國內外LNG儲罐用9%Ni鋼的性質比較

柳智(中石化青島液化天然氣有限責任公司，山東 青島 266400)

0 引言

隨著世界天然氣產業的迅猛發展，液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)作為一種清潔能源，憑借自身優勢成為國際天然氣貿易的重要部分。對國外生產9%Ni鋼的大型鋼鐵生產企業比利時INDUSTEEL公司、日本新日鐵公司和國內生產9Ni鋼的大型鋼鐵生產企業太原鋼廠、南京鋼廠、鞍山鋼廠進行技術調研、考察各廠家的9%Ni鋼的化學成分、力學性能及內在質量，對比如下。

1 化學組成對比

9%Ni鋼是世界公認生產難度最大的鋼種之一，國內外生產9%Ni鋼的廠家通過控制超低磷、超低硫冶煉使成品滿足高強度及-196 ℃超低溫韌性要求[1-2]。一般來說，C可以通過間隙固溶提高強度，但是碳含量高會造成碳化物析出產生孔蝕，焊接性能和冷脆性顯著降低，因此在保證強度的前提下，C應該越低越好。Ni為奧氏體穩定元素，9%左右的Ni為穩定化元素，能提高低溫時鋼材的強度，降低AC3點，細化晶粒，降低脆性轉變溫度，減輕脆性并改善機械性能，增強耐酸能力。Mn是奧氏體穩定元素，有利于回轉奧氏體的穩定，也是基體強化元素，可以通過沉淀強化來提高強度，Mn的含量應該控制在合理的范圍內，過低則強度達不到要求，過高則形成大尺寸的MnS夾雜物影響焊機性能和低溫韌性。Si在煉鋼過程中是脫氧元素，對降低9Ni鋼中有害元素0含量非常重要，Si同時可以提高強度，但含量也應該控制在合理的范圍內。Cr在結構鋼和工具鋼中，能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。Cr又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。S、P為有害元素，S易與金屬元素Mn形成MnS，P容易在晶界偏聚降低晶界抗裂紋擴展能力，降低低溫韌性。對低溫韌性有害的元素，應將其控制在最低值。國內外各廠家9%Ni鋼成品化學成分和中國石化物資采購技術標準《16萬m3全容式LNG儲罐用06Ni9DR鋼板》對個化學成分要求標準見表1。從表1中可以看出，國內外的5家成產廠家均達到中國石化物資采購技術標準，國內與國外的鋼板相比化學成分差別不大，國內鋼板在S成分的控制上還有待提高。

2 熱處理及金相組織對比

中國石化物資采購技術標準《16萬m3全容式LNG儲罐用06Ni9DR鋼板》鋼板的交貨狀態要求鋼板應采用電爐冶煉或氧氣轉爐冶煉，并采用爐外精煉加真空脫氣工藝生產。鋼板應為鎮靜鋼，并應做細化晶粒處理，采用連鑄工藝，技術條件所規定的鋼板生產工藝不應有較大變化。供貨的所有鋼板其主要元素(C、Ni、P、S)的成分范圍應盡可能小，以保證鋼板性能的穩定和一致性。鋼板的交貨狀態為淬火+回火(QT)，回火溫度應限制在540～600 ℃之間，允許在淬火和回火工序之間增加一道臨界淬火，即QLT或QQ’T工藝。不允許采用兩次正火+回火(NNT)工藝。為淬火+回火(QT)，回火溫度應限制在 540～600 ℃之間，允許在淬火和回火工序之間增加一道臨界淬火，即QLT或QQ’T工藝。不允許采用兩次正火+回火(NNT)工藝[3-4]。國內外生產9%Ni鋼板的供貨鋼廠采用的熱處理工藝參數見表2。

表1 國內外各廠家9%Ni鋼成品化學成分對比 單位：wt%

表2 9%Ni鋼材交貨狀態

3 力學性能對比

國內外各個生產廠家的9%Ni鋼材常規力學性能應符合表3中物資采購標準的的數值要求。從表3可以看出各個生產廠家的9%Ni鋼板的力學性能均達到物資采購的標準，與國外生產廠家相比，國產的9%Ni鋼在拉伸實驗和沖擊試驗中表現出來的力學強度能和國外廠家已經與國外產品接近。

4 配套焊材的情況

-196 ℃以下的脆性轉變溫度為9%Ni鋼板的手工焊接溫度，焊前正火后再進行高溫回火(或900 ℃水淬后570 ℃回火)，9%Ni鋼板焊接的關鍵有幾點，分別是焊接韌性的保證、接頭強度和焊接缺陷的控制。當選擇焊接材料時注意以下幾點：

(1)焊接前注意對9%Ni板的保護，前嚴禁接觸磁性材料，避免在直流電焊接產生電弧偏吹等情況，影響焊接質量。

(2)采用與9%Ni鋼相近的焊接材料時，焊后要熱處理，以保證焊縫的低溫韌性，采用高鎳焊接材料進行焊接。

(3)9%Ni鋼焊接前不能預熱，高鎳奧氏體類型的焊接材料強烈晶粒長大傾向，為保證焊接接頭的低溫韌性要控制層間溫度，避免焊接接頭過熱、晶粒長大。

(4)合理選擇焊接線能量，其關系到焊接接頭的組織、晶粒粗細和焊接接頭的性能。500 ℃的焊接熱循環對焊接接頭的強度和焊接韌性沒有太大影響；900～1200 ℃的焊接熱循環，會使晶粒長大到原來的3～5倍，導致接頭的低溫韌性明顯下降，所以，嚴格控制焊接熱輸入并控制和調節焊后冷卻速度。

表3 國內外生產廠家9%Ni鋼材的常規力學性能對比

目前國內在建的LNG項目內罐9%Ni鋼焊接材料國外采購居多，焊條型號一般為ENiCrMo-6；焊絲型號一般為ERNiCrMo-3和ERNiCrMo-4，且后一種焊絲牌號應用最普遍。通過實踐證明，無論是國內或者國外鋼板使用以上焊接材料獲得焊接接頭性能都能達到規范和標準要求。

5 供貨商業績對比

在業績方面，國外的Industeel和新日鋼生產的9%Ni鋼已經得到廣泛的應用，控制了主要的國際市場，國內太鋼和南鋼生產的9%Ni鋼已應用于中石油在大連和江蘇等LNG儲罐上，在使用效果上目前還未發現什么問題。總體來說，國產9%Ni鋼已基本達到應用于大型LNG儲罐上的要求。

6 結語

(1)國內鋼板的S、P含量比國外要高，合金成分控制方面稍差，各種性能指標比國外鋼板稍差，但也能達到標準規范要求。

(2)與國外生產廠家相比，國產的9%Ni鋼在拉伸實驗和沖擊試驗中表現出來的力學強度能和國外廠家已經與國外產品接近。

總體來說，國產9%Ni鋼已基本達到應用于大型LNG儲罐上的要求。