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独家专题:LNG储运设施用低温钢的最新开发进展

作者:BBIN 发布于:2020-02-02 13:25 点击量:

  编者按:LNG通常在-163℃进行低温储存,LNG储运设施可选用的材料通常包括殷瓦合金、奥氏体不锈钢和9%Ni钢。相对于奥氏体不锈钢,9%Ni钢的使用安全性更高,而且随着全世界LNG储罐不断向大型化发展,相应地,9%Ni钢板的厚度要求也不断提高,有的甚至达到100mm。在对LNG储运关键材料用钢要求高安全性的同时,降低建造成本,实现减Ni化钢板的开发成为Ni系低温钢的一个重要发展方向,为此国内外相继开发出节镍型低温钢。近年来,为降低LNG储罐用钢的生产成本以及对高价镍元素的依赖度,高锰奥氏体钢因其低廉的价格和优异的塑韧性而备受瞩目。目前,国内外钢铁企业、科研院所正加紧LNG储运用低温高锰钢的开发和工业化生产以及应用。

  近年来,环境问题在全球范围内不断升级,环境保护法规也趋于严格。当前,国际海事组织(IMO)提出了一系列关于环保和海上安全的新标准和新规范,加严了船舶污染物排放要求,将船舶SO2排放上限从3.5%降至0.5%。为达到这一要求,一种方法是采用低硫燃料,另外一种减排方法就是采用液化天然气(LNG)动力船。这意味着未来LNG运输船的订单量将会持续增加。而且,近几年随着我国空气质量的不断下降和国家对环境保护的高度重视,天然气作为最主要的清洁能源越来越受到高度关注。我国天然气消费量呈逐年大幅递增趋势。2001-2015年,我国天然气消费量年均增长率超过15%。2018年我国天然气表观消费量达到2803亿立方米,同比增长18.1%。其中,进口量高达1254亿立方米,天然气进口量超过日本成为全球第一大进口国。预计到2020年,我国天然气表观消费量将达4100亿立方米,其中,进口1400亿立方米,海上进口液化天然气(LNG)占进口量的50%,将达700亿立方米。基于此,我国计划建设超过200个特大型LNG储罐、约60艘海上运输船,LNG储运设施的总投资近万亿人民币,受此影响,未来储运设施关键材料用低温钢的需求量将大幅增长。

  LNG通常在-163℃进行低温储存,传统可选用的材料有殷瓦合金、奥氏体不锈钢和9%Ni钢。与奥氏体不锈钢相比,9%Ni钢的使用安全性更高。随着全世界LNG储罐不断向大型化发展,相应地,9%Ni钢板的厚度要求由原来的30mm左右增加到50mm左右,甚至达到特厚100mm。

  近年来,为降低LNG储罐用钢的生产成本以及对高价镍元素的依赖度,实现减Ni化钢板的开发成为Ni系低温钢的一个重要发展方向,而且

  高锰奥氏体钢因其低廉的价格和优异的塑韧性而备受瞩目。研究发现,高锰奥氏体低温钢的低温韧性、耐疲劳性、耐腐蚀性等性能与目前广泛应用的9%Ni钢相当,其塑性远优于9%Ni钢,约为9%Ni钢的3倍,且其焊接性更优。这对于提高LNG设施安全性具有重要意义。另外,金属锰的价格仅为镍价格的1/10左右,采用高锰钢可大幅降低材料制造成本。

  传统LNG储罐用钢为9%Ni钢,该钢种最早由美国国际镍公司(INCO)开发,并于1952年纳入ASTM A353标准(NNT:两次正火+回火)。此后,该钢种生产工艺加以改进发展成为现在普遍使用的9%Ni钢——A553 typeⅠ钢(QT:淬火+回火),该产品于1965年纳入标准。此后,随着9%Ni钢焊接技术实现突破性进展,9%Ni钢作为LNG储罐内罐材料才得以广泛应用。

  日本于1964年成立的以日本焊接协会为主的委员会,对9%Ni钢母材特性、加工性、焊接特性及9%Ni钢LNG储罐建造的基本技术等内容进行了研究。1968年,日本新日铁住金公司成功生产出9%Ni钢并用于日本根岸最初的LNG储罐建设。20世纪80年代,关于LNG储罐用9%Ni钢的安全性作为美国煤气研究院(GRI)的研究项目在全世界范围内进行研究和讨论。在这项研究中,日本组成了一个以LNG储罐业主为首,LNG储罐制造公司、9%Ni钢生产厂参加的研究组织,在经验丰富的专家指导下,对9%Ni钢的脆性裂纹止裂性进行评价和解析。结果证明,9%Ni钢具有足够的抗断裂性,这意味着9%Ni钢制LNG储罐具备高安全性。

  进入20世纪90年代后,全世界LNG储罐大型化有了很大进展。为了有效利用占地面积和降低储罐建造成本,LNG储罐容量由原来的8万立方米,向14万立方米、18万立方米发展。相应地,对9%Ni钢板的厚度要求由原来的30mm左右增加到50mm左右。厚度增加使钢板产生了断裂韧性下降的问题。因此需要开发出与传统9%Ni钢相比,母材和焊接接头低温韧性更好的厚钢板制造技术。

  根据用户对9%Ni厚钢板的需求,新日铁住金开发出新型9%Ni钢厚钢板。新开发钢在低P、S高洁净化的同时,降低Si含量并添加微量Mo,在制造中采用两相区淬火热处理,使开发钢母材和焊接接头具有良好的强度和低温韧性。之后从各个方面对开发钢的脆性断裂安全性进行评价,确认新开发的50mm特厚9%Ni钢板具有充分的安全性。目前新日铁住金不仅可生产LNG储罐用的特厚9%Ni钢板,还可以生产用于极低温容器的厚度为100mm的超特厚9%Ni钢板。

  2005年以后,国内太原钢铁公司、鞍山钢铁公司、南京钢铁公司、宝山钢铁公司、舞阳钢铁公司、江阴兴澄特钢铁等先后开发了大型低温储罐用9%Ni钢板,并先后通过了全国锅炉压力容器标准化技术委员会组织的技术评审。以太原钢铁公司为例,该公司与太原理工大学组成研究开发团队,以国家“863”科技计划“液化天然气储罐用超低温9%Ni钢开发及应用技术”(项目编号:2007AA03Z555)为合作平台,联合开展了低温材料06Ni9钢实验室研究、工业化研发生产。所取得的研究成果主要包括:1)开发出高镍合金含量的低温钢超纯净冶金制备技术,实现工业化稳定批量生产钢中[P]+[S]+[H]+[N]+[O]≤100ppm、钢中低熔点元素Pb、Bi、Zn等含量极低的06Ni9钢铁材料;2)开发出06Ni9钢HLH(高拉速、低过热度、高温矫直)专用连铸工艺技术,解决了超低磷控制(技术要求钢中P≤0.005%)问题,成为国内首家工业化、大批量生产出高洁净度、高均匀性、高致密度、内部少缺陷、表面光洁、质量良好的06Ni9钢连铸坯;3)采用钢坯表面防护(针对06Ni9钢研发了适宜的专用涂层)和控制轧制技术,自主研发了06Ni9铸坯高温加热防氧化专有技术,解决了高镍钢热轧铁鳞去除技术难题;4)通过控制轧制和热处理板形控制技术,制备了表面良好、厚度公差小、板形平直的06Ni9钢板;5)采用自主研发06Ni9钢板的“低温控轧+调质热处理(QT)”全流程先进工业生产技术,生产出的钢板具有稳定的产品质量、优良的综合性能,尤其是良好的低温断裂性能和低温韧性、冷弯性能等优于国外同类产品;6)形成06Ni9钢板全流程先进工业制造技术集成。太原钢铁公司是国内首家研发、工业化大批量制备06Ni9钢板并第一个应用于国家重点工程项目的钢铁公司,该公司低温9Ni%钢的成功开发及应用结束了国家能源领域急需的低温关键材料完全依赖进口的不利局面。

  近年来,国内钢铁公司生产的9%Ni钢板,在国内LNG储罐上得到了广泛应用。中国石油天然气总公司建于大连和江苏的LNG接收站采用了太原钢铁公司和南京钢铁公司生产的9%Ni钢板。该公司建于唐山曹妃甸的LNG接收站分别使用了南京钢铁公司和鞍山钢铁公司生产的9%Ni钢板。尤其是2016年11月在江苏如东LNG接收站投用的1台国内最大20×104m3预应力混凝土全包容LNG储罐上,采用了南京钢铁公司生产的9%Ni钢板,彻底打破了国外对9%Ni钢板的垄断,为以后LNG储罐采用国产9%Ni钢板,奠定了坚实的基础。中国石化集团总公司的3个LNG接收站,除山东一期3台LNG储罐外,其余都使用了南京钢铁公司和鞍山钢铁公司生产的9%Ni钢板,国产钢板使用率达到75%。值得一提的是,2019年3月22日升顶的上海LNG接收站2台20×104m3预应力混凝土全包容LNG储罐,采用了上海宝钢生产的9%Ni钢板。2019年施工的江苏如东2台20×104m3和2018年施工的江苏泓海能源2台8×104m3双钢壁全包容LNG储罐,都采用了江阴兴澄特钢生产的9%Ni钢板。

  在对LNG储运设施用钢要求高安全性的同时,降低储罐建造成本,实现减Ni化钢板的开发成为Ni系低温钢的一个重要发展方向。

  从20世纪90年代起,新日铁住金开始了包括TMCP在内的基础性研究,2010年开发出7.1%Ni的LNG储罐用钢。经煤气事业法适用性评价委员会的审议,认定7.1%Ni钢作为7%Ni钢具有与9%Ni钢同等的性能。该钢于2011年用于日本23万立方米的大阪泉北煤气制造所第一工厂5号LNG储罐。7%Ni钢是自9%Ni钢诞生以来半个世纪后采用的新钢种,也是LNG储罐业主、制造者、钢厂等采用新技术开发成功的新钢种。此后,新日铁住金又成功开发出6.3%Ni的LNG储罐用钢。

  新日铁住金新开发的节镍型LNG储罐用钢的化学成分和制造方法见表1。由于Ni含量的降低,会引起韧性下降,所以对钢的化学成分进行优化,并在制造工艺上采取提高韧性的措施。为保证母材具有良好的韧性,避开回火脆性、保证稳定的奥氏体组织以及金属组织微细化等十分重要。为此,增加了奥氏体生成元素Mn的含量,以弥补Ni含量的减少,并添加了Mo。在制造工艺方面,采用直接淬火或控制轧制与两相区热处理+回火相组合的TMCP工艺。为保证钢的焊接热影响区具有良好的韧性,降低了阻碍渗碳体析出的Si含量,以增强等温回火的效果,并调整Mn、Mo、Cr的添加量,优化淬透性,使热影响区组织最佳化。采取这些措施,使开发钢具有与9%Ni钢等同的母材韧性和焊接接头韧性。

  新开发的节镍型LNG储罐用钢已纳入JIS G 3127(低温压力容器用Ni钢板),牌号是SL7N590、Ni含量为6.0%-7.5%。SL7N590除 了成分和制造方法,其他规定都与9%Ni钢(SL9N590)相同。新开发钢于2013年纳入ASTM标准和ASME标准。新开发钢在ASTM标准的牌号是ASTM A841 Grade G,除了成分和制造方法,其他规定都与9%Ni钢(A553 typeⅠ)相同。钢的Ni含量与JIS规定相同,是6.0%-7.5%。此外,在ASTM标准中,钢的强度水平除了与传统9%Ni钢强度水平相同的9级,还有强度水平更高的10级。2014年11月,新开发的节镍钢纳入API620 Appendi×Q标准。继大阪首座7%Ni钢LNG储罐之后,7%Ni钢又用于东邦知多绿浜煤气工厂的3号LNG储罐(爱知县)和相马LNG基地的LNG储罐(福岛县)。首座7%Ni钢LNG储罐——大阪泉北煤气制造所第一工厂5号LNG储罐已于2015年11月末建成,到目前为止运行顺利。

  目前,我国已实现LNG储罐用9%Ni钢的规模化生产,产品质量达到国际先进水平,部分指标甚至达到了国际领先水平。然而,由于我国属于“贫镍”国家,每年都需要大量进口以满足国民经济发展的需要,镍金属对外依存度超过60%,因此,在确保产品质量的基础上,为降低LNG储罐建造成本、提高储罐设计和建造综合竞争力,开发低成本LNG储罐用钢已迫在眉睫。7%Ni钢作为一种新型低温材料,已纳入东北大学牵头的国家“十三五”重点研发计划“超低温及严苛腐蚀条件下低成本容器用钢开发与应用项目”中,南钢承担了开展节镍LNG储罐用钢的研发与攻关任务。

  传统9%Ni钢一般只含有C、Si、Mn和Ni等主要元素,降低Ni含量后,将导致钢材淬透性下降、强度降低,难以满足性能要求。为确保节Ni型钢的强度并提出合理的成分方案,南钢采用6.0%-7.0%Ni的节镍合金化设计,并采用Cr、Mo元素合金化,用真空感应炉冶炼不同Cr、Mo含量的低镍钢,当添加0.5Cr-0.1Mo时,屈服强度为644MPa,抗拉强度为737MPa,达到9%Ni钢标准要求。

  为了获得良好的强韧性匹配,9%Ni钢在工业生产中一般采用“淬火+回火”(QT)热处理工艺。但是Ni含量降低,会造成钢的韧脆转变温度升高及低温韧性恶化。为了解决低镍钢韧性较差的问题,需要改变加工工艺,增加钢板中逆转变奥氏体含量。为此,南钢采用“控制轧制-超快冷-亚温淬火-回火”(TULT)的短流程生产工艺,开发出5-50mm节镍型LNG储罐用钢。其开发的节镍型LNG储罐用钢的力学性能、焊接性能及使用性能均与9%Ni钢相当,而材料和制造成本分别降低了20%和30%。2019年3月17日,南钢与东北大学、合肥通用机械研究院等单位联合开发的低温储罐用7%Ni钢板(ASTM A553-t ype I N),顺利通过了全国锅炉与压力容器标准化技术委员会的技术认证。在完全满足使用要求的情况下,将为我国LNG储罐的建设节省成本,降低投资。

  近年来,为降低LNG储罐用钢的生产成本以及对高价镍元素的依赖度,高锰奥氏体钢因其低廉的价格和优异的塑韧性而备受瞩目。

  早在2010年11月,浦项钢铁公司(POSCO)与大宇造船海洋公司,以及全球五大船级社(美国船级社ABS、法国船级社BV、挪威船级社DNV-GL、韩国船级社KR、英国劳氏船级社LR)共同成立了名为“极低温用高锰钢及焊接材料共同开发”的项目,旨在积极推动高锰钢的开发,并对其室温及低温下的母材及焊缝性能进行了研究。POSCO新开发的低温高锰钢在完成了钢材及焊材的船级社认证之后,在2014年12月通过韩国国家技术标准院认证,并制订低温压力容器用奥氏体系高锰钢板标准(KSD 30131)和高锰钢用电弧焊条(KSD 7142)、高锰钢用电焊药芯焊丝(KSD 7143)、高锰钢用埋弧焊丝和焊剂(KSD 7144)等一系列新标准。经过5年的努力,2015年,POSCO低温高锰钢实现了批量生产并应用于大宇造船海洋公司玉浦造船厂制造的LNG储罐。2016年,POSCO新开发的高锰钢正式用于现代尾浦造船公司承建的世界上规模最大的LNG推进散货船(5万DWT级)的LNG燃料罐。2017年5月,POSCO开发的低温高锰钢获得了美国材料试验学会(ASTM)颁发的标准技术认证。此前,根据国际海事组织规定,现有天然气动力船的超低温LNG储罐材料只能采用因瓦合金、不锈钢、9%Ni钢等,这也意味着,为了进一步推广低温高锰钢的应用,必须登记注册新的国际技术标准。为此,POSCO从2015年开始就与韩国海洋水产部、韩国朝鲜大学、韩国船级社等产学研机构进行合作,大力推进低温高锰钢的国际技术标准注册工作。2018年9月,POSCO在IMO召开的第五次货物集装箱运输专业委员会上提出了有关低温高锰钢安全应用的试验,并使材料性能得到了权威认证。2018年底,POSCO开发的LNG储罐用低温高锰钢及应用技术在英国伦敦国际海事组织(IMO)总部举办的第100次海事安全委员会上正式登记注册成为国际技术标准。随着低温高锰钢技术正式实现国际标准化,据悉,最快从今年开始,IMO各会员国将正式采用超低温高锰钢作为LNG储罐材料。近期,POSCO开发的低温高锰钢获得天然气技术标准委员会批准,将低温高锰钢正式纳入到陆上LNG储罐制造标准KGS AC115。随着低温高锰钢及相关制造技术逐步被相关标准收录,浦项计划承接更多的LNG相关项目。预计从今年开始到2030年之前,有望向全球890座LNG储罐和4700艘LNG动力船供应高锰钢产品。

  POSCO全球首发的低温高锰钢可以经受-196℃超低温环境的考验,适用于LNG的储存和运输。该钢种在钢中添加了20%左右的锰,其低温韧性、耐疲劳性、耐腐蚀性等性能与目前广泛应用的9%Ni钢相当,但其塑性远优于9%Ni钢(约为9%Ni钢的3倍),且焊接性更优,成本价格更低。

  在韩国国内,研究团队已经开始尝试采用这类低温高锰钢作为原材料,开发造船海洋装备用钢管产品。该项研究从2017年7月开始实施,由POSCO牵头,多家企业和研究机构共同参与,历经两年的前期研究,目前已经开始进入产品试制阶段。与此同时,作为大用户方的大宇造船海洋公司也将正式参与到第三年的研发阶段。随着全球环保政策趋于严格,LNG作为清洁能源使用,正在拉动超低温钢管的需求增长。为了替代成本高昂的不锈钢钢管产品,研究团队选用高锰钢作为原材料,借助埋弧焊(SAW)焊接技术开发大口径焊接钢管产品,采用拉拔工艺,用母管开发小口径钢管产品。从研发的具体内容来看,第一年(2017年)开发了高锰钢SAW焊接钢管基础技术,主要包括辊弯成型控制技术、板材SAW焊接控制技术,以及高锰钢板材TIG焊接控制技术;第二年(2018年)是在前期的基础技术之上,成功开发了直径20英寸的高锰钢SAW焊接钢管,以及直径3英寸的高锰钢普通钢管产品。与此同时,研究团队还在加快推进高锰钢的韩国工业标准KS的制定工作。在获得KS认证后,将正式实现商业化生产。截至目前,高锰钢钢管的SAW焊接、拉拔、锻造等加工技术还是一片空白,不利于这类产品在造船海洋装备上的应用,为了突破这一技术瓶颈,开发出全规格的钢管产品显得尤为必要。随着环保能源LNG的需求增加,为了替代传统产品,抢占市场份额,韩国钢管研发团队还计划进一步优化高锰钢钢管的SAW及拉拔工艺,开发出更多高品质的钢管产品,满足造船海洋装备产业的多样化需求。

  自2016年起,国内钢铁企业如舞阳钢铁公司、南京钢铁公司、首钢,以及高校和科研院所如东北大学、钢铁研究总院、北京科技大学、武汉科技大学纷纷开展了高锰奥氏体低温钢的研究和开发工作。

  为实现高锰钢国产化,助推LNG清洁能源水上应用,河钢集团舞阳钢铁公司和河钢集团钢研总院经过反复试验和摸索,终于在2018年11月成功轧制出厚度为20mm的船用LNG低温高锰钢板,在国内首次实现船用LNG低温高锰钢的工业化生产,为国内低温高锰钢的生产起到示范和引领作用,标志着河钢舞钢在新一代船用LNG低温高锰钢研发领域实现重大突破。河钢舞钢也成为继韩国浦项之后,又一家具有自主知识产权的船用高锰钢生产技术的钢铁制造厂。随后,河钢舞钢对高锰钢进行了一系列的工艺优化工作。2019年3月,舞钢生产的不同规格钢板经相关权威机构检验塑韧性优良,指标远超IMO最新要求,达到国际先进水平,同时钢板焊后性能优良。新一代船用LNG低温奥氏体型高锰钢的成功研发,使河钢舞钢具备了为高端客户提供新一代船用LNG储罐低温钢的能力。

  依托国家“十三五”重点研发计划“超低温及严苛腐蚀条件下低成本容器用钢开发与应用项目(2017YFB0305000)”,鞍钢股份有限公司、山西太钢不锈钢股份有限公司和东北大学共同承担了LNG储罐用高锰钢的研发与攻关任务,在项目组成员的共同努力下,采用20.0%-24.0%Mn的无镍合金化设计,开发出LNG储罐用高锰钢,稳定实现YS>430MPa、TS>850MPa、KV2(-196℃)在135-160J的原型钢的制备,同时其焊接性能及使用性能均与9%Ni钢媲美,而生产成本仅相当于3%-4%Ni钢,申报并起草了《低温压力容器用高锰钢钢板》国家标准,为LNG储罐用高锰钢的生产、综合评价及工业化应用提供了依据。

  自2003年深圳大鹏引进9%Ni制LNG储罐以来,不论大型低温储罐用690MPa级06Ni9DR(9%Ni)钢板,还是常温储罐用610MPa级12MnNiVR钢板,已完全实现了国产化。但我们更应该清醒地看到,建造储罐的另一半壁江山——焊接材料,仍然需要进口。为了改变这种被动局面,2017年12月底,中石化广州(洛阳)工程有限公司向中国石油化工股份有限公司炼油事业部申请了《大型储罐焊接材料的国产化开发》科研开发项目,便很快得到批准。而且,中石化广州(洛阳)工程有限公司与天津金桥焊材有限公司、洛阳双瑞特种合金材料有限公司、哈尔滨威尔焊接有限责任公司、四川西冶新材料股份有限公司、南京钢铁股份有限公司、合肥通用机械研究院和中石化第十建设有限公司组成联合攻关组,正在进行大型储罐焊材的国产化研发,以填补国内空白。

  目前,马鞍山钢铁公司和南京钢铁公司已成功解决了超低温(-165℃)高强度钢筋的制造难点,其低温力学性能、尤其是超低温下缺口敏感性(NSR)以及最大力下延伸率(Agt)等都满足LNG储罐的技术要求。掌握了质量控制的关键技术,实现了全规格系列低温钢筋的生产。目前,马钢超低温高强度钢筋已销售7000多吨,成功应用于中石化广西、天津、中海油福建秀屿等多个LNG项目,形成了规模生产能力。

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