LNG 储运设施用低温钢开发技术：降低成本与提高安全性的探索

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LNG储运设施用低温钢开发技术专题

编者注：液化天然气通常储存在-163°C的低温下。用于LNG储运设施的材料通常包括因瓦合金、奥氏体不锈钢和9%Ni钢。与奥氏体不锈钢相比，9%Ni钢使用更加安全，而且随着世界各地的LNG储罐不断向大型化发展，相应地，9%Ni钢板的厚度要求也在不断提高，有的甚至达到100毫米。在对LNG储运关键材料钢材提出高安全要求的同时，降低建设成本，实现镍还原钢板的发展已成为镍基低温钢的重要发展方向。为此，国内外开发了节镍低温钢。 。近年来，为了降低LNG储罐钢的生产成本及其对高价镍元素的依赖，高锰奥氏体钢因其低廉的价格和优异的塑韧性而备受关注。目前，国内外钢铁企业和科研院所正在加紧LNG储存和使用用低温高锰钢的开发、工业化生产和应用。

1前言

液化天然气（LNG）的主要成分是甲烷，被公认为地球上最清洁的化石能源，越来越受欢迎。许多国家将液化天然气列为首选燃料。它在能源供应中发挥着重要作用。该比例每年增长约12%，使其成为世界上增长最快的行业之一。生产和运输过程如下：气田生产的天然气首先经过净化，然后经过一系列超低温液化，然后由LNG船运输到接收站储存在储罐中，最后传输给用户。随着我国国民经济的发展，对天然气等新能源的需求不断增加，液化天然气项目的投资和建设也越来越多。

LNG储罐为大容量预应力混凝土筒体结构。主要用于储存LNG。其最大特点是低温、超低温，最低温度可达-196℃。另一个主要特点是水箱尺寸大。储罐由内罐和外罐组成。内罐采用9%Ni钢板焊接而成，外罐为复合多层混凝土结构。外罐壁和内罐下环梁的混凝土结构采用耐-165℃的低温钢筋。由于低温钢筋主要用在LNG储罐外罐内部钢筋混凝土中，对内罐进行加固和支撑，且不与低温液体直接接触，因此概念与一般储罐不同。低温钢（低温容器用钢板）。性能要求也不一致。低温钢筋主要要求具有高强度和良好的韧性以及低温下的抗缺口敏感性。影响其低温性能的因素有很多，包括钢材纯净度、微合金化工艺、控轧、控冷、轧制材料组织等。由于低温钢筋特殊的低温性能要求，我国在在材料开发和测试手段方面还比较落后。低温钢筋产品尚属空白。 2015年之前，主要从国外进口。为适应技术进步、满足潜在市场需求，马钢股份根据我国研制低温容器用钢板的经验，结合低温钢筋的性能要求，自主开发了该系统用于液化天然气储罐。

500MPa级低温钢筋，耐-165℃。产品的常温力学性能、冷弯、反弯性能、-165℃低温力学性能完全满足LNG储罐的使用技术要求。已批量销售并替代进口，实现了液化天然气的实现。储罐专用低温高强钢筋国产化。

2技术要求

2.1 室温力学性能

由于LNG储罐外罐内部的钢筋混凝土基础较薄，如果采用335MPa低强度钢筋，则需要使用大量致密钢筋网片，导致壁厚变薄，不够混凝土填充。因此，本文研制的低温低温系统钢筋强度等级为500MPa。

500MPa级低温钢筋常温力学性能指标要求见表1。

2.2 冷弯及反弯性能

因为钢筋在低温下性能会发生较大变化，强度增加，塑性下降，对建筑结构的安全造成严重威胁，特别是低温脆性断裂，危害极大。因此，对低温钢筋的弯曲性能，特别是反向弯曲性能有更高的要求。具体要求如表2所示。

2.3 低温力学性能

与普通钢筋相比，低温钢筋不仅应具有-165℃低温下的高强度，而且还应具有高延伸性能，特别是对损伤缺口的敏感性和延伸性能。具体要求包括以下几个方面：

1）缺口灵敏度：缺口灵敏度指数NSR≥1（NSR=缺口样品的Rm/无缺口样品的ReL或Rp0.2）；

2）伸长性能：无缺口样品Agt≥4%，有缺口样品Agt≥1%；

3）强度：试样的屈服强度（ReL或Rp0.2）≥575MPa。

3 试制过程

3.1 微合金化工艺

20世纪60年代，我国开始发展低温钢，制定了国家标准GB 3531《低温压力容器用低合金钢板》，其中15MnNiDR和09MnNiDR属于

镍基低温钢具有良好的低温韧性和焊接性能。本文借鉴国内低温钢的发展经验，综合考虑低温钢筋的性能要求、生产线设备的特点以及合金元素对钢材特别是低温钢材力学性能的影响。温度韧性。在此基础上进行低P、低S设计。成分优化设计。

3.2 生产流程

冶炼采用超高功率电弧炉。首先进行深度脱磷处理，然后钢水在LF炉中进行深度脱硫处理。然后，利用RH去除O和H气体元素，并将N含量控制在一定范围内，以利于VN的沉淀。 。精炼后的钢水连续浇铸成钢坯，钢坯经棒材连轧机轧制成成品钢棒。

低温钢筋生产工艺流程：超高功率电弧炉熔炼→LF炉精炼→RH真空处理→150钢坯连铸→加热→棒材轧机→控冷→捆扎入库。

4 低温拉伸试验技术

为保证-165℃钢筋力学性能试验的真实性，对试件及试验条件提出如下特殊要求：

1）样品自由长度≥500mm，保证测量Agt的标距足够长；

2）试样上不允许车削，以保证钢筋的整体力学性能；

3) 确保样品断裂部分处于低温箱内。

由于钢筋低温检验的特殊性，国内尚无能够测试钢筋-165℃力学性能的实验室，这已成为低温钢筋国产化的瓶颈之一。我国通过自主创新建成了超低温拉伸试验装置。其技术特点主要包括以下几个方面：

1）采用液氮制冷，升温和降温速度快，最低可实现-185℃超低温拉伸试验；

2）低温箱采用上、中、下温控点，平均温度范围大，实际温度波动在3℃以内（LNG储罐业主要求5℃）；

3）能够真正测试-165℃钢筋的力学性能。

实际的低温钢筋低温拉伸试验设备如图1所示。

马钢低温拉伸检测技术获得CMA计量认证，并得到相关专家的高度评价。检测精度可与国外同类设备水平相媲美。

5 试生产结果及分析

5.1 非金属夹杂物

马钢生产的低温钢筋非金属夹杂物等级为：A、C为0； B、D和Ds≤1.0；气体含量：TO≤13ppm，H≤1.0ppm。具体统计结果见表3。

5.2 室温力学性能及冷弯和反弯性能

钢筋的强度屈服比指标对于建筑物的安全具有重要意义。该值越高，屈服后的均匀变形阶段越长，从而保证建筑物不会因“瞬间倒塌”而受到严重损坏。均匀伸长率比断后伸长率更能真实反映钢筋断裂前的平均伸长率。它能客观地反映钢筋的均匀变形能力，是判断钢筋延伸性能的重要指标。

根据EN ISO 15630-1《混凝土加固和预应力用钢试验方法第1部分：钢筋、线材和线材》，试制的φ12-32mm规格的常温力学性能、冷弯和反弯性能- 测试了高温钢筋。 ，结果如表4所示。从表中可以看出，各种规格低温钢筋的力学性能、冷弯和反弯性能均能满足LNG储罐使用的技术要求。

5.3 -165℃力学性能

随着温度的下降，钢材的强度会越来越高，但韧性会明显下降，特别是钢筋表面的缝隙。当在低温下受到拉伸载荷时，间隙会加速扩大，钢筋很容易断裂，对LNG储罐造成严重威胁。安全。

本文研制的500MPa低温钢筋在-165℃低温条件下的力学性能如表5所示。从表中可以看出，研制的500MPa低温钢筋具有良好的低温性能。温度韧性和缺口敏感性，完全满足LNG储罐的技术要求。

5.4 组织分析

将钢棒切割成金相样品，抛光，并用4%硝酸酒精蚀刻。采用德国蔡司金相显微镜观察钢筋样品的组织形貌。结果如图2所示。从图中可以看出，组织为粒状贝氏体+反奥氏体。这种结构不仅保证了钢筋的高强度，而且具有良好的低温韧性。

6应用

马钢成功解决了超低温（-165℃）高强钢筋制造难题，成功研制出500MPa级低温钢筋。其研制的低温钢筋在低温条件下的力学性能，特别是超低温条件下的缺口敏感性（NSR）和最大力总伸长率（Agt）满足LNG储罐的技术要求。目前，马钢已掌握500MPa级低温钢筋质量控制关键技术，实现了全系列低温钢筋生产。截至目前，马鞍山钢铁已销售低温棒钢7000余吨，已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，形成规模化生产能力。

7 结论

1）开发了具有自主知识产权的耐-165℃LNG储罐用全规格500MPa级低温钢筋。通过工艺优化和对冶炼、精炼、连铸、控轧、控冷全过程的工艺优化和稳定控制，开发的低温棒材产品的常温力学性能和-165℃低温力学性能能够充分满足满足LNG储罐的技术要求。

2）采用合理的控制轧制和冷却工艺，获得粒状贝氏体+反奥氏体组织。这样的结构不仅保证了低温钢筋的高强度，而且具有良好的低温韧性。

3）所开发的低温钢筋填补了国内空白，为我国液化天然气（LNG）储罐建设提供了原材料保障，有利于缩短LNG储罐建设周期、降低建设成本。

4）自主设计开发了专用低温拉伸试验设备和检测方法，解决了低温钢筋低温拉伸试验的技术难题，保证了低温拉伸试验结果的可靠性。

5）低温钢筋的研发成功，扩大了热轧棒材生产线的品种，提高了热轧棒材生产线的整体经济效益。

（于同仁王凯忠郭展）