石油天然气用高性能厚钢板的开发

　　1 高强度高韧性海洋构筑物用钢

　　1.1 海洋构筑物用钢的动向

　　海洋构筑物可分为三种类型：水深小于300m海域使用的导管架平台和自升式平台等固定式平台；水深超过1000m海域使用的半潜式平台和张力腿式平台（TLP）等浮式平台；水深300～1000m海域使用的摇动型平台。各类型平台都长期处于恶劣的气象、海象环境，为防止平台厚钢板发生脆性断裂，要求钢板母材和焊接区都具有良好的低温韧性。在低温韧性方面，不仅测定夏比冲击特性，而且要测定表征局部脆化特性的CTOD。 

　　近年来，随着世界能源需求量大大增长，海洋构筑物向大型化方向发展，为使海洋构筑物轻量化，对海洋构筑物用钢提出了高强度化的要求。此外，由于石油、天然气开采向冰海区域发展，对海洋构筑物用钢又提出了低温安全性的要求。为应对这些要求，日本利用微合金化技术和TMCP技术，通过HAZ组织微细化和抑制脆性组织，开发出高强度、高韧性的高性能厚钢板。

　　1.2 高性能厚钢板的开发及应用

　　1.2.1 提高HAZ韧性技术

　　有效晶粒微细化、母材高韧性化和减少断裂起点的脆性相（M-A相等）是提高HAZ安全性的有效方法。上世纪70年代开发出利用TiN使有效晶粒微细化的方法。之后开发出的晶粒细化方法有，利用REM和Ca（图1）的技术、将析出物和氧化物作为铁素体转变核心的晶内转变技术（图2）、将尺寸为50～200nm的Ca、Mg氧化物、硫化物作为钉扎粒子的技术（图3）。

    1.2.2 高强度化和低温韧性

　　在TMCP实用化的1980年以前，海洋构筑物用钢主要是正火处理制造的。为满足高强度、高韧性的要求，增加了钢中的合金元素含量，因此使HAZ母相硬度升高、M-A相增加，导致HAZ韧性不足。1980年以后，积极开展了利用TMCP控制金属组织提高强韧性的研究，于是TMCP技术正式用于海洋构筑物用钢的制造。

　　日本最早利用TMCP技术开发的YP350MPa级钢于1984年用于北海Oseberg矿区的海洋构筑物。之后日本又相继开发出用于北海的YP420MPa级钢（1990年）、用于帝汶海的YP460MPa级钢（2000年）、用于北海的YP500MPa级钢（2000年）、用于墨西哥湾的、保证-10℃ HAZ CTOD值的YP550MPa级钢（2004年）。

　　日本于1999年开发出保证-40℃ HAZ CTOD值的YP355MPa级钢，该钢种将TiO作为晶内相变核心。此后，又开发出石油钻探自升式平台最重要部件齿条用钢，钢板强度为800MPa级，钢板的厚度是世界最大厚度210mm，并且保证-60℃夏比冲击值。   

　　2 采用TMCP技术的新型LNG储罐用钢

　　2.1 LNG储罐用钢的动向

　　液化天然气（LNG）是CO2排放量少、硫氧化物、氮氧化物发生量少的清洁能源，因此对LNG的需求量不断增加。对LNG的液化地和使用地的储罐内壁用钢板的要求是在-162℃低温下具有规定的强度和不发生断裂的安全性，9%Ni钢作为LNG储罐内壁用钢在长达50年的时间里，在世界范围内得到广泛应用。

　　日本于1969年建造了容量为4.5万kL的地上LNG储罐，随着对LNG需求量的增加，LNG储罐向大型化的方向发展，相应地9%Ni钢板的厚度也在增加，LNG储罐容量为4.5万kL时，钢板厚度是20mm，容量为8万kL时，钢板厚度是30mm，容量为14万kL时，钢板厚度是40mm，容量为1814万kL以上时，钢板厚度是50mm。为应对钢板厚度的增加，采用了两相区热处理工艺，开发出降Si、添加Mo的高韧性9%Ni钢板。

　　2.2 新型低温压力容器用镍钢钢板的开发及应用

　　镍是可供开采40年的高价稀有金属。过去曾发生过由于镍价格上涨导致LNG储罐建造停止或延期的情况。因此迫切希望减轻镍价格变动引起的建造危机。为此，日本对降低镍含量，但安全性与9%Ni钢板相同的新材料进行了开发。上世纪70年代日本利用两相区热处理方法开发出镍含量为5.5%的镍钢钢板。近年来由于直接淬火技术的进步，利用TMCP工艺开发出镍含量为6.0～7.5%的低温压力容器用镍钢钢板。

　　LNG储罐内壁用钢的要求是在-162℃下具有抑制脆性断裂发生和传播的能力和脆性断裂的止裂性。一般情况下，这些性能受残余奥氏体量的影响，并且钢的组织微细化会促进残余奥氏体量的增加。日本利用TMCP技术的开发钢的晶粒直径约为淬火回火的传统9%Ni钢晶粒直径的1/3，实现了微细化（图4），并且对Si、Cr、Mo含量进行最佳化处理，使钢中的残余奥氏体量与9%Ni钢相同（图5）。焊趾是容易成为断裂源的部位，开发钢焊趾的极限CTOD值与传统9%Ni钢相同（图6）。

　　在开发钢实用化方面，天然气企业和储罐制造厂共同进行了-196℃大型断裂试验等多项试验，检验储罐的安全性，对开发钢板用于世界最大容量（23万kL）的地上LNG储罐的可靠性进行了研究。2010年度，日本评价委员会对开发钢是否符合天然气储罐技术标准的情况进行评价，评价结果是，开发钢具有与JIS G3127 9%Ni钢板相同的性能，符合天然气储罐技术标准。开发钢板的最大厚度是47mm。

　　2.3 开发钢的标准化

　　2013年3月，本开发钢纳入JIS G3127（低温压力容器用镍钢钢板），钢号是SL7N590。2013年8月，纳入压力容器设计规范ASME的 Code Case(ASME规范案例)。ASME正在推进将该开发钢作为A841 Grade G钢纳入标准。

节选自《世界钢铁技术月刊》2014年第11期