低溫儲(chǔ)罐用06Ni9DR 鋼板力學(xué)性能的統(tǒng)計(jì)分析

姜恒，葉娟，劉春嬌，王璐，孫嘉繁

（合肥通用機(jī)械研究院，國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽省壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

液化天然氣（LNG）作為一種清潔能源已逐步走進(jìn)千家萬戶，隨著國(guó)內(nèi)LNG 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，眾多大型LNG 接收站以及LNG 儲(chǔ)罐的建設(shè)帶動(dòng)了Ni 鋼的需求。依托國(guó)內(nèi)4 個(gè)大型LNG 儲(chǔ)罐建設(shè)項(xiàng)目用06Ni9DR鋼板的抽樣檢測(cè)工作，對(duì)國(guó)產(chǎn)06Ni9DR 鋼板大規(guī)模生產(chǎn)中的實(shí)物力學(xué)性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)其主要質(zhì)量問題做出了歸納總結(jié)，為將來相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 06Ni9DR 鋼板的性能要求

LNG 儲(chǔ)罐用06Ni9DR 鋼板屬于-196℃級(jí)低溫壓力容器用鋼，其工作環(huán)境下直接接觸-165℃左右的液化天然氣，要求該鋼種具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性以及優(yōu)異的低溫沖擊韌性。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)ASME 規(guī)范對(duì)于06Ni9DR 鋼拉伸強(qiáng)度、塑性以及沖擊韌性要求的對(duì)比，如表1 所示。由表可見，GB 24510 相比ASME SA553 在鋼板力學(xué)性能的要求上更加詳盡與嚴(yán)格。當(dāng)前國(guó)內(nèi)大型LNG 儲(chǔ)罐建設(shè)項(xiàng)目對(duì)于06Ni9DR 鋼板的訂貨技術(shù)要求更是高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，尤其對(duì)于沖擊吸收能量KV2、側(cè)膨脹值LE 等提出了更高的要求。以下在對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)時(shí)，均以我國(guó)石化訂貨要求作為合格與否的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析

當(dāng)前國(guó)內(nèi)大型LNG 儲(chǔ)罐用06Ni9DR 鋼板的厚度范圍主要為6～28.5mm，其中規(guī)格6mm 鋼板用量最大。對(duì)各種厚度規(guī)格的鋼板，按照實(shí)際用量情況，總共取樣7708 張進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。其中，低溫沖擊試驗(yàn)是逐張進(jìn)行，共獲得7708 組數(shù)據(jù)，而拉伸與彎曲試驗(yàn)為部分抽檢，分別獲得5823 組數(shù)據(jù)。在彎曲工藝性能方面，所進(jìn)行試驗(yàn)的5823 張鋼板中僅有一例出現(xiàn)彎曲裂紋，合格率基本為100%。在此，著重對(duì)拉伸與沖擊性能指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。將7708 張06Ni9DR 鋼板的拉伸與沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)合并統(tǒng)計(jì)如表2 所示。由于厚度10mm以下鋼板采用小尺寸沖擊試樣，在該表中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)已將其KV2 指標(biāo)換算成全尺寸試樣的數(shù)值。

表1 06Ni9DR 鋼板力學(xué)性能要求

表2 06Ni9DR 鋼板力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)

以下將室溫拉伸與低溫沖擊測(cè)試結(jié)果按照板厚規(guī)格及數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計(jì)整理，如圖1～圖2 所示，由此可見不同厚度06Ni9DR 鋼板各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的分布規(guī)律。

2.1 拉伸性能

由 圖1 可 見， 國(guó) 產(chǎn)06Ni9DR 鋼 的 上 屈 服 強(qiáng)度ReH 的 合 格 率 為100%， 約82% 的 鋼 板ReH 為660～720MPa?？傮w來看，ReH 波動(dòng)范圍下限距離585MPa 合格線仍有25MPa 左右的余量，且隨鋼板厚度的增加，ReH 波動(dòng)范圍上限呈逐漸降低的趨勢(shì)?？估瓘?qiáng)度Rm 的合格率為99.8%，約97% 的鋼板Rm 為680～740MPa，其波動(dòng)范圍下限接近680MPa 的最小要求值。厚度24mm 左右板出現(xiàn)少量抗拉強(qiáng)度偏低的情況，6mm 板出現(xiàn)少數(shù)抗拉強(qiáng)度超標(biāo)的現(xiàn)象。塑性指標(biāo)斷后伸長(zhǎng)率A 的合格率為99.6%，約84%的鋼板A 為22%～28%。除6mm 板波動(dòng)較大、出現(xiàn)少量不合格外，其余規(guī)格全部合格，且12mm 以上鋼板的塑性整體較好。

圖1 國(guó)產(chǎn)06Ni9DR 鋼板拉伸性能統(tǒng)計(jì)圖

2.2 沖擊性能

由圖2 可見，沖擊吸收能量KV2 的整體合格率為99%，約88%的6mm 鋼板KV2 為80～120J，約92%的8mm 鋼 板KV2 為120～180J，約80% 的10mm 以 上 鋼板KV2 為210～260J。10mm 以上鋼板同樣表現(xiàn)較好，分散帶下限高出合格線50J 以上，其合格率為100%。而6mm、8mm 薄板的KV2 數(shù)據(jù)分散度相對(duì)較大，其合格率分別為98.6% 和99%。-196℃沖擊試驗(yàn)的剪切斷面率FA 及側(cè)膨脹值LE 兩項(xiàng)指標(biāo)的合格率均為100%，約93% 的 鋼 板FA 為92%～98%，約82% 的 鋼 板LE 為2.0～2.4mm，即使在KV2 不合格時(shí)也能滿足要求。與KV2 指標(biāo)相對(duì)應(yīng)，6mm 板在這兩項(xiàng)指標(biāo)上較其它厚度板表現(xiàn)出更大的波動(dòng)性。

圖2 國(guó)產(chǎn)06Ni9DR 鋼板-196℃沖擊性能統(tǒng)計(jì)圖

綜上所述，國(guó)產(chǎn)06Ni9DR 鋼板的拉伸強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性及彎曲性能總體良好，合格率可達(dá)95%以上。厚度10mm 以上板的性能較為穩(wěn)定，6～8mm 板的性能波動(dòng)較大且易出現(xiàn)不合格的情況。

3 06Ni9DR 鋼板典型性能異常情況

3.1 低溫沖擊韌性不足

對(duì)于低溫環(huán)境下服役的06Ni9DR 鋼板，為了防止低溫脆性斷裂的發(fā)生，必需具備優(yōu)良的低溫沖擊韌性。在所抽檢的鋼板中，存在部分鋼板的室溫拉伸性能合格，而低溫沖擊KV2 僅達(dá)到合格指標(biāo)50%以下，且LE 僅比標(biāo)準(zhǔn)要求值0.64mm 高出0.4mm 左右的情況，低溫沖擊韌性嚴(yán)重不足。通過對(duì)該部分鋼板取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，其平均氧含量高達(dá)35ppm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出訂貨技術(shù)條件氧含量≤14ppm 的要求。若鋼板在熔煉過程中脫氧不充分，超出溶解度部分的氧會(huì)以各種夾雜物的形式存在，對(duì)鋼的塑性及韌性均不利，尤其對(duì)于沖擊韌性極為不利，會(huì)提高鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，此即導(dǎo)致鋼板低溫韌性不足的重要原因。

3.2 室溫拉伸強(qiáng)度異常超高

在06Ni9DR 鋼板室溫拉伸性能檢測(cè)中，出現(xiàn)少數(shù)鋼板抗拉強(qiáng)度超過1000MPa，且規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2 高于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)范圍上限（820MPa）的情況。該類鋼板在拉伸試驗(yàn)過程中屈服平臺(tái)消失，僅在900MPa 附近有瞬間的載荷下降，材料塑性嚴(yán)重不足，試樣斷裂時(shí)呈現(xiàn)出較硬的狀態(tài)。此外，該類鋼板的低溫沖擊韌性亦有所降低，KV2 較正常水平下降約40J 左右，LE 下降約0.8mm 左右，合格余量較小。通過對(duì)強(qiáng)度超標(biāo)鋼板進(jìn)行金相取樣觀察，發(fā)現(xiàn)其存在板條狀馬氏體形態(tài)的組織，該類鋼板強(qiáng)度高而塑性差正是由于存在這種組織的結(jié)果。導(dǎo)致該類組織出現(xiàn)的原因是鋼板在回火過程中局部溫度偏低導(dǎo)致回火不夠充分，淬火時(shí)形成的馬氏體組織未得到完全轉(zhuǎn)化而遺留下來。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）國(guó)產(chǎn)06Ni9DR 鋼板總體力學(xué)性能良好，彎曲性能優(yōu)良，拉伸強(qiáng)度、塑性與低溫沖擊韌性均具有一定的合格余量。

（2）厚度10mm 以上鋼板的力學(xué)性能較為穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率高，性能異常情況少；而6～8mm 薄板的性能波動(dòng)較大，出現(xiàn)不合格的情況相對(duì)較多。

（3）應(yīng)重視對(duì)06Ni9DR 鋼板生產(chǎn)熔煉過程中氧含量的控制，以利于獲得優(yōu)良的低溫沖擊韌性。

（4）今后需進(jìn)一步提高國(guó)產(chǎn)06Ni9DR 鋼板熱處理工藝質(zhì)量的穩(wěn)定性，盡可能減少力學(xué)性能異常情況的發(fā)生。