超低溫高錳鋼焊接技術發展及在LNG 儲罐中的應用*

杜青林，亢淑梅，李順濤

（遼寧科技大學 材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051）

1 概述

近年來，隨著全球對環保的重視程度逐漸提高，各項環保法規要求越來越嚴格，對于環保能源的關注度不斷提高，對于LNG 的需求量大大增加，所以LNG 儲罐用材料的需求量也隨之增加。高錳鋼的各項性能均與LNG 儲罐多用的9%Ni 鋼相當，甚至優于9%Ni 鋼，但其成本卻顯著低于9%Ni 鋼，在作為9%Ni 鋼的替代品、用來制作LNG 儲罐的方向上有著極大應用前景與價值。

在超低溫條件下，不僅要求高錳鋼母材的低溫力學性能優良，其焊接處焊縫金屬的力學性能也尤為重要，它決定了LNG 儲罐等超低溫高錳鋼設施的使用壽命和安全性。焊接過程中，由于高錳鋼材料較為特殊，常常會出現熱裂紋和焊接接頭力學性能差等問題，針對這一系列問題，國內外研究所及高校已開發出一些新焊接材料。

2 超低溫高錳鋼概述

很長一段時間以來，國際海事組織（IMO）只允許使用四種材料作為LNG 儲罐的材料：不銹鋼、鎳合金鋼、鋁合金和9%Ni 鋼。而國外開發的極低溫高錳鋼由于可以耐受-196℃的極低溫，可作為LNG 儲罐的材料。研究表明，高錳鋼的低溫韌性、抗疲勞性能和耐腐蝕性能相當于廣泛使用的9%Ni 鋼，但其塑性遠優于9%Ni 鋼（約為9%Ni 鋼的3 倍），這對于提高LNG 設施安全性有著重要意義。此外，錳的價格只有鎳的1/10 左右，高錳鋼的成本價格僅相當于鎳合金鋼、不銹鋼和鋁合金的70%~80%，采用高錳鋼可大大降低材料制造成本[1]。因此，高錳鋼比傳統的鎳系低溫鋼具有更明顯的技術經濟優勢，具有廣闊的應用前景[2]。目前，高錳鋼已被納入韓國標準、美國標準和DNV-GL 船舶規范，適用于從室溫到-162℃溫度變化頻繁的環境能更好地滿足船用LNG 儲罐的建造要求。LNG 儲罐用高錳鋼需滿足的化學成分、力學性能要求如表 1-3 所示[2]。

3 超低溫高錳鋼焊接技術

對于高錳鋼的使用，不僅要保證母材的力學性能，而且焊縫金屬的力學性能是關鍵問題之一，特別是在超低溫工作環境下，焊縫金屬的力學性能決定了LNG 結構的安全運行和使用壽命。在焊接過程中，出現焊接裂紋、焊接接頭低溫力學性能較母材差等問題經常出現，對于這些較為常見的問題人們也經優選元素含量和物質組成開發了一些新的焊接材料，專門用于超低溫高錳鋼的焊接。

表1 LNG 儲罐用高錳鋼的化學成分（美國標準）

表2 LNG 儲罐用高錳鋼的化學成分（韓國標準）

表3 LNG 儲罐用高錳鋼的力學性能要求

3.1 焊接問題

3.1.1 焊接裂紋

在焊接高錳鋼時，焊接部位溫度不斷升高，單相奧氏體組織的熱裂敏感性較高。在溫度升高的影響下，高錳鋼極易產生液化裂紋，從而影響其性能。焊縫附近常出現液化裂紋和焊縫裂紋，兩者都屬于熱裂紋。高錳鋼對熱裂敏感性高，一方面，由于鐵錳合金凝固溫度范圍大、凝固收縮率大、導熱系數低，所以焊接熱應力大；另一方面，為了獲得穩定的奧氏體，常在母材和焊接材料中加入C、Si、Cr、Ni、Cu、Al 等合金元素，不可避免的，少量的 S，P 雜質元素也會存在，導致熱影響區和焊縫出現低熔點共晶組織[3]，在拉應力作用下容易開裂。例如，Mn-Mn3P 共晶的熔點為960℃，與它相比，高錳鋼的熔點要高出許多，從而導致高錳鋼易產生熱裂紋。此外，高錳鋼中S 元素含量雖少，但與其他元素形成共晶物的可能性較大，例如Fe-FeS 共晶物的熔點也低于高錳鋼；由于膨脹系數的影響，高錳鋼焊接后的收縮量很大，導致焊接應力隨之增大，從而增加了熱裂紋形成的幾率[4]。C 元素作為一種重要的奧氏體化和固溶強化元素，容易擴大凝固溫度范圍，在熱影響區和焊縫處形成（Fe，Mn）3C/γ 等低熔點共晶組織，在熱應力作用下產生裂紋。Si 的固溶強化作用能使錳鋼的力學性能得到提高，但降低了共晶中的C 含量，導致低熔點共晶組織增多。此外，硅在晶界的聚集會產生低熔點液膜，使凝固裂紋的傾向增大[5]。雖然Cr 元素使固溶強化得到增強，但它的高含量不僅使奧氏體的穩定性降低，而且使共晶的溫度范圍變大了，由于共晶C 含量的降低，大量低熔點（Cr，Mn，Fe）7C3/γ 共晶產生，熱裂紋更容易出現[6]。

3.1.2 焊接接頭低溫性能

雖然超低溫高錳鋼母材能在低溫環境下保持良好的力學性能，但由于焊接熱循環的影響，會造成組織穩定性降低和成分偏析，高錳鋼焊接接頭的低溫力學性能通常低于母材[7]。

韓國POSCO 公司 [8]使用與母材成分相近的焊絲對Fe-Mn-C 系低溫高錳鋼進行了氣保焊。保護氣體為80%的Ar 和20%的CO2的混合氣體。母材為Fe-Mn-C，Fe-Mn-C-Al，Fe-Mn-Cr-N 系厚度為 30mm 的低溫高錳鋼，其在室溫下的最低抗拉強度和最低屈服強度分別為668MPa和368MPa，-196℃下的最低沖擊功為100J。焊接接頭室溫抗拉強度和屈服強度分別為669MPa 和438MPa，與母材相差不大，而在-196℃下焊縫金屬和熱影響區的沖擊能分別為60J 和86J，明顯低于母材。付瑞東等[9]進行了與母材成分相同的32Mn-7Cr-0.6Mo-0.3N 高錳鋼的鎢極氣體保護焊。母材厚度為6mm，接頭在-196℃下的抗拉強度為1250MPa，低于母材1350MPa 的抗拉強度。

在低溫環境下，高錳鋼焊接接頭的疲勞性能也受到廣泛關注。Daeho Jeong 等在室溫與-163℃對Fe24Mn 鋼進行了疲勞裂紋傳播試驗，在室溫下，試樣母材與焊接金屬、熔合線區域疲勞裂紋傳播速率相當，當溫度降至-163℃，焊接金屬、熔合線區域疲勞裂紋傳播速率略低于母材。對Fe-0.7C-15Mn-2Al 鋼GTAW 接頭的疲勞性能進行了測試，結果表明，焊接接頭在-163℃下的疲勞強度明顯低于母材，疲勞試樣在焊縫處斷裂[10]。

3.2 焊接材料

為改善焊接接頭的焊接性和低溫韌性，有學者開發了一種藥芯電弧焊絲，其中C：0.01~0.1%，Si：0.3~1.4%，Mn：1.0~3.0，Ti+TiO：4.0~7.5%，Ni：0.01~3.0%，少量 B、Y或稀土金屬，及余量的Fe 和一些不可避免的雜質。通過優選元素含量，獲得優異的低溫韌性和強度，實驗表明，在-80℃下，低溫沖擊韌性可達60J 以上，在-60℃下，裂紋尖端張開位移為0.25mm 左右。同時，該焊絲通過加入Y 和稀土金屬，減少了飛濺物的產生量，提升了焊接加工性[11]。

針對提升極低溫條件下LNG 儲罐用高錳鋼焊接接頭的低溫韌性，POSCO 公司開發了一種優異的高強度焊接接頭及用于其的藥芯電弧焊絲，其中焊接接頭的元素含量為 C：0.1~0.61%、Si：0.23~1.0%、Mn：14~35%、Cr：≤6%、Mo：1.45~3.5%、S：≤0.02%、P：≤0.02%、B：0.001~0.01%、Ti：0.001~0.2%、N：0.001~0.3%及余量的 Fe 及不可避免的雜質。該焊接接頭能在極低溫環境下保持具有優良韌性的奧氏體相，同時防止了焊接過程中高溫裂紋的產生，使焊接接頭具有優良的常溫屈服強度和低溫沖擊韌性。因此，該焊接接頭可有效地用于LNG 儲罐等超低溫容器的焊接。藥芯電弧焊絲的元素含量為C：0.15~0.8%、Si：0.2~1.2%、Mn：15~34%、Cr：≤6%、Mo：1.5~4%、S：≤0.02%、P：≤0.02%、B：≤0.01%、Ti：0.09~0.5%、N：0.001~0.3%、TiO2：4~15%、總量在 0.5~1.7%的 K、Na 及 Li中的1 種以上，總量在0.2~1.5%的F 和Ca 中的1 種以上，總量在 0.01~9%的 SiO2、ZrO2及 Al2O3中的 1 種以上，余量的Fe 及其它不可避免的雜質。該藥芯電弧焊絲可以有效地得到上述的具有常溫屈服強度及低溫韌性的焊接接頭，因此，在極低溫區域-196°C 以下的情況下，能夠確保具有優異沖擊韌性的焊接結構物[12]。

毛興貴等研發的一種超低溫高錳鋼埋弧焊用的埋弧焊焊劑和焊絲，二者組合用于-196℃超低溫高錳鋼的埋弧焊接。該焊劑中，優選 SiO2：6 重量份、MgO：30 重量份、Al2O3：40 重量份、CaF2：15 重量份，TiO2：3 重量份、Fe2O3：3重量份、S：0.015 重量份、P：0.010 重量份。作為優選，焊絲的成分為 C：0.30%、Si：0.4%、Mn：25%、Cr：3%、Ni：9%、Mo：4%、Cu：0.5%、N：0.15%、Al：0.10%、S：0.005%、P：0.007%，和余量為Fe 及必不可少的雜質。通過合理采用各元素含量的比例，本發明的焊劑和焊絲在焊接不同錳含量的超低溫高錳鋼的條件下，焊接工藝好，焊縫形狀美觀，渣殼能自動脫落，適用于窄間隙焊接，使焊縫抗裂，硬度等機械性能優良。焊接接頭抗拉強度650~950MPa，-196°C 下焊縫金屬沖擊能Akv≥90J，焊縫無氣孔、夾渣和裂紋，完全滿足超低溫下超低溫高錳鋼的標準要求[13]。

4 超低溫高錳鋼焊接技術發展

2014 年3 月，由韓國研制的奧氏體高錳鋼應用于了制作大容量LNG 儲罐，其貯藏量可達2 萬m3，相較過去只有1000m3普通的儲罐，貯藏量提高了約20 倍[14]。在采用了韓國科學技術院的格子結構技術后，由于罐內的格子結構將壓力分散，減少罐外壁的負擔，從而降低外壁厚度，減少材料使用量，降低了制造成本，提高了超低溫高錳鋼產品的競爭力[15，16]。POSCO 新開發的低溫高錳鋼在完成鋼材和焊接材料的船級社認證后，于2014 年12 月通過了韓國國家技術標準研究院的認證，并制定了高錳鋼用電弧焊條（KSD 7142）、高錳鋼用電焊藥芯焊絲（KSD 7143）、高錳鋼用埋弧焊絲和焊劑（KSD 7144）、低溫壓力容器用奧氏體系高錳鋼板標準（KSD 30131）等新標準[16]，隨著新材料的研發和新標準的制定，在此后的各項超低溫高錳鋼產品也開始得到了正式應用。2016 年，超低溫高錳鋼正式應用于由現代尾浦造船公司承建的5萬總載重噸級動力散貨船LNG 儲罐。2017 年應用于全球首艘LNG 動力散貨船“Ilshin Green Iris”號，這艘50000 載重噸散貨船，是全球第一艘LNG 動力散貨船，擁有一個容量為500m3的C 型LNG 儲罐，由奧氏體高錳鋼制造，安裝在船尾系泊甲板上，這是全球首艘搭載高錳鋼制成燃料箱的船舶。

5 結束語

（1）將Mn 元素替代Ni 元素，用于替代9%Ni 鋼的超低溫高錳鋼，Mn 元素含量為22.0%~26.0%，在低溫下可以保持良好的低溫韌性，且成本低廉，可作為一種極佳的替代9%Ni 鋼的材料，在設備安全、環境保護、資源節約、經濟發展等方面都有著很大的發展空間。

（2）超低溫高錳鋼在焊接過程中易出現熱裂紋，焊接接頭低溫性能差的問題缺陷，所以開發新的焊接材料、焊接工藝來提升焊接接頭的超低溫性能至關重要，這關系到LNG 儲罐等設備的安全運行和使用壽命。

（3）作為一種較為前沿和新穎的材料，國外對于高錳鋼替代9%Ni 鋼作為LNG 儲罐的材料的研究起步早，相關技術和標準都較為完善，尤其是韓國正處于一個世界前沿的位置。我國仍需繼續加強對于LNG 儲罐用超低溫高錳鋼及其焊接技術的研發，提升我國在此種材料的制備與應用方面的國際競爭力，推動環保能源、經濟材料的大規模使用。