低溫儲罐用06Ni9DR 鋼板力學性能的統計分析

姜恒，葉娟，劉春嬌，王璐，孫嘉繁

（合肥通用機械研究院，國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心，安徽省壓力容器與管道安全技術省級實驗室，安徽 合肥 230031）

液化天然氣（LNG）作為一種清潔能源已逐步走進千家萬戶，隨著國內LNG 產業的快速發展，眾多大型LNG 接收站以及LNG 儲罐的建設帶動了Ni 鋼的需求。依托國內4 個大型LNG 儲罐建設項目用06Ni9DR鋼板的抽樣檢測工作，對國產06Ni9DR 鋼板大規模生產中的實物力學性能進行了統計分析，并對其主要質量問題做出了歸納總結，為將來相關材料標準及設計規范的修訂提供基礎數據。

1 06Ni9DR 鋼板的性能要求

LNG 儲罐用06Ni9DR 鋼板屬于-196℃級低溫壓力容器用鋼，其工作環境下直接接觸-165℃左右的液化天然氣，要求該鋼種具有較高的強度、良好的塑性以及優異的低溫沖擊韌性。我國標準與美國ASME 規范對于06Ni9DR 鋼拉伸強度、塑性以及沖擊韌性要求的對比，如表1 所示。由表可見，GB 24510 相比ASME SA553 在鋼板力學性能的要求上更加詳盡與嚴格。當前國內大型LNG 儲罐建設項目對于06Ni9DR 鋼板的訂貨技術要求更是高于國家標準的規定，尤其對于沖擊吸收能量KV2、側膨脹值LE 等提出了更高的要求。以下在對其進行力學性能統計時，均以我國石化訂貨要求作為合格與否的評判標準。

2 力學性能檢測結果的統計分析

當前國內大型LNG 儲罐用06Ni9DR 鋼板的厚度范圍主要為6～28.5mm，其中規格6mm 鋼板用量最大。對各種厚度規格的鋼板，按照實際用量情況，總共取樣7708 張進行力學性能測試。其中，低溫沖擊試驗是逐張進行，共獲得7708 組數據，而拉伸與彎曲試驗為部分抽檢，分別獲得5823 組數據。在彎曲工藝性能方面，所進行試驗的5823 張鋼板中僅有一例出現彎曲裂紋，合格率基本為100%。在此，著重對拉伸與沖擊性能指標進行統計與分析。將7708 張06Ni9DR 鋼板的拉伸與沖擊試驗數據合并統計如表2 所示。由于厚度10mm以下鋼板采用小尺寸沖擊試樣，在該表中進行統計時已將其KV2 指標換算成全尺寸試樣的數值。

表1 06Ni9DR 鋼板力學性能要求

表2 06Ni9DR 鋼板力學性能統計

以下將室溫拉伸與低溫沖擊測試結果按照板厚規格及數據波動范圍進行區間統計整理，如圖1～圖2 所示，由此可見不同厚度06Ni9DR 鋼板各項力學性能指標的分布規律。

2.1 拉伸性能

由 圖1 可 見， 國 產06Ni9DR 鋼 的 上 屈 服 強度ReH 的 合 格 率 為100%， 約82% 的 鋼 板ReH 為660～720MPa。總體來看，ReH 波動范圍下限距離585MPa 合格線仍有25MPa 左右的余量，且隨鋼板厚度的增加，ReH 波動范圍上限呈逐漸降低的趨勢。抗拉強度Rm 的合格率為99.8%，約97% 的鋼板Rm 為680～740MPa，其波動范圍下限接近680MPa 的最小要求值。厚度24mm 左右板出現少量抗拉強度偏低的情況，6mm 板出現少數抗拉強度超標的現象。塑性指標斷后伸長率A 的合格率為99.6%，約84%的鋼板A 為22%～28%。除6mm 板波動較大、出現少量不合格外，其余規格全部合格，且12mm 以上鋼板的塑性整體較好。

圖1 國產06Ni9DR 鋼板拉伸性能統計圖

2.2 沖擊性能

由圖2 可見，沖擊吸收能量KV2 的整體合格率為99%，約88%的6mm 鋼板KV2 為80～120J，約92%的8mm 鋼 板KV2 為120～180J，約80% 的10mm 以 上 鋼板KV2 為210～260J。10mm 以上鋼板同樣表現較好，分散帶下限高出合格線50J 以上，其合格率為100%。而6mm、8mm 薄板的KV2 數據分散度相對較大，其合格率分別為98.6% 和99%。-196℃沖擊試驗的剪切斷面率FA 及側膨脹值LE 兩項指標的合格率均為100%，約93% 的 鋼 板FA 為92%～98%，約82% 的 鋼 板LE 為2.0～2.4mm，即使在KV2 不合格時也能滿足要求。與KV2 指標相對應，6mm 板在這兩項指標上較其它厚度板表現出更大的波動性。

圖2 國產06Ni9DR 鋼板-196℃沖擊性能統計圖

綜上所述，國產06Ni9DR 鋼板的拉伸強度、塑性、沖擊韌性及彎曲性能總體良好，合格率可達95%以上。厚度10mm 以上板的性能較為穩定，6～8mm 板的性能波動較大且易出現不合格的情況。

3 06Ni9DR 鋼板典型性能異常情況

3.1 低溫沖擊韌性不足

對于低溫環境下服役的06Ni9DR 鋼板，為了防止低溫脆性斷裂的發生，必需具備優良的低溫沖擊韌性。在所抽檢的鋼板中，存在部分鋼板的室溫拉伸性能合格，而低溫沖擊KV2 僅達到合格指標50%以下，且LE 僅比標準要求值0.64mm 高出0.4mm 左右的情況，低溫沖擊韌性嚴重不足。通過對該部分鋼板取樣進行化學成分分析發現，其平均氧含量高達35ppm，遠遠超出訂貨技術條件氧含量≤14ppm 的要求。若鋼板在熔煉過程中脫氧不充分，超出溶解度部分的氧會以各種夾雜物的形式存在，對鋼的塑性及韌性均不利，尤其對于沖擊韌性極為不利，會提高鋼的韌脆轉變溫度，此即導致鋼板低溫韌性不足的重要原因。

3.2 室溫拉伸強度異常超高

在06Ni9DR 鋼板室溫拉伸性能檢測中，出現少數鋼板抗拉強度超過1000MPa，且規定非比例延伸強度Rp0.2 高于抗拉強度標準范圍上限（820MPa）的情況。該類鋼板在拉伸試驗過程中屈服平臺消失，僅在900MPa 附近有瞬間的載荷下降，材料塑性嚴重不足，試樣斷裂時呈現出較硬的狀態。此外，該類鋼板的低溫沖擊韌性亦有所降低，KV2 較正常水平下降約40J 左右，LE 下降約0.8mm 左右，合格余量較小。通過對強度超標鋼板進行金相取樣觀察，發現其存在板條狀馬氏體形態的組織，該類鋼板強度高而塑性差正是由于存在這種組織的結果。導致該類組織出現的原因是鋼板在回火過程中局部溫度偏低導致回火不夠充分，淬火時形成的馬氏體組織未得到完全轉化而遺留下來。

4 結語

（1）國產06Ni9DR 鋼板總體力學性能良好，彎曲性能優良，拉伸強度、塑性與低溫沖擊韌性均具有一定的合格余量。

（2）厚度10mm 以上鋼板的力學性能較為穩定，產品合格率高，性能異常情況少；而6～8mm 薄板的性能波動較大，出現不合格的情況相對較多。

（3）應重視對06Ni9DR 鋼板生產熔煉過程中氧含量的控制，以利于獲得優良的低溫沖擊韌性。

（4）今后需進一步提高國產06Ni9DR 鋼板熱處理工藝質量的穩定性，盡可能減少力學性能異常情況的發生。