入量大、澆注溫度低、易偏析、低溫變形抗力大等重要的技術難題，制成后的高錳奧氏體鋼材料完全符合國際上制定的標準，不同厚度的高錳奧氏體鋼板材也均符合國際標準[10]。另外諸多高校和科研院所從基礎理論研究入手，通過將高錳鋼化學成分的不斷改良，和對轉爐合金化和精煉高純凈度的把控，連鑄低過熱度、弱冷、高拉速控制等工藝上的設計和優(yōu)化完善，實現(xiàn)了高錳鋼大生產(chǎn)的試制。針對傳統(tǒng)高錳奧氏體鋼焊接性能不好的問題，諸多相關單位與科研院所對于焊接材料進行研究改進和不斷優(yōu)化，不斷探索，精益求精，對于高錳鋼的加工性能也有了較好的掌握；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，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。為充分掌握高錳鋼的加工性能，我國自行制造試驗的LNG儲罐經(jīng)過水壓試驗、無損檢測和液氮充裝試驗結果比較理想，也充分驗證了其優(yōu)秀的低溫性能。為今后的制造和實際應用積累實踐經(jīng)驗。

中國船級社于2021年12月1日生效了《高錳奧氏體低溫鋼應用指南》（后稱指南）。指南分五章，介紹了高錳奧氏體鋼的定義、研究目的和適用范圍；詳細描述了高錳鋼的化學成分要求，制造方法，力學性能等；結合其他國家在這一領域的研發(fā)成果，歸納總結了制成后的試驗方法和認可標準，焊接材料的要求和焊接的認可標準；對高錳鋼的應用和強度評估作了規(guī)定。該指南最大限度地結合現(xiàn)有的研究進展與成果詳盡闡述了生產(chǎn)和研發(fā)過程中所涉及的各項性能要求和取樣及驗證方法。指南成為我國高錳鋼在LNG領域具有領導意義的準則，填補了我國在這一領域的空白，對國際標準進行了完善和補充，為今后高錳奧氏體低溫鋼的性能完善和持續(xù)發(fā)展提供了參考和標準，指導了關鍵性的技術問題對于我國高錳鋼在LNG儲罐領域應用的下一步發(fā)展和全面替代9%鎳鋼的未來前景提供了進一步的指導和保障[11]。

表3 接工藝認可實驗項目及評價指標表

2 現(xiàn)狀討論和前景展望

目前我國已經(jīng)擁有獨立的高錳鋼應用標準指南，下一步應繼續(xù)沿著指南規(guī)劃方向，不斷完善關于高錳鋼性能的基礎性研究。就目前全球的研究狀況而言高錳鋼在實際情況下的應用經(jīng)驗仍然存在諸多不足，需要繼續(xù)深入的探索和研究。一方面我國相關單位及科研院所等需要將準則不斷改進細化完善，爭取形成更加完備詳盡的體系；另一方面，與此同時也應不斷積累高錳鋼的施工工藝、結構設計、工藝設計及加工工程實踐中的經(jīng)驗，繼續(xù)補充高錳鋼的各項性能參數(shù)；實驗中不斷模擬不同高錳鋼可能在未來應用中出現(xiàn)的腐蝕環(huán)境和應力條件等，以應對不同條件下可能出現(xiàn)的狀況；根據(jù)現(xiàn)存亟待解決的問題和尚需完善的性能指標，尤其是對焊接材料與性能的掌握；不斷開展研究，完善安全評估實驗項目和衡量核準要求。立足于解決我國在高錳鋼基礎研究領域中出現(xiàn)的投入不足，實踐經(jīng)驗欠缺等問題。

另外隨著能源和環(huán)保領域問題的日益凸顯，液化天然氣作為現(xiàn)階段的清潔能源具有極高的戰(zhàn)略地位；使得我國在LNG領域的迫切需要指引并且促進了其儲罐材料向低成本高性能的方向發(fā)展，我國是鎳資源極度緊缺的國家，開展高錳鋼在LNG儲罐用鋼領域的研究，進而全面代替9%鎳鋼，有利于我國在LNG領域的研究不斷向前推進，不至于被資源束縛住在能源領域向環(huán)境友好型發(fā)展的手腳；開發(fā)錳資源的利用其成本遠小于被廣泛使用的鎳系合金甚至是其他合金，由此錳資源的利用具有極高的經(jīng)濟價值。錳資源在未來世界范圍內各領域得到的廣泛應用是可以預見的。隨著高錳奧氏體低溫鋼的研究不斷深入推進，以及在LNG儲運領域的不斷成熟和愈發(fā)完善，未來由于其本身所具有的低熱膨脹系數(shù)、良好的低溫穩(wěn)定性的特點將會運用在其他類似工作條件的領域中如液氮、液態(tài)二氧化碳、液氧、液氫等低溫液化氣體的儲存和輸運領域。