2022.2.9 　閱讀：1174

編者按：LNG通常在-163℃進行低溫儲存，LNG儲運設施可選用的材料通常包括殷瓦合金、奧氏體不銹鋼和9%Ni鋼。相對于奧氏體不銹鋼，9%Ni鋼的使用安全性更高，而且隨著全世界LNG儲罐不斷向大型化發展，相應地，9%Ni鋼板的厚度要求也不斷提高，有的甚至達到100mm。在對LNG儲運關鍵材料用鋼要求高安全性的同時，降低建造成本，實現減Ni化鋼板的開發成為Ni系低溫鋼的一個重要發展方向，為此國內外相繼開發出節鎳型低溫鋼。近年來，為降低LNG儲罐用鋼的生產成本以及對高價鎳元素的依賴度，高錳奧氏體鋼因其低廉的價格和優異的塑韌性而備受矚目。目前，國內外鋼鐵企業、科研院所正加緊LNG儲運用低溫高錳鋼的開發和工業化生產以及應用。 
1、概況 
      近年來，環境問題在全球范圍內不斷升級，環境保護法規也趨于嚴格。當前，國際海事組織（IMO）提出了一系列關于環保和海上安全的新標準和新規范，加嚴了船舶污染物排放要求，將船舶SO2排放上限從3.5%降至0.5%。為達到這一要求，一種方法是采用低硫燃料，另外一種減排方法就是采用液化天然氣（LNG）動力船。這意味著未來LNG運輸船的訂單量將會持續增加。而且，近幾年隨著我國空氣質量的不斷下降和國家對環境保護的高度重視，天然氣作為最主要的清潔能源越來越受到高度關注。我國天然氣消費量呈逐年大幅遞增趨勢。2001-2015年，我國天然氣消費量年均增長率超過15%。2018年我國天然氣表觀消費量達到2803億立方米，同比增長18.1%。其中，進口量高達1254億立方米，天然氣進口量超過日本成為全球第一大進口國。預計到2020年，我國天然氣表觀消費量將達4100億立方米，其中，進口1400億立方米，海上進口液化天然氣（LNG）占進口量的50%，將達700億立方米�；�于此，我國計劃建設超過200個特大型LNG儲罐、約60艘海上運輸船，LNG儲運設施的總投資近萬億人民幣，受此影響，未來儲運設施關鍵材料用低溫鋼的需求量將大幅增長。 
    LNG通常在-163℃進行低溫儲存，傳統可選用的材料有殷瓦合金、奧氏體不銹鋼和9%Ni鋼。與奧氏體不銹鋼相比，9%Ni鋼的使用安全性更高。隨著全世界LNG儲罐不斷向大型化發展，相應地，9%Ni鋼板的厚度要求由原來的30mm左右增加到50mm左右，甚至達到特厚100mm。 
      近年來，為降低LNG儲罐用鋼的生產成本以及對高價鎳元素的依賴度，實現減Ni化鋼板的開發成為Ni系低溫鋼的一個重要發展方向，而且高錳奧氏體鋼因其低廉的價格和優異的塑韌性而備受矚目。研究發現，高錳奧氏體低溫鋼的低溫韌性、耐疲勞性、耐腐蝕性等性能與目前廣泛應用的9%Ni鋼相當，其塑性遠優于9%Ni鋼，約為9%Ni鋼的3倍，且其焊接性更優。這對于提高LNG設施安全性具有重要意義。另外，金屬錳的價格僅為鎳價格的1/10左右，采用高錳鋼可大幅降低材料制造成本。 
2、傳統LNG儲罐用鋼 
      傳統LNG儲罐用鋼為9%Ni鋼，該鋼種最早由美國國際鎳公司（INCO）開發，并于1952年納入ASTM A353標準（NNT：兩次正火+回火）。此后，該鋼種生產工藝加以改進發展成為現在普遍使用的9%Ni鋼——A553 typeⅠ鋼（QT：淬火+回火），該產品于1965年納入標準。此后，隨著9%Ni鋼焊接技術實現突破性進展，9%Ni鋼作為LNG儲罐內罐材料才得以廣泛應用。 
      日本于1964年成立的以日本焊接協會為主的委員會，對9%Ni鋼母材特性、加工性、焊接特性及9%Ni鋼LNG儲罐建造的基本技術等內容進行了研究。1968年，日本新日鐵住金公司成功生產出9%Ni鋼并用于日本根岸最初的LNG儲罐建設。20世紀80年代，關于LNG儲罐用9%Ni鋼的安全性作為美國煤氣研究院（GRI）的研究項目在全世界范圍內進行研究和討論。在這項研究中，日本組成了一個以LNG儲罐業主為首，LNG儲罐制造公司、9%Ni鋼生產廠參加的研究組織，在經驗豐富的專家指導下，對9%Ni鋼的脆性裂紋止裂性進行評價和解析。結果證明，9%Ni鋼具有足夠的抗斷裂性，這意味著9%Ni鋼制LNG儲罐具備高安全性。 
      進入20世紀90年代后，全世界LNG儲罐大型化有了很大進展。為了有效利用占地面積和降低儲罐建造成本，LNG儲罐容量由原來的8萬立方米，向14萬立方米、18萬立方米發展。相應地，對9%Ni鋼板的厚度要求由原來的30mm左右增加到50mm左右。厚度增加使鋼板產生了斷裂韌性下降的問題。因此需要開發出與傳統9%Ni鋼相比，母材和焊接接頭低溫韌性更好的厚鋼板制造技術。 
      根據用戶對9%Ni厚鋼板的需求，新日鐵住金開發出新型9%Ni鋼厚鋼板。新開發鋼在低P、S高潔凈化的同時，降低Si含量并添加微量Mo，在制造中采用兩相區淬火熱處理，使開發鋼母材和焊接接頭具有良好的強度和低溫韌性。之后從各個方面對開發鋼的脆性斷裂安全性進行評價，確認新開發的50mm特厚9%Ni鋼板具有充分的安全性。目前新日鐵住金不僅可生產LNG儲罐用的特厚9%Ni鋼板，還可以生產用于極低溫容器的厚度為100mm的超特厚9%Ni鋼板。 
      2005年以后，國內太原鋼鐵公司、鞍山鋼鐵公司、南京鋼鐵公司、寶山鋼鐵公司、舞陽鋼鐵公司、江陰興澄特鋼鐵等先后開發了大型低溫儲罐用9%Ni鋼板，并先后通過了全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會組織的技術評審。以太原鋼鐵公司為例，該公司與太原理工大學組成研究開發團隊，以國家“863”科技計劃“液化天然氣儲罐用超低溫9%Ni鋼開發及應用技術”（項目編號：2007AA03Z555）為合作平臺，聯合開展了低溫材料06Ni9鋼實驗室研究、工業化研發生產。所取得的研究成果主要包括：1）開發出高鎳合金含量的低溫鋼超純凈冶金制備技術，實現工業化穩定批量生產鋼中[P]＋[S]＋[H]＋[N]＋[O]≤100ppm、鋼中低熔點元素Pb、Bi、Zn等含量極低的06Ni9鋼鐵材料；2）開發出06Ni9鋼HLH（高拉速、低過熱度、高溫矯直）專用連鑄工藝技術，解決了超低磷控制（技術要求鋼中P≤0.005%）問題，成為國內首家工業化、大批量生產出高潔凈度、高均勻性、高致密度、內部少缺陷、表面光潔、質量良好的06Ni9鋼連鑄坯；3）采用鋼坯表面防護（針對06Ni9鋼研發了適宜的專用涂層）和控制軋制技術，自主研發了06Ni9鑄坯高溫加熱防氧化專有技術，解決了高鎳鋼熱軋鐵鱗去除技術難題；4）通過控制軋制和熱處理板形控制技術，制備了表面良好、厚度公差小、板形平直的06Ni9鋼板；5）采用自主研發06Ni9鋼板的“低溫控軋+調質熱處理（QT）”全流程先進工業生產技術，生產出的鋼板具有穩定的產品質量、優良的綜合性能，尤其是良好的低溫斷裂性能和低溫韌性、冷彎性能等優于國外同類產品；6）形成06Ni9鋼板全流程先進工業制造技術集成。太原鋼鐵公司是國內首家研發、工業化大批量制備06Ni9鋼板并第一個應用于國家重點工程項目的鋼鐵公司，該公司低溫9Ni%鋼的成功開發及應用結束了國家能源領域急需的低溫關鍵材料完全依賴進口的不利局面。 
      近年來，國內鋼鐵公司生產的9%Ni鋼板，在國內LNG儲罐上得到了廣泛應用。中國石油天然氣總公司建于大連和江蘇的LNG接收站采用了太原鋼鐵公司和南京鋼鐵公司生產的9%Ni鋼板。該公司建于唐山曹妃甸的LNG接收站分別使用了南京鋼鐵公司和鞍山鋼鐵公司生產的9%Ni鋼板。尤其是2016年11月在江蘇如東LNG接收站投用的1臺國內最大2015;104m3預應力混凝土全包容LNG儲罐上，采用了南京鋼鐵公司生產的9%Ni鋼板，徹底打破了國外對9%Ni鋼板的壟斷，為以后LNG儲罐采用國產9%Ni鋼板，奠定了堅實的基礎。中國石化集團總公司的3個LNG接收站，除山東一期3臺LNG儲罐外，其余都使用了南京鋼鐵公司和鞍山鋼鐵公司生產的9%Ni鋼板，國產鋼板使用率達到75%。值得一提的是，2019年3月22日升頂的上海LNG接收站2臺2015;104m3預應力混凝土全包容LNG儲罐，采用了上海寶鋼生產的9%Ni鋼板。2019年施工的江蘇如東2臺2015;104m3和2018年施工的江蘇泓海能源2臺815;104m3雙鋼壁全包容LNG儲罐，都采用了江陰興澄特鋼生產的9%Ni鋼板。 
3、節鎳低溫鋼的開發 
      在對LNG儲運設施用鋼要求高安全性的同時，降低儲罐建造成本，實現減Ni化鋼板的開發成為Ni系低溫鋼的一個重要發展方向。 
3.1日本節鎳低溫鋼開發 
      從20世紀90年代起，新日鐵住金開始了包括TMCP在內的基礎性研究，2010年開發出7.1%Ni的LNG儲罐用鋼。經煤氣事業法適用性評價委員會的審議，認定7.1%Ni鋼作為7%Ni鋼具有與9%Ni鋼同等的性能。該鋼于2011年用于日本23萬立方米的大阪泉北煤氣制造所第一工廠5號LNG儲罐。7%Ni鋼是自9%Ni鋼誕生以來半個世紀后采用的新鋼種，也是LNG儲罐業主、制造者、鋼廠等采用新技術開發成功的新鋼種。此后，新日鐵住金又成功開發出6.3%Ni的LNG儲罐用鋼。 
      新日鐵住金新開發的節鎳型LNG儲罐用鋼的化學成分和制造方法見表1。由于Ni含量的降低，會引起韌性下降，所以對鋼的化學成分進行優化，并在制造工藝上采取提高韌性的措施。為保證母材具有良好的韌性，避開回火脆性、保證穩定的奧氏體組織以及金屬組織微細化等十分重要。為此，增加了奧氏體生成元素Mn的含量，以彌補Ni含量的減少，并添加了Mo。在制造工藝方面，采用直接淬火或控制軋制與兩相區熱處理+回火相組合的TMCP工藝。為保證鋼的焊接熱影響區具有良好的韌性，降低了阻礙滲碳體析出的Si含量，以增強等溫回火的效果，并調整Mn、Mo、Cr的添加量，優化淬透性，使熱影響區組織最佳化。采取這些措施，使開發鋼具有與9%Ni鋼等同的母材韌性和焊接接頭韌性。 
      新開發的節鎳型LNG儲罐用鋼已納入JIS G 3127（低溫壓力容器用Ni鋼板），牌號是SL7N590、Ni含量為6.0%-7.5%。SL7N590除了成分和制造方法，其他規定都與9%Ni鋼（SL9N590）相同。新開發鋼于2013年納入ASTM標準和ASME標準。新開發鋼在ASTM標準的牌號是ASTM A841 Grade G，除了成分和制造方法，其他規定都與9%Ni鋼（A553 typeⅠ）相同。鋼的Ni含量與JIS規定相同，是6.0%-7.5%。此外，在ASTM標準中，鋼的強度水平除了與傳統9%Ni鋼強度水平相同的9級，還有強度水平更高的10級。2014年11月，新開發的節鎳鋼納入API620 Appendi15;Q標準。繼大阪首座7%Ni鋼LNG儲罐之后，7%Ni鋼又用于東邦知多綠浜煤氣工廠的3號LNG儲罐（愛知縣）和相馬LNG基地的LNG儲罐（福島縣）。首座7%Ni鋼LNG儲罐——大阪泉北煤氣制造所第一工廠5號LNG儲罐已于2015年11月末建成，到目前為止運行順利。 
3.2國內節鎳低溫鋼開發 
      目前，我國已實現LNG儲罐用9%Ni鋼的規�；�生產，產品質量達到國際先進水平，部分指標甚至達到了國際領先水平。然而，由于我國屬于“貧鎳”國家，每年都需要大量進口以滿足國民經濟發展的需要，鎳金屬對外依存度超過60%，因此，在確保產品質量的基礎上，為降低LNG儲罐建造成本、提高儲罐設計和建造綜合競爭力，開發低成本LNG儲罐用鋼已迫在眉睫。7%Ni鋼作為一種新型低溫材料，已納入東北大學牽頭的國家“十三五”重點研發計劃“超低溫及嚴苛腐蝕條件下低成本容器用鋼開發與應用項目”中，南鋼承擔了開展節鎳LNG儲罐用鋼的研發與攻關任務。 
      傳統9%Ni鋼一般只含有C、Si、Mn和Ni等主要元素，降低Ni含量后，將導致鋼材淬透性下降、強度降低，難以滿足性能要求。為確保節Ni型鋼的強度并提出合理的成分方案，南鋼采用6.0%-7.0%Ni的節鎳合金化設計，并采用Cr、Mo元素合金化，用真空感應爐冶煉不同Cr、Mo含量的低鎳鋼，當添加0.5Cr-0.1Mo時，屈服強度為644MPa，抗拉強度為737MPa，達到9%Ni鋼標準要求。 
      為了獲得良好的強韌性匹配，9%Ni鋼在工業生產中一般采用“淬火+回火”（QT）熱處理工藝。但是Ni含量降低，會造成鋼的韌脆轉變溫度升高及低溫韌性惡化。為了解決低鎳鋼韌性較差的問題，需要改變加工工藝，增加鋼板中逆轉變奧氏體含量。為此，南鋼采用“控制軋制-超快冷-亞溫淬火-回火”（TULT）的短流程生產工藝，開發出5-50mm節鎳型LNG儲罐用鋼。其開發的節鎳型LNG儲罐用鋼的力學性能、焊接性能及使用性能均與9%Ni鋼相當，而材料和制造成本分別降低了20%和30%。2019年3月17日，南鋼與東北大學、合肥通用機械研究院等單位聯合開發的低溫儲罐用7%Ni鋼板（ASTM A553-t ype I N），順利通過了全國鍋爐與壓力容器標準化技術委員會的技術認證。在完全滿足使用要求的情況下，將為我國LNG儲罐的建設節省成本，降低投資。 
4、低溫高錳鋼的開發 
      近年來，為降低LNG儲罐用鋼的生產成本以及對高價鎳元素的依賴度，高錳奧氏體鋼因其低廉的價格和優異的塑韌性而備受矚目。 
4.1韓國浦項鋼鐵公司低溫高錳鋼的開發 
      早在2010年11月，浦項鋼鐵公司（POSCO）與大宇造船海洋公司，以及全球五大船級社（美國船級社ABS、法國船級社BV、挪威船級社DNV-GL、韓國船級社KR、英國勞氏船級社LR）共同成立了名為“極低溫用高錳鋼及焊接材料共同開發”的項目，旨在積極推動高錳鋼的開發，并對其室溫及低溫下的母材及焊縫性能進行了研究。POSCO新開發的低溫高錳鋼在完成了鋼材及焊材的船級社認證之后，在2014年12月通過韓國國家技術標準院認證，并制訂低溫壓力容器用奧氏體系高錳鋼板標準（KSD 30131）和高錳鋼用電弧焊條（KSD 7142）、高錳鋼用電焊藥芯焊絲（KSD 7143）、高錳鋼用埋弧焊絲和焊劑（KSD 7144）等一系列新標準。經過5年的努力，2015年，POSCO低溫高錳鋼實現了批量生產并應用于大宇造船海洋公司玉浦造船廠制造的LNG儲罐。2016年，POSCO新開發的高錳鋼正式用于現代尾浦造船公司承建的世界上規模最大的LNG推進散貨船(5萬DWT級)的LNG燃料罐。2017年5月，POSCO開發的低溫高錳鋼獲得了美國材料試驗學會（ASTM）頒發的標準技術認證。此前，根據國際海事組織規定，現有天然氣動力船的超低溫LNG儲罐材料只能采用因瓦合金、不銹鋼、9%Ni鋼等，這也意味著，為了進一步推廣低溫高錳鋼的應用，必須登記注冊新的國際技術標準。為此，POSCO從2015年開始就與韓國海洋水產部、韓國朝鮮大學、韓國船級社等產學研機構進行合作，大力推進低溫高錳鋼的國際技術標準注冊工作。2018年9月，POSCO在IMO召開的第五次貨物集裝箱運輸專業委員會上提出了有關低溫高錳鋼安全應用的試驗，并使材料性能得到了權威認證。2018年底，POSCO開發的LNG儲罐用低溫高錳鋼及應用技術在英國倫敦國際海事組織（IMO）總部舉辦的第100次海事安全委員會上正式登記注冊成為國際技術標準。隨著低溫高錳鋼技術正式實現國際標準化，據悉，最快從今年開始，IMO各會員國將正式采用超低溫高錳鋼作為LNG儲罐材料。近期，POSCO開發的低溫高錳鋼獲得天然氣技術標準委員會批準，將低溫高錳鋼正式納入到陸上LNG儲罐制造標準KGS AC115。隨著低溫高錳鋼及相關制造技術逐步被相關標準收錄，浦項計劃承接更多的LNG相關項目。預計從今年開始到2030年之前，有望向全球890座LNG儲罐和4700艘LNG動力船供應高錳鋼產品。 
      POSCO全球首發的低溫高錳鋼可以經受-196℃超低溫環境的考驗，適用于LNG的儲存和運輸。該鋼種在鋼中添加了20%左右的錳，其低溫韌性、耐疲勞性、耐腐蝕性等性能與目前廣泛應用的9%Ni鋼相當，但其塑性遠優于9%Ni鋼（約為9%Ni鋼的3倍），且焊接性更優，成本價格更低。 
      在韓國國內，研究團隊已經開始嘗試采用這類低溫高錳鋼作為原材料，開發造船海洋裝備用鋼管產品。該項研究從2017年7月開始實施，由POSCO牽頭，多家企業和研究機構共同參與，歷經兩年的前期研究，目前已經開始進入產品試制階段。與此同時，作為大用戶方的大宇造船海洋公司也將正式參與到第三年的研發階段。隨著全球環保政策趨于嚴格，LNG作為清潔能源使用，正在拉動超低溫鋼管的需求增長。為了替代成本高昂的不銹鋼鋼管產品，研究團隊選用高錳鋼作為原材料，借助埋弧焊（SAW）焊接技術開發大口徑焊接鋼管產品，采用拉拔工藝，用母管開發小口徑鋼管產品。從研發的具體內容來看，第一年（2017年）開發了高錳鋼SAW焊接鋼管基礎技術，主要包括輥彎成型控制技術、板材SAW焊接控制技術，以及高錳鋼板材TIG焊接控制技術；第二年（2018年）是在前期的基礎技術之上，成功開發了直徑20英寸的高錳鋼SAW焊接鋼管，以及直徑3英寸的高錳鋼普通鋼管產品。與此同時，研究團隊還在加快推進高錳鋼的韓國工業標準KS的制定工作。在獲得KS認證后，將正式實現商業化生產。截至目前，高錳鋼鋼管的SAW焊接、拉拔、鍛造等加工技術還是一片空白，不利于這類產品在造船海洋裝備上的應用，為了突破這一技術瓶頸，開發出全規格的鋼管產品顯得尤為必要。隨著環保能源LNG的需求增加，為了替代傳統產品，搶占市場份額，韓國鋼管研發團隊還計劃進一步優化高錳鋼鋼管的SAW及拉拔工藝，開發出更多高品質的鋼管產品，滿足造船海洋裝備產業的多樣化需求。 
4.2國內低溫高錳鋼研發進展 
      自2016年起，國內鋼鐵企業如舞陽鋼鐵公司、南京鋼鐵公司、首鋼，以及高校和科研院所如東北大學、鋼鐵研究總院、北京科技大學、武漢科技大學紛紛開展了高錳奧氏體低溫鋼的研究和開發工作。 
      為實現高錳鋼國產化，助推LNG清潔能源水上應用，河鋼集團舞陽鋼鐵公司和河鋼集團鋼研總院經過反復試驗和摸索，終于在2018年11月成功軋制出厚度為20mm的船用LNG低溫高錳鋼板，在國內首次實現船用LNG低溫高錳鋼的工業化生產，為國內低溫高錳鋼的生產起到示范和引領作用，標志著河鋼舞鋼在新一代船用LNG低溫高錳鋼研發領域實現重大突破。河鋼舞鋼也成為繼韓國浦項之后，又一家具有自主知識產權的船用高錳鋼生產技術的鋼鐵制造廠。隨后，河鋼舞鋼對高錳鋼進行了一系列的工藝優化工作。2019年3月，舞鋼生產的不同規格鋼板經相關權威機構檢驗塑韌性優良，指標遠超IMO最新要求，達到國際先進水平，同時鋼板焊后性能優良。新一代船用LNG低溫奧氏體型高錳鋼的成功研發，使河鋼舞鋼具備了為高端客戶提供新一代船用LNG儲罐低溫鋼的能力。 
      依托國家“十三五”重點研發計劃“超低溫及嚴苛腐蝕條件下低成本容器用鋼開發與應用項目（2017YFB0305000）”，鞍鋼股份有限公司、山西太鋼不銹鋼股份有限公司和東北大學共同承擔了LNG儲罐用高錳鋼的研發與攻關任務，在項目組成員的共同努力下，采用20.0%-24.0%Mn的無鎳合金化設計，開發出LNG儲罐用高錳鋼，穩定實現YS＞430MPa、TS＞850MPa、KV2（-196℃）在135-160J的原型鋼的制備，同時其焊接性能及使用性能均與9%Ni鋼媲美，而生產成本僅相當于3%-4%Ni鋼，申報并起草了《低溫壓力容器用高錳鋼鋼板》國家標準，為LNG儲罐用高錳鋼的生產、綜合評價及工業化應用提供了依據。 
5、配套焊接材料及低溫鋼筋開發 
      自2003年深圳大鵬引進9%Ni制LNG儲罐以來，不論大型低溫儲罐用690MPa級06Ni9DR（9%Ni）鋼板，還是常溫儲罐用610MPa級12MnNiVR鋼板，已完全實現了國產化。但我們更應該清醒地看到，建造儲罐的另一半壁江山——焊接材料，仍然需要進口。為了改變這種被動局面，2017年12月底，中石化廣州（洛陽）工程有限公司向中國石油化工股份有限公司煉油事業部申請了《大型儲罐焊接材料的國產化開發》科研開發項目，便很快得到批準。而且，中石化廣州（洛陽）工程有限公司與天津金橋焊材有限公司、洛陽雙瑞特種合金材料有限公司、哈爾濱威爾焊接有限責任公司、四川西冶新材料股份有限公司、南京鋼鐵股份有限公司、合肥通用機械研究院和中石化第十建設有限公司組成聯合攻關組，正在進行大型儲罐焊材的國產化研發，以填補國內空白。 
      目前，馬鞍山鋼鐵公司和南京鋼鐵公司已成功解決了超低溫（-165℃）高強度鋼筋的制造難點，其低溫力學性能、尤其是超低溫下缺口敏感性（NSR）以及最大力下延伸率（Agt）等都滿足LNG儲罐的技術要求。掌握了質量控制的關鍵技術，實現了全規格系列低溫鋼筋的生產。目前，馬鋼超低溫高強度鋼筋已銷售7000多噸，成功應用于中石化廣西、天津、中海油福建秀嶼等多個LNG項目，形成了規模生產能力。