16MnDR在LNG儲罐的應用

李博成，張雨，馬媛，周姝娟，閆冀明

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

近年來隨著中國石油產品需求量的大幅提升，LNG儲罐的建造迅速發展、崛起[1]，我國計劃建造200多個特大型LNG儲罐，LNG儲運設施的總投資預計可達1×1012元[2]。市場中的壓力容器設備常規用板材Q345R不能滿足設備在低溫低應力條件下的使用要求[3]，在-20～-40 ℃的工況條件下，設備的主要受壓元件板材只能選用低溫板材或奧氏體不銹鋼，由于不銹鋼造價過高，使得我國研制出的一種壓力容器用低溫鋼—16MnDR鋼材在-20～-40 ℃的工作溫度范圍內突顯出一定的使用優勢[3]。16MnDR是在原有的主要強化元素Mn和Si的基礎上，添加Nb、Ni、V等微合金元素，及采用高純潔凈鋼的冶煉方法和微合金化等措施冶煉而成的具有足夠的強度，良好的塑性、低溫沖擊韌性(在-40 ℃的使用溫度下低溫沖擊功Akv≥34 J)和抗焊接冷裂紋性能[4-7]。此外，16MnDR鋼材具有良好的抗硫化氫應力腐蝕性能，其實際性能達到國外先進水平鋼廠生產的同類鋼號[8]。目前，16MnDR通常用于液化石油、液氧、液氮、液氨等相關生產儲存容器、輸送管道以及寒冷地區服役設備[9]，是石油化工裝置中廣泛用于制造低溫壓力容器的經濟型碳錳鋼(C-Mn鋼)[4]。

LNG儲罐用材料的正確選擇對于LNG工程的安全性和經濟性起著至關重要的作用。由于工業技術標準的不同，造成各國LNG儲罐用材料的技術性能指標、合金體系及其理論依據的不同[10]。本文通過分析16MnDR在某16萬立方米儲罐成功應用的案例，研究論證16MnDR代替進口板材S355J2結構鋼在22萬立方米儲罐中應用的可行性及技術上的可靠性，為國產材料16MnDR在LNG工程的應用提供了理論依據。

1 16MnDR和S355J2材料對應標準體系及特征對比分析

我國常用的低合金板材Q355D和德國的S355J2，美國的ASTM A529MGr50是同一級別，化學成分略有差異，機械性能相同。歐標牌號S355J2屬于碳素結構鋼板，執行EN 10025—2: 2004，根據GB/T 1591—2018牌號S355J2對應于國標牌號Q355D(AR)。S355J2是低合金高強度結構鋼，因其具有良好的強度、沖擊韌性和焊接性能，使得此牌號的鋼板在各個行業都有廣泛的應用，主要應用于橋梁、船舶、重型機械基礎、海洋石油平臺及其他承受較高載荷的工程與焊接結構件。

NB/T 47014—2011 (JB/T 4708)根據金屬材料的化學成分、力學性能和焊接性能將焊制承壓設備用母材進行分類、分組，將Q345(GB/T 1591—2018標準已用Q355鋼級替代Q345鋼級)與16MnDR材料歸為同一類別和組別。根據組別評定規則，某一母材評定合格的焊接工藝，適用于同類別號同組別號的其他母材[11]。因此，母材S355J2評定合格的焊接工藝，適用于母材16MnDR。

2 試驗材料

2.1 化學成分

根據GB 3531—2014，16MnDR板材中含有C、Si、Mn、Ni等化學成分，其中C、S和P元素是鐵礦石中的原有化學成分，對鋼材而言屬于的雜質元素，會增加鋼板的脆性，降低其低溫韌性。由于脆性斷裂為16MnDR的主要失效模式，因此C、S和P元素對鋼板是有害的。但由于這些元素是礦石中固有的不能去除的，故而只能控制其含量。16MnDR中含有的鋼材有益化學元素—Ni、Mn和Si元素可以提高鋼板的低溫韌性，提高沖擊吸收功，降低韌脆轉變溫度[3]。16MnDR和S355J2鋼的化學成分(熔煉分析)如表1所示[12-13]。

表1 母材16MnDR、S355J2鋼的化學成分的質量分數 單位：%

2.2 力學性能

根 據GB 3531—2014、GB/T 1591—2018和BS EN 10025—2: 2004，16MnDR、Q355D(AR)、S355J2鋼的力學性能如表2所示[12-14]。

表2 16MnDR、Q355D(AR)、S355J2鋼的力學性能

3 項目實例

3.1 項目概況

某LNG項目接收站工程建設規模達500萬噸/年，包括：LNG專用裝卸碼頭(最大可停靠26.6萬立方米LNG船舶)1座、6座22萬立方米儲罐、配套氣化外輸裝置及公用工程系統等。該儲罐為目前國內單個儲罐容積最大的液化天然氣儲罐，基礎形式為樁基，樁基礎以上主要結構部位為承臺、墻體及穹頂。其結構形式為預應力鋼筋混凝土筒體，內襯鋼結構。內罐體結構包括罐底、罐壁、鋁內罐吊頂，罐體直徑為86.00 m，儲罐內罐墻體相對標高為43.60 m，內罐凈容量為220 000 m3，鋁吊頂通過吊桿與拱頂骨架連接在一起，主體材質為ω(Ni)9%低溫鋼。

儲罐外罐墻體結構包括罐底、罐壁、抗壓環和拱頂，外罐墻體內直徑為88.00 m，儲罐外罐墻體相對標高為51.60 m(環梁以下)。墻體分為12層，其中，拱頂模塊(包括中心環等)、罐頂結構、穹頂襯里板、防潮板和罐頂穿孔等結構采用S355J2結構鋼。

3.2 焊接工藝評定試驗

3.2.1 化學成分

16MnDR和S355J2鋼分別根據GB/T 3531—2014和EN 10025—2: 2004進行化學成分檢測，材質證書實測值如表3所示。

表3 16MnDR、S355J2鋼低溫壓力容器母材的化學成分質量分數實測值 單位：%

3.2.2 焊接工藝評定力學性能試驗

經檢驗的16MnDR和S355J2鋼板的力學性能均符合NB/T 47014—2011及相關標準要求。對于16MnDR鋼板的力學性能試驗，試驗用母材厚度為12 mm，焊材為碳鋼焊條E7018-1，填充金屬直徑為Φ3.2 mm。對于S355J2鋼板的力學性能試驗，試驗用母材厚度為12 mm，焊材為碳鋼焊條E7018，填充金屬直徑為Φ3.2 mm。

分別取2組試樣尺寸(寬度×厚度)約為25×12 mm 的16MnDR和S355J2鋼進行焊接接頭拉伸試驗，測得16MnDR的斷裂荷載分別為167713 N和167889 N, S355J2的斷裂荷載分別為173628 N和174786 N。16MnDR的抗拉強度分別為550 和552 MPa,S355J2的抗拉強度分別為557和564 MPa。根據試驗結果可知，16MnDR和S355J2鋼拉伸試驗的試樣斷裂位置均在母材上，說明在-40 ℃試驗條件下，焊縫強度高于母材。

分別取4組16MnDR和4組S355J2鋼進行焊接接頭彎曲試驗，彎曲類型為側彎，彎心直徑為40 mm。16MnDR和S355J2鋼的側彎試驗結果為：所有側彎試驗彎曲角度為180°時，彎曲凸面焊縫上均未發現缺陷，試樣檢測結果全部合格，說明焊縫塑性較好，沒有尺寸較大的非金屬夾雜。

對16MnDR和S355J2鋼的力學沖擊值進行分析，根據表4可知，-20 ℃下S355J2焊接接頭的平均吸收功焊縫中心的為63 J，熱影響區的為118 J。-40 ℃下16MnDR焊接接頭的平均吸收功焊縫中心的為89 J，熱影響區的為221 J，遠大于標準要求值47 J，說明16MnDR在-40 ℃下焊接接頭具有優良的低溫沖擊韌性。眾所周知，低溫鋼板的使用單位希望鋼板具有較高的低溫沖擊功，16MnDR鋼的使用溫度較低，較S355J2鋼更適用于低溫壓力容器的制備。

表4 16MnDR和S355J2鋼的沖擊試驗

3.2.3 顯微硬度測試

分別對16MnDR和S355J2鋼進行顯微硬度試驗，在距上、下表面2 mm處分別選取母材、熱影響區、焊縫為測試點位置。根據測試結果可知，16MnDR鋼板焊縫區的顯微硬度在HV220以上，焊縫位置顯微硬度較為均勻，未見明顯異常情況，在母材區16MnDR鋼的顯微硬度在HV165左右，S355J2鋼的顯微硬度在HV160左右，綜上可知，16MnDR的硬度略高于S355J2的硬度。

4 結語

對比分析國內兩個大型LNG項目儲罐用材料16MnDR和S355J2鋼的常規力學性能，得出以下結論：

(1)在相同的試驗環境中，16MnDR鋼焊接接頭的低溫沖擊韌性優于S355J2鋼焊接接頭的低溫沖擊韌性，且在-40 ℃時，16MnDR具有良好的低溫沖擊韌性。

(2)國產材料16MnDR替代進口材料S355J2，有利于通過國內標準規范對材料性能指標進行把控。16MnDR和S355J2屬于焊制承壓設備用同類、同組母材，根據NB/T 47014—2011可知用16MnDR代替S355J2鋼板，S355J2已在某22萬立方米儲罐LNG項目評定合格的焊接工藝，適用于同類別號同組別號的母材16MnDR，后續項目兩種材料的替換，不需要重新進行16MnDR鋼的焊接工藝評定，降低焊評所需的時間成本和經濟成本的同時，對響應國家降本增效的戰略舉措具有重要意義。

綜上所述，國產材料16MnDR可代替S355J2鋼應用于22萬立方米LNG低溫儲罐的建造工程。