[发明专利]Ni系低温钢及制造方法、液化天然气储罐和运输船用船体

说明书

技术领域

本发明涉及Ni系低温钢、该Ni系低温钢的制造方法以及利用该Ni系低温钢制造的液化天然气储罐和液化天然气运输船用船体。

背景技术

截止2010年，中国已成为世界上最大的液化天然气(LNG)用户之一，预计2015年沿海将建成10-15个300万吨级LNG储运站，并逐步扩大到500-1000万吨级。同时小型卫星储运站、调峰站、LNG运输船也会有相当数量的规划。但是，根据2005年6月“中美石油和天然气论坛”发布的报告，北美目前在建和计划中的LNG储运站多达43座；全球需求激增，促使该领域大量研发投入。

LNG工业最关键的核心材料是要求-196℃低温韧性的9％Ni低温钢板，它是民用普钢产品中技术难度最大、要求最高的产品。它的研制和生产要求利用冶金生产流程中最先进的装备条件和技术路线，包括高纯净冶炼、高合金连铸、控制轧制和先进热处理组织控制技术，带来一系列的技术挑战和技术创新要求。

钢铁材料随着温度的降低，韧性将迅速降低。一般-10℃以下使用的钢就应认真考虑低温韧性的要求。一般认为，Ni是改善钢的低温韧性最有效的元素。为满足不同服役温度的需要，先后发展了1.5Ni、3.5Ni、5Ni、7.5Ni、9Ni等Ni系低温钢(按重量百分比计)。9％Ni钢最低设计使用温度可以达到-196℃。

1944年美国INCO公司率先开发了在-196℃具有良好低温韧性的高强度9％Ni钢，以取代成本较高的Ni-Cr不锈钢，1952年开始用于低温容器的建造，1956年列入ASTM标准。1960年，美国CBI、INCO和U.S.Steel合作开展了对9％Ni钢焊接性能的研究，结果表明9％Ni钢焊接接头的韧性良好，能够满足低温容器安全运行的要求。自9％Ni钢问世到上世纪七十年代初，欧美对9％Ni钢进行了大量研究。日本各钢厂从上世纪六十年代相继开发了9％Ni钢，1977年列入JIS标准。中国从上世纪八十年代开始采用进口9％Ni钢建造低温容器。到目前为止，在世界范围内，9％Ni钢以相对低廉的价格、较高的强度以及优异的低温韧性和安全可靠性等优点，已大量取代Ni-Cr不锈钢，成为LNG储罐和其他超低温韧性结构的主要关键用材。

9％Ni钢作为LNG储罐内罐用关键材料，因直接与冷冻LNG接触、长期服役于-162℃的低温环境，国外相关标准，如基于美国API620的ASTMA553type1、基于欧洲BS7777IvorV的EN10028-4：2003GrX7Ni9和日本JIS G 3127-SL 9N 590等，对钢板的热处理状态、化学成分、常温拉伸力学性能、-196℃低温冲击韧性等技术条件均进行了较为严格的规定。最重要的是钢板和焊接接头要保证高的-196℃韧性水平。

要获得足够的低温韧性，Ni系钢的合金成分设计是首要影响因素。Ni是保证稳定低温韧性的最主要元素，一般，钢中Ni含量越高，服役温度越低。与一定含量的Ni元素相配合，适当降低C和Si含量，以提高低温韧性水平，降低韧脆转化温度。适量的Mn含量有助于改善强韧性匹配。而微合金化技术对Ni系钢在原有性能水平上使力学指标进一步提升，例如，通过Nb微合金化+TMCP工艺相配合获得细晶组织，采用微Ti处理提高焊接性，而微量Mo、V等元素则在基本不降低韧性的基础上提高强度余量。

研究表明，要获得足够的低温韧性，9％Ni钢的冶炼水平是一个关键因素，而纯净度是冶炼水平的最直接反映。生产经验显示，只有杂质元素硫、磷含量较低的情况下9％Ni钢才易获得满意的低温韧性。同时，气体含量也是9％Ni钢冶炼应予以严格控制的，夹杂物数量增多，从而降低9％Ni钢的韧性水平。

要想获得较好的强韧性匹配和稳定的低温韧性，热处理也是一道关键工序。采取合理的淬火和回火工艺，以获得一定量的、稳定的逆转变奥氏体，是9％Ni钢获得低温韧性的重要保障。国外的成功经验是，9％Ni钢经适当的热处理后，-196℃的冲击韧性可以提高一倍以上，同时钢的脆性转变温度大幅度降低。日本新日铁、欧洲阿塞洛等企业目前均能生产厚度为50mm的9％Ni钢板。为适应大型LNG储罐(200,000立方米以上)对9％Ni钢厚板的要求，国外也在开发50mm以上规格的9％Ni钢板，并对钢中C、Mo、Cu、Si、Nb等元素的影响进行了研究。总之，从20世纪40年代到现在，国外一直没有中断对9％Ni钢的研究和开发工作。9％Ni钢的产品也不断更新和发展，9％Ni钢的理论研究和工程开发一直处于非常活跃的状态。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种具有良好的强韧性匹配的Ni系低温钢及其制造方法。