LNG用低温高锰钢及其焊接技术发展

郭伟 蔡艳 华学明

摘要：随着国际LNG产业的迅猛发展，对LNG储运低温材料的需求日益增加。为了兼顾服役性能和制造成本，Mn元素含量为20%～28%的低温高锰钢得到关注。该钢种采用Mn元素替代Ni元素，并添加适量的C、N、Cu等元素，在控制成本的同时获得良好的组织稳定性和低温强韧性，具有广阔的应用前景。低温高锰钢焊接时易出现热裂纹、元素烧损以及接头低温性能下降等问题，对焊接材料开发和焊接工艺优化提出了较高要求。加强对LNG船用低温高锰钢及其焊接技术的研发，有助于提高我国船舶制造企业的国际竞争力。

关键词：高锰钢;奥氏体化元素;元素烧损;热裂纹;低温性能

中图分类号：TG457.11 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）11-0007-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.02

0 前言

根据国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则（IGC code）规定，LNG船储罐及相关的管道制造材料被限定为四种：殷瓦合金、9Ni钢、不锈钢和铝合金，但这些材料均存在价格高、制造工艺复杂等局限[1]。近年来，以Mn替代Ni的相关研究一直是低温钢产品开发的热点，Mn元素在合金化过程中具有与Ni元素相近的物理化学特性，且成本更低。研究表明，鋼中加入含量20%以上的Mn代替传统低温钢中的Ni元素，并加入含量0.4%以上的C元素，可以在室温下获得奥氏体组织，提高其低温韧性[2]。据测算，低温高锰钢比IGC规定的四种材料价格低70%～80%，并具有强度高、加工方便等特点，具有广阔的应用前景。

文中总结了目前低温高锰钢的发展现状，针对高锰钢焊接易发生合金元素烧损、热裂纹进行分析，从焊接接头低温性能角度分析了高锰钢在低温领域的适用性，介绍了低温高锰钢在LNG领域的应用现状和发展前景。

1 低温高锰钢发展

低温高锰钢的组织稳定性是其强韧化的基本要求，合金成分是奥氏体稳定性的主要因素[3]。对于高锰钢来说，Mn是最主要的奥氏体化元素，能够提高层错能，促进TWIP效应。对于Fe-Mn二元合金，当Mn含量不低于28%时可以获得稳定的奥氏体组织，低温韧性优良，但强度较低;当Mn含量不低于35%时，Mn元素则易在晶界偏聚，低温下发生晶界脆断，对强度和韧性不利[4]。

C元素不仅是强奥氏体化元素，而且具有显著的固溶强化能力，也是高锰钢的主要添加元素。高锰钢经1 050 ℃水韧处理后，碳全部溶于奥氏体中，室温下呈单相奥氏体组织，具有良好的韧性;但当重新加热超过300 ℃后，碳就会沿晶界析出形成碳化物，大大降低材料韧性，这对于焊接接头是不利的。此外，在Fe-Mn-C系高锰钢中添加适量的Al元素[5]和N元素[6]，已经开发了Fe-Mn-C-Al、Fe-Mn-Cr-N等低温高锰钢。N元素是强奥氏体化元素，具有显著的固溶强化能力，有助于改善高锰钢的强韧性，但是N元素的溶解度很低，通常需要添加Cr元素来提高N元素的溶解度。几种低温高锰钢的力学性能如表1所示。总的来说，低温高锰钢展现出良好的低温强韧性，抗拉强度达到甚至超过9Ni钢，但屈服强度和冲击韧性相对略低，尤其要注意的是轧制板材横向冲击韧性可能较低。

此外，有学者在低温（110 K）环境中对Fe-Mn-C低温高锰钢进行了疲劳裂纹扩展速率测试，并与9Ni钢进行比较，发现两者相当，Fe-Mn-C低温高锰钢的CTOD值达到0.56～0.65 mm[2]。

2 高锰钢焊接技术

焊接是低温高锰钢在工业生产中不可避免的重要环节，也是制约其应用的关键因素，其研究热点包括焊接方法和填充材料两方面。目前针对低温高锰钢焊接的方法包括激光焊[8]、TIG自熔焊[9-10]、TIG填丝焊[11-12]、MAG焊[2]和SAW焊[13]等。通常，低温高锰钢的组织稳定性较好，接头热影响区仍为奥氏体组织，但也有研究发现热影响区晶界析出了碳化物[14]，这对于冲击韧性是不利的。高锰钢焊接通常采用与母材成分相似的焊丝[2]，有专利提出了Mn含量23%～26%，C含量0.25%～0.45%，Ni含量6%～8%，W含量3%～5%，N含量0.02%～0.04%，并严格控制S、P含量的低温高锰钢埋弧焊实芯焊丝[15]。高锰钢焊接的主要问题包括焊接裂纹、焊缝金属元素烧损以及接头韧性下降等。

2.1 焊接热裂纹

高锰钢热裂纹敏感性高，一方面由于Fe-Mn合金凝固温度范围大、导热系数低、凝固收缩率大，导致焊接热应力大;另一方面，为了获得稳定的奥氏体，母材和焊材中往往添加C、Si、Cr、Ni、Cu、Al等合金元素，以及存在少量的S、P杂质元素，导致焊缝和热影响区产生低熔点共晶组织[16]，在拉应力下容易开裂。C元素作为重要的固溶强化和奥氏体化元素，往往会扩大凝固温度范围，在焊缝和热影响区生成（Fe，Mn）3C/γ等低熔点共晶组织，在热应力下导致裂纹产生。Si的固溶强化作用提高了锰钢的力学性能，但是Si降低了共晶的C含量，因此导致更多的低熔点共晶组织，此外Si在晶界的聚集会产生低熔点液膜，加剧了凝固裂纹倾向[10]。Cr元素虽然加强了固溶强化，但含量过高不仅降低奥氏体稳定性，还由于Cr元素扩大了共晶温度范围，降低了共晶C含量，导致产生大量低熔点（Cr，Fe，Mn）7C3/γ共晶，更容易产生热裂纹[17]。杂质S元素易与Mn产生MnS夹杂，P元素则提高凝固温度范围，导致晶界产生大量低熔点（Fe，Mn）3P/γ共晶组织，特别是在添加了Ni元素的高锰钢中，Ni元素会加剧P在晶界的偏析，即使P含量很低（0.02%），也会产生大量（Fe，Mn）3P/γ共晶组织，从而增加热裂纹风险[18]。

为了改善高锰钢的热裂敏感性，一方面应严格控制C、P、S等元素的含量，另一方面可以通过添加Ti、Nb等合金元素来提高金属的共晶温度。Ti、Nb与C形成TiC或NbC化合物，产生TiC/γ和NbC/γ共晶组织，从而提高金属共晶温度，减少（Fe，Mn）3C/γ低熔点共晶组织，降低晶界脆化温度范围，改善热裂敏感性[19]。此外，Al元素有助于降低C元素的活度，抑制C在晶界偏析，减少甚至消除（Fe，Mn）3C/γ低熔点共晶，降低裂纹敏感性[20]。由此可知，在高锰钢及其焊材的研发过程中，添加合金元素需谨慎，在保证低温强韧性的同时，应从焊接角度出发降低其热裂敏感性。

2.2 合金元素烧损

为了保证高锰钢的低温强韧性，Mn元素的含量较高，同时还不同程度地添加N、Al等元素，但是这些元素的沸点较低，焊接过程中易发生烧损，最终影响焊缝金属的组织和性能。对于高锰钢焊接来说，Mn元素烧损是首要考虑的，这对焊缝金属的组织和性能至关重要。MA L. L.[21]研究发现，采用1 kW功率激光对厚度为1 mm的高锰钢进行自熔焊后，母材中Mn元素含量从24.26%降至17.18%，而采用GTAW自熔焊则未发现明显的Mn元素含量变化。Jr J. W. M.[24]采用4 kW激光对厚度为3 mm的高锰钢进行自熔焊后，母材中的Mn元素含量从24.26%降至22%[8]。由此可见，焊接方法是影响高锰钢焊接过程中Mn元素蒸发行为的重要因素。

当高锰钢母材添加N元素时，N元素易从熔池中逸出，造成焊缝金属中N元素含量下降，因此有学者在高锰钢焊接保护气体中添加氮气，保护气体中的N元素溶解进入熔池，甚至可以提高焊缝金属的N元素含量。有研究表明[11]，对N含量为0.3% 的高锰钢进行TIG自熔焊，采用纯氩气保护时，焊缝金属的N元素含量下降为0.27%;在保护气体中添加4%氮气后，焊缝金属中N元素含量提高至0.39%，接头性能也得到改善。

虽然高锰钢焊接过程易发生Mn、N等元素烧损，但由于母材的合金元素含量较高，焊缝金属的组织通常仍能保持为奥氏体，但合金元素含量下降对于焊缝金属的组织稳定性和层错能存在影响，对接头的低温强韧性不利，在实际焊接生产中应给予关注。

2.3 焊接接头低温性能

虽然高锰钢母材在低温环境中具有良好的力学性能，但是焊接热循环会造成成分偏析和组织稳定性下降，高锰钢焊接接头的低温力学性能往往低于母材[22]。韩国浦项钢铁公司[2]采用成分与母材相近的焊丝进行了Fe-Mn-C系高锰低温钢气保焊，保护气体为φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，母材的力学性能如表1所示，厚度为30 mm，室温下测得焊接接头的抗拉强度约为669 MPa，屈服强度约438 MPa，在-196 ℃温度下测得焊缝金属和热影响区的冲击功分别为60 J和86 J，显著低于母材（见表1）。韩国釜山国立大学采用埋弧焊进行了Fe-24Mn高锰钢焊接，在-163 ℃温度下测得焊接接头的屈服强度和抗拉强度分别617 MPa和1 150 MPa，延伸率为20%[13]。付瑞东等[23]采用与母材同成分的焊丝开展了32Mn-7Cr-0.6Mo-0.3N高锰钢的TIG焊接，母材厚度为6 mm，-196 ℃温度下测得接头的抗拉强度为1 250 MPa，低于母材的抗拉强度1 350 MPa。Chan等[9]通过提高保护气体中氮气含量的方法，在高锰钢GTAW自熔焊熔化区获得高于母材的氮含量，焊接接头在深冷环境（-269 ℃）中的屈服强度与母材相当。需要注意的是，含量过高的N元素可能会在晶界偏析，造成低温韧性下降[24]。

此外，高锰钢焊接接头在低温环境中的疲劳性能也受到关注。韩国庆尚大学[14]在-163 ℃环境中对Fe24Mn钢焊接接头的不同区域进行了疲劳裂纹扩展速率测试，发现焊缝金属和熔合线区域的裂纹扩展速率相当，均略低于母材。还对Fe-0.7C-15Mn-2Al钢的GTAW接头进行了疲劳性能测试，发现焊接接头在-163 ℃温度下的疲劳强度显著低于母材，疲劳试样在焊缝位置断裂[14]。

3 低温高锰钢在LNG领域应用

在LNG船用低温高锰钢研发和应用方面，韩国起步较早。2010年11月，韩国大宇造船海洋公司与浦项钢铁公司，以及美国船级社ABS、法国船级社BV、挪威船级社DNV-GL、韩国船级社KR和英国劳氏船级社LR共同启动了“极低温用高锰钢及焊接材料共同开发”项目，旨在积极推动高锰钢的开发。用于建造LNG船舶液货围护系统的材料需满足：（1）对冲击载荷和周变载荷具有较好的适应能力，具有良好的低温冲击韧性和疲劳性能;（2）低温服役时具有较高的强度和塑性;（3）热膨胀系数小，低温服役时的温差应力小。高锰钢在低温下无脆性转变，具有良好的冲击韧性和组织稳定性。根据韩国浦项制铁制订《LNG船舶用高锰钢技术国家标准》以及ISO-WG17标准草案，目前LNG船舶用高锰钢的成分体系为22%～26% w（Mn）+0.3%～0.6% w（C）的中碳高锰钢，大致的成分区间如表2所示。母材抗拉强度约为800～970 MPa，屈服强度>400 MPa，延伸率>22%，-196 ℃夏比冲击功则不应低于27 J。

不同于9Ni钢焊接普遍采用镍基合金作为填充材料，高锰钢焊接通常采用与母材成分相近的焊材，能够大幅降低LNG输运船舶的建造成本。在高锰钢焊材研发方面，韩国国家技术标准院于2014年制订了高锰钢用电弧焊条（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。目前，韩国在LNG船用低温高锰钢领域的快速发展给其他造船大國造成较大压力，各国纷纷加快高锰低温钢的研发。十三五期间，我国也在新型LNG低温钢及焊接技术方面做出了积极探索，形成了多项专利技术[25]。随着国际LNG产业的迅速发展，掌握LNG船用低温高锰钢的应用技术，建立相应的技术标准，降低LNG运输船建造成本，这对于我国占领LNG运输船市场起到关键性作用。

4 结论

（1）低温高锰钢采用Mn元素替代Ni元素，Mn元素含量约为20%～28%，并添加适量的C、N、Cu等元素，不仅在低温环境中具有稳定的奥氏体组织和低温强韧性，而且价格低廉，具有广阔的应用前景。

（2）低温高锰钢焊接易出现热裂纹、元素烧损，以及接头低温性能下降等问题，开发配套的焊接材料，优化焊接工艺，实现焊缝金属合金元素的优化调节，对于改善高锰钢焊接接头低温性能至关重要。

（3）在LNG船舶建造领域，低温高锰钢具有替代9Ni钢的潜力。韩国在LNG船用低温高锰钢方面的研究起步较早，已初步形成相关焊接标准。为了进一步提升我国在LNG船舶建造领域的国际竞争力，有必要加强对LNG船用低温高锰钢及其焊接技术的研发。

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