關(guān)鍵詞：國際標(biāo)準(zhǔn)，高錳鋼，液化天然氣，超低溫鋼

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2024.10.019

0 簡介

L NG運輸過程中的存儲、加注設(shè)備材料需要在超低溫環(huán)境下具備良好的抗斷性能、止裂性能、耐疲勞性能和組織穩(wěn)定性能。2020年前，根據(jù)國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則（IG CCode）規(guī)定，LNG船儲罐及相關(guān)的管道制造材料被限定為4種：殷瓦合金、9Ni鋼、不銹鋼和鋁合金，但以上材料價格較高、制造工藝較為復(fù)雜[1]。近十年來，高錳鋼領(lǐng)域的突破性進展帶來了新的工程選項。

1 標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域發(fā)展情況

1.1 高錳鋼低溫性能

低溫高錳鋼的組織穩(wěn)定性是其強韌化的基本要求，合金成分是奧氏體穩(wěn)定性的主要因素[2]。對于高錳鋼來說，Mn是最主要的奧氏體化元素，能夠提高層錯能，促進TWIP效應(yīng)[3]。以雙相Fe-Mn-A l低溫鋼為例，TWI P效應(yīng)是指在低溫變形過程中，變形初期階段以位錯滑移為主要變形機制；隨著變形量的增加，鐵素體的變形仍以位錯滑移為主，但奧氏體的變形以應(yīng)變誘導(dǎo)孿晶為主；因此在低溫變形時奧氏體組織中產(chǎn)生大量變形孿晶，并觀察到大量位錯塞積現(xiàn)象，表明變形孿晶對于位錯運動具有阻礙作用，并且變形孿晶密度越大，對位錯運動的阻礙效果變大，加工硬化率變高[4]，這也是高錳鋼低溫性能的根本機理[5]。當(dāng)Mn含量不低于28%時，可以獲得穩(wěn)定的奧氏體組織，低溫韌性優(yōu)良，但強度較低；當(dāng)Mn含量不低于35%時，Mn元素則易在晶界偏聚，低溫下發(fā)生晶界脆斷，對強度和韌性不利[6]。總的來說，低溫高錳鋼展現(xiàn)出良好的低溫強韌性，抗拉強度達到甚至超過9Ni鋼，但屈服強度和沖擊韌性相對略低，尤其要注意的是軋制板材橫向沖擊韌性可能較低[3]。此外，高錳鋼焊接中主要存在焊接裂紋、焊縫金屬元素?zé)龘p以及接頭韌性下降等問題[3]，其中焊接熱循環(huán)帶來的成分偏析和組織穩(wěn)定性下降，高錳鋼焊接接頭的低溫力學(xué)性能低于母材[7]。

1.2 鎳合金鋼標(biāo)準(zhǔn)情況

LNG通常在零下163℃的條件下儲存運輸，在高錳鋼相關(guān)技術(shù)成熟前，此前主要采用鋁合金、鎳合金鋼（9%Ni）、不銹鋼等作為LNG儲罐的主要材料。其中，9Ni鋼相較于具有奧氏體不銹鋼和鋁合金，具有熱脹系數(shù)小，經(jīng)濟性好，使用溫度最低可達-196℃的特點[8]，使用最為廣泛。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況見表1。

影響9Ni鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度的主要因素中，合金元素和雜質(zhì)含量都與化學(xué)成分密切相關(guān)[9]。9Ni鋼化學(xué)成分設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)見表2。在9Ni鋼的生產(chǎn)領(lǐng)域，我國的河鋼舞鋼、新余新鋼是主要的生產(chǎn)廠家。

1.3 高錳鋼標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展沿革

在L NG船用低溫高錳鋼研發(fā)和應(yīng)用方面，韓國起步較早。2010年11月，大宇造船與浦項鋼鐵與全球船級社啟動高錳鋼和焊接材料的研究項目，在2015年6月實現(xiàn)了量產(chǎn)。在船級社認(rèn)證以外，同年相關(guān)企業(yè)與韓國技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)局（KATS）展開了廣泛合作，并制定了鋼板、電弧焊條、電焊藥芯焊絲、埋弧焊絲和焊劑等系列韓國國家標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)完成美國機械工程師學(xué)會（ASME）鍋爐及壓力容器規(guī)范和ASTM標(biāo)準(zhǔn)及天然氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的國際認(rèn)證工作。在2014年3月，浦項鋼鐵與韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）聯(lián)合研制出了“格子結(jié)構(gòu)”式的大容量高錳鋼LNG儲罐，貯藏量達到2萬立方米[10]。另一方面，在英國倫敦國際海事組織（IMO）總部舉辦了第100次海事安全委員會（MSC），浦項鋼鐵的LNG儲罐用超低溫高錳鋼及應(yīng)用技術(shù)正式登記注冊成為國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?；谄湓诔蜏赜酶咤i鋼的技術(shù)積累，韓國企業(yè)在ISO相繼發(fā)布6項船用高錳鋼鋼材、薄板、鑄件、鍛件的國際標(biāo)準(zhǔn)。在該領(lǐng)域已經(jīng)建立起了LNG船高錳鋼使用、測試系列規(guī)范。

2 主要渠道及國際標(biāo)準(zhǔn)梳理

由于LNG船用鋼材涉及化工、材料行業(yè)，其主要的國際標(biāo)準(zhǔn)工作渠道不限于船舶與海洋技術(shù)委員會（見表3）。包括ISO/TC 67包括低碳能源的石油和天然氣行業(yè)；ISO/TC 8船舶與海洋技術(shù)；ISO/TC 22道路車輛；ISO/TC 220低溫容器；ISO/TC 17鋼等技術(shù)委員會等。其中更關(guān)注船上應(yīng)用的TC 8/SC 8船舶設(shè)計分委會和TC 8/SC 4舾裝與甲板機械分委會是最主要的標(biāo)準(zhǔn)研制渠道。

在以上國際標(biāo)準(zhǔn)渠道中進一步梳理涉及的國際標(biāo)準(zhǔn)見表4。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共計18項，其中已發(fā)布14項，在研4項。涉及LNG鋼材的制造、檢驗、測試、兼容性、規(guī)范、相關(guān)的管路要求。ISO/TC 8/SC 8分委會分管的國家標(biāo)準(zhǔn)達到6項，包括鋼材、薄帶、鑄件、鍛件、鋼管、焊接配件。

3 重點國際標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容分析

ISO 21635：2018《船舶與海洋技術(shù)-船上LNG儲罐用高錳奧氏體鋼規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)是高錳奧氏體鋼材系列標(biāo)準(zhǔn)中最早研制并發(fā)布的，其以IGC規(guī)則經(jīng)國際海事組織MSC.5（48）號決議通過的《國際散裝運輸液化氣體船構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》修正案、國際海事組織MSC.391（95）號決議通過的《國際使用氣體或其他低閃點燃料船舶安全規(guī)則》為法規(guī)基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)框架涵蓋要求規(guī)格、制造、化學(xué)成分和力學(xué)性能、測試程序、焊接性、標(biāo)記和文檔記錄等內(nèi)容，主要的參考標(biāo)準(zhǔn)見表5。標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)要求中，“制造規(guī)定”包括煉鋼實踐與鋼板要求；“化學(xué)成分和力學(xué)性能要求”包括化學(xué)成分、機械性能、常壓強度和屈服強度要求、韌性要求、彎曲試驗和補充要求；“測試程序要求”包括機械試驗要求、復(fù)驗程序要求。

3.1 鋼板制造

鋼板制造的規(guī)定主要根據(jù)I AC S發(fā)行的規(guī)范IACS UR W13、IACS UR W16，首先板坯與成品板厚的減薄比應(yīng)不小于3：1，鋼板應(yīng)通過熱軋生產(chǎn)，并在軋制后在800℃至500℃的溫度范圍內(nèi)控制冷卻速度，防止晶界碳化物的形成，同時建議冷卻速率高于10℃/s，以防止碳化物沉淀。其次，板材成型溫度不得超過500℃，且不允許在最終軋制過程之后進行熱處理[11]。公差的規(guī)定參考IACS URW13的板材的厚度公差要求。在鋼材實踐過程中，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼材應(yīng)采用堿性氧氣、電爐/平爐或其他工藝生產(chǎn)；此外，鋼在脫氧過程中應(yīng)進行鎮(zhèn)靜。

3.2 化學(xué)成分和力學(xué)性能

基于ASTM A1106/A1106M-17，標(biāo)準(zhǔn)制定了高錳奧氏體鋼的化學(xué)成分的占比要求，并要求從每種鑄鋼的每個鋼包中取樣的化學(xué)成分都應(yīng)滿足表6的要求。

沖擊試驗方面，鋼的夏比V型缺口試樣的韌性應(yīng)符合表7的規(guī)定，且試驗應(yīng)在-196℃下進行。試驗每組3個全尺寸試樣的平均吸收能應(yīng)為27J或以上，其縱軸應(yīng)當(dāng)與板材的最終軋制方向垂直，每個沖擊試驗樣本與缺口相對的橫向膨脹量應(yīng)不小于0.38mm。對于型材用鋼，應(yīng)沿縱向截取夏比V型缺口試樣，其平均夏比沖擊值應(yīng)為41J以上[11]。

彎曲試驗方面，規(guī)定可采取面彎曲、根部彎曲或側(cè)面彎曲的橫向彎曲試驗。如母材和焊縫金屬具有不同的強度水平，可能需要縱向彎曲試驗來代替橫向彎曲試驗。

3.3 試驗程序、焊接性能與標(biāo)記

在試驗程序方面，標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)品件應(yīng)進行一次拉伸試驗和至少一組3個夏比V型缺口沖擊試驗。拉伸試驗和夏比V形缺口沖擊試驗應(yīng)分別按照ISO 6892-1和ISO 148-1進行，試樣的縱向軸線應(yīng)與板材的最終軋制方向垂直。

當(dāng)拉伸試驗不符合要求時，可以對同一件進行兩次附加試驗，如兩次附加測試都通過，則可接受該產(chǎn)品件的適用性。如這些測試中的一個或兩個都不合格，該產(chǎn)品件應(yīng)被拒收。

在焊接性能方面，標(biāo)準(zhǔn)要求焊接操作前，應(yīng)根據(jù)相關(guān)要求仔細(xì)考慮鋼材的可焊性，并進行焊接工藝評定試驗。其中，船廠或儲罐制造商應(yīng)當(dāng)按照IACS UR W1第1.4.3條（應(yīng)更新為IACS UR W8）編制焊接工藝規(guī)范（WPS），并作為最低要求。在標(biāo)記要求上，每一件成品都應(yīng)有一個清晰可見的標(biāo)記，并注明以下信息制造商的名稱和地址、鋼材牌號的統(tǒng)一識別標(biāo)記。

4 結(jié)論

（1）隨著L NG作為船用燃料的需求持續(xù)增長，制定液化天然氣船用鋼國際標(biāo)準(zhǔn)的前景廣闊。目前航運業(yè)積極尋求過渡和替代燃料，并遵守日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，液化天然氣已成為過渡燃料的最主要選擇。與此同時，在超低溫鋼材領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)研制，對于未來可能出現(xiàn)的液氫燃料和液態(tài)二氧化碳儲存運輸提供了重要的技術(shù)積累。

（2）目前來看，制定LNG船用鋼國際標(biāo)準(zhǔn)的主要挑戰(zhàn)之一是需要確保液化天然氣圍護系統(tǒng)和其他關(guān)鍵部件所用的鋼材符合安全和性能標(biāo)準(zhǔn)，同時兼顧鋼材的環(huán)境與可持續(xù)問題。這需要我國行業(yè)利益相關(guān)者、監(jiān)管機構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)組織之間的合作，在關(guān)注鋼材性能標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，關(guān)注鋼材全生命周期碳排放，制定全面的標(biāo)準(zhǔn)來滿足LNG船用鋼要求。

（3）LNG船用鋼國際標(biāo)準(zhǔn)的制定也為推動航運業(yè)的創(chuàng)新和技術(shù)進步提供了機會。特別地，將有助于促進全球采用LNG作為船用燃料。我國在LNG船舶動力改裝市場上占據(jù)優(yōu)勢地位，建立包括安全性能和其他關(guān)鍵部件的設(shè)計、建造和運行的標(biāo)準(zhǔn)框架，對于我國LNG動力改裝、LNG相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建造均具有巨大的市場意義。