LNG低温高锰奥氏体钢材料应用研究概述

孙淑侠

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)

巴黎协定后，国际海事组织(IMO)第72届海上环境保护委员会通过了国际海运温室气体减排初步战略目标。为实现减排目标，现阶段采用液化天然气(LNG)等清洁能源是业界普遍接受的方式[1]。LNG船舶运输和燃料应用需求越来越广泛，相较传统9Ni、奥氏体不锈钢[2]等成本效益有望提高53%以上的高锰奥氏体钢的应用得到广泛关注。

1882年，英国冶金学家Robert Abbott Hadfield发现将钢中含锰量添加至12%以上，经处理后能够得到单一的奥氏体组织，在高应力、强冲击的工况下显现出良好的耐磨性能，并发现高锰钢特殊的硬度和磁学性能[3-4]。自此以后，高锰钢被广泛应用在耐磨钢、高强度汽车钢和无磁钢等领域，但高锰钢一直未应用于LNG储运的超低温领域。LNG具有可燃性和超低温性，LNG储罐制造技术是船舶制造中最顶尖的技术之一，人们在利用高锰奥氏体钢作为LNG低温材料时要重点考虑安全性。

无镍高锰奥氏体钢可以大幅度降低LNG装备成本，且高锰奥氏体钢是面心立方晶体结构，具有优良的塑韧性，在低温应用中具备很好的潜力。鉴于高锰奥氏体钢极少应用于船舶LNG领域，如何安全可靠地在船舶上应用一直是业界关注的问题，为此，国际海事界开展了深入的研究，并在国际海事组织和国际船级社协会等国际组织协调下，设立专家组，讨论高锰奥氏体钢船用的适应性，以控制高锰奥氏体钢应用带来的安全风险。我国相关高校、研究院所、钢企也开展了相关研究。本文通过对高锰奥氏体钢在LNG低温储罐中的应用研究情况进行分析，旨在更好地了解国内外研发现状，借鉴经验。

1 高锰奥氏体钢的基本情况

作为LNG低温材料，高锰奥氏体钢在-196℃超低温下应具备良好的抗脆断能力，同时具备良好的加工性能，包括具备良好的可焊性和变形后性能不损失的能力。高锰奥氏体钢中加入质量分数22%以上的锰，以代替传统低温钢中使用的镍，并加入0.4%左右的碳，由于碳与锰作为促进奥氏体形成元素，并通过添加一定的Cr、Cu、B、N等元素[5]，具体化学成分详见表1，以保证钢的奥氏体组织，提高其低温韧性。

根据国际海事组织发布的MSC.1/Circ.1599通函有关“用于低温环境的高锰奥氏体钢应用临时指南”[6]中对高锰奥氏体钢力学性能的规定，其主要力学性能指标要求详见表2。大生产的高锰奥氏体钢具有良好的强度，屈强比一般可达50%，延伸率一般在40%以上，-196℃冲击功可达100J左右，机械性能优良。

表2 高锰奥氏体钢的力学性能

2 国外研究情况

2.1 钢材研究情况

在高锰奥氏体钢用作低温LNG材料方面国外已经开展了相对深入的研究，其中以韩国的研究应用居多[7]，资料显示，最初他们通过将高锰奥氏体钢与现有成熟的奥氏体不锈钢和9Ni进行对比研究，发现高锰奥氏体钢具有与9Ni、STS304等传统低温材料相当的性能，具备较好的低温适应性。通过拉伸试验对比，其应力应变曲线与STS304相似，无明显屈服，且屈服强度介于STS304和9Ni之间，其低温强度有明显上升，如图1。-196℃的冲击性能优良，与9Ni相当，达到150J左右，具有良好的冲击韧性，-196℃断口呈韧性，如图2。在CTOD试验中，试验值在0.56mm～0.65mm间，与9Ni相当，如图3。在裂纹扩展速率试验中，发现其扩展速率与9Ni基本相同，且高锰钢疲劳裂纹扩展门槛应力强度因子幅度小于9Ni，如图4。在热膨胀率试验中，高锰钢热膨胀率最低，可以在LNG等低温介质充装中的温度场变化中产生最小的热应力，如图5。

图1 高锰钢的应力应变曲线

图2 高锰钢的冲击值和断口

图3 高锰钢的CTOD

图4 高锰钢的da/dN

图5 高锰钢的热膨胀率

在高锰奥氏体钢焊接材料配套研究方面，韩国开发了药芯焊丝电弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊等焊接材料，经过系列工艺试验，并对焊接接头开展拉伸试验、冲击试验、裂纹扩展速率试验、CTOD试验和应力腐蚀试验，针对奥氏体钢热裂纹倾向敏感，开展了横向可调拘束裂纹试验，试验表明，高锰钢具有良好的焊接工艺性能。

在高锰奥氏体钢的加工工艺性研究方面，由于具有良好的塑韧性和400MPa左右的屈服强度，即使在冷变形时需要更大的工作载荷，仍表现出良好的加工变形能力。为验证高锰奥氏体钢的加工性能，韩国建造了一只24m3设计压力为9bar的圆筒形压力罐和一只52m3设计压力为10bar的方形压力罐，经水压试验和液氮低温试验，无开裂、无渗漏情况出现。

2.2 钢材应用情况

为研究高锰奥氏体钢在LNG动力船燃料舱应用情况，积累营运经验，韩国投资建造了一条船名为“Green Iris”5万吨散货船，如图6。该船具备LNG和燃料油双燃料动力，建造了一个设计压力为7bar、容量为500m3的高锰奥氏体钢独立C性燃料舱，航行于韩国国内航线，于2018年3月投入营运，入KR和LR双重船级[8]。该船为全球首个实现高锰奥氏体钢船舶应用的案例。

案例库建设中，采用了“选”、“整”、“合”、“饰”的方式，逐步完善了整个案例库：“选”就是在大量信息中，选择适合我校教学实际的案例；“整”就是将选择的案例按照工艺特点分类整理；“合”就是将案例的背景、分析、适合领域、教学建议整合在一起；“饰”就是给案例做好标记，添加名称编号等，便于输入到案例库框架中。

图6 Green Iris轮

该燃料罐主要采用板厚为18mm和26mm两种规格的高锰奥氏体钢建造，采用等离子切割和倒边，罐体和封头采用冷压成型方式，主要运用药芯焊丝气保焊和埋弧焊完成装焊，经压力试验、射线探伤和超声波探伤等检验合格。

通过整理2018年3月至2019年2月约一年的43次每次约265海里的海上航线观测数据发现，高锰奥氏体钢罐内平均压力为3.23bar，最大压力4.9bar，温度范围为-133.5℃～-148.4℃，具有较好的适应性。

除船用外，韩国在陆上LNG储罐方面开展了一些应用，如符合KGS AC 111的24m3高锰钢独立C型罐、实验室1m3左右的与304开展对比工作的高锰钢试罐、符合KGS AC 115的10m3陆上LNG终端试验罐和20万方陆上LNG终端建造。此外，韩国还在联合开展IMO B型LNG舱的生产实践工作。

2.3 国际标准的研究情况

随着研究和应用的深入，经济型高锰奥氏体钢在LNG中的应用引起广泛关注。国际海事组织于2016年正式将“高锰钢应用与低温环境的适应性”作为议题纳入会议讨论，并成立国际间专家工作组重点讨论高锰钢作为LNG储运材料的安全风险、试验要求和应用要求等，经各国专家努力，在2019年1月的MSC100次会议上通过了“低温环境的高锰奥氏体钢应用临时指南”(MSC.1/Circ.1599)[6]，为指导高锰奥氏体钢应用提供了很好的指导。该指南主要从材料化学成分、性能指标、试验要求、储罐设计强度校核要求、焊接和检验等方面做出全面的规定。目前，IMO正在就高锰奥氏体钢除LNG以外的应用领域、钢板厚度范围、IGC/IGF规则修订及其他应用问题开展讨论。

基于IMO的研究状况，国际船级社协会正在制定高锰奥氏体钢的检验指南，以指导各船级社开展高锰奥氏体钢的认可和检验。

除此以外，在韩国的积极推动下，美国材料试验协会通过了《低温应用压力容器板.合金钢和奥氏体高锰钢的标准规格》(ASTMA1106/A1106M-2017)[8]；国际标准化组织通过了《船舶和船舶技术.船上液化天然气储罐用高锰奥氏体钢规范》(ISO 21635-2018)[9]，一定程度上促进了高锰钢材料的认可和检验标准依据问题。

尽管国际相关组织在标准化方面做出了积极努力，但总体来看高锰奥氏体钢应用经验仍然较为缺乏，船舶设计和船东选材方面仍缺乏足够信心。

3 我国研究情况

3.1 钢材研究情况

3.2 钢材应用情况

高锰奥氏体钢相对焊接性能较差，易产生液化裂纹和结晶裂纹[12-13]。在高锰奥氏体钢配套焊接材料开发工作方面，中船重工第725所利用无缝药芯焊丝制造焊条焊芯、埋弧焊焊丝和氩弧焊焊丝，保证了焊缝熔敷金属与母材具有相当的化学成分，与母材具有良好的匹配性，实现电焊条、埋弧焊和氩弧焊等焊接材料的批量化，实物熔敷金属σ0.2>400MPa、σb>660MPa、AKV>70J，符合IMO临时导则的技术要求。大西洋也开展了高锰钢电焊条、埋弧焊丝等研究工作，并实现批量生产。南钢和武汉科技大学也开展了高锰钢配套焊接材料的研发工作并实现配套。

为摸清高锰奥氏体钢的加工性能，中集宏图开展了高锰奥氏体钢制造LNG燃料罐的生产实践。通过试制一台5m3的LNG罐，如图7，验证钢材冷变形、封头制作、焊接性能、低温性能等，积累一定的制造经验。LNG罐经过水压试验、无损检测和液氮充装试验结果良好，表明高锰奥氏体钢具有较好的低温性能。

图7 高锰奥氏体钢试罐

3.3 标准的研究情况

依托“十三五”重点研发计划，东北大学正牵头起草《低温压力容器用高锰钢钢板》国家标准[12]。该标准主要综合国内外LNG储罐用高锰奥氏体钢研究开发情况和用户使用要求作为制定依据，并参考、借鉴、吸收了GB24510-2009、GB3531、ASTM A1106/1106M、中国船级社《材料与焊接规范》等要求。

结合国家项目和我国行业研究的情况，中国船级社正组织编制《高锰奥氏体低温钢应用指南》，该指南从高锰钢钢板技术要求、配套焊材技术要求、应用评估要求及储罐制造等提出要求，一定程度上指导了高锰钢应用的关键技术问题。

舞阳钢铁公司、中船集团第725所也在积极推进高锰钢钢板、焊接材料等的团体标准编制工作，对高锰钢应用技术标准体系做了很好的补充。

4 讨 论

从国内外研究情况来看，船舶行业对于高锰奥氏体钢在LNG领域的应用做了大量基础工作，结合国际讨论的焦点，我国应用研究时主要遇到了没有高锰奥氏体钢安全评估试验项目和衡准要求、高锰奥氏体钢基础研究投入不足、配套焊材和焊接工艺能力研究薄弱以及工程应用实践欠缺等问题，针对问题讨论如下：

(1)建立合适的高锰奥氏体钢安全评估试验项目和衡准要求。目前IMO是在比较传统的低温材料如9Ni钢或304不锈钢的基础上建立评估试验项目和衡准要求，且基于材料专业经验基础上提出附加的试验要求和衡准要求。如提出低温拉伸、系列温度冲击、时效冲击、S-N曲线、裂纹疲劳扩展试验、CTOD试验、晶间腐蚀试验、应力腐蚀试验等，另外还需对焊接接头开展系列试验，以验证焊接性。在实际工程应用过程中，具体在工厂认可检验时，仍不够聚焦，试验成本很高，下一步应进一步积累试验数据，建立合适的试验项目和衡准要求，推进产业化，真正节省使用成本。

(2)加强高锰奥氏体钢基础研究，建立钢材在不同温度下的金相图谱，研究奥氏体钢组织的转变规律，低温条件下的组织性能特点，开展不同回火温度对材料组织性能的影响分析等，为工程应用提供理论依据。

(3)推动焊材配套能力和焊接工艺研究，开发适应不同焊接方法的全位置焊接材料，研究高效质量稳定的焊接工艺，有助于高锰奥氏体钢材料的进一步应用。

(4)开展不同LNG储舱形式的工程实践，研究基于高锰奥氏体钢材料的主要结构评估方法，如疲劳强度评估、裂纹扩展评估、断裂力学评估，研究适宜的安全准则。开展C型独立舱、B型舱等不同形式的高锰奥氏体钢工程实践，积累钢材加工和制造中的经验。

5 展 望

高锰奥氏体钢作为LNG低温材料具有良好的市场前景，随着LNG船舶建造技术的发展，其应用研究越来越多。可以预见，随着国际规则和相关技术标准的推进，高锰奥氏体钢将得到大规模的应用。下一步随着高锰奥氏体钢应用研究的深入，进一步开发出高锰奥氏体钢管材、型材，适应各种用途；随着不同舱型的研发和技术攻关，逐渐实现燃料舱和货舱的独立C型舱、B型舱等应用；高锰奥氏体储舱货物适应性也会进一步提升，可能会适应丙烷、乙烯、液氨、液态二氧化碳等其他低温货物；随着高锰奥氏体钢应用的深入，有望实现LNG全产业链低温环境应用。