舞鋼06Ni9DR低溫容器板 -196°C低溫沖擊

06Ni9DR低溫容器用鋼板06Ni9DR，一般叫其9Ni或9鎳鋼，國內舞陽鋼廠與太鋼、萊鋼等生產。9Ni鋼在LNG儲罐中的應用分析:隨著全球能源資源的多樣化，未來國內對LNG終端結構材料的需求量將會非常大，開發相應結構的材料將成為能源戰略調整的重要環節之一。LNG的溫度為-162℃，要求其結構材料在極低溫度下具有一定強度和韌性。目前超低溫度用材料主要有以下幾種：奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鋁合金和9Ni鋼。相對與奧氏體不銹鋼和奧氏體鐵-鎳合金，9Ni鋼成本更低，相對于鋁合金，9Ni鋼具有更好的力學性能，因此LNG儲存和運輸設備的結構材料國際上普遍使用9Ni鋼。其中,9Ni鋼是惟一可以在-196℃使用的鐵素體低溫用鋼,其-196℃的夏比沖擊功達到200～230J,是深冷環境下使用的韌度最好的材料。

1 9Ni鋼材料

LNG儲罐的設計溫度為-165℃,由于設計時必須考慮到用氮氣冷凝時可能出現的溫度,故設計溫度范圍在-165～-196℃。9Ni鋼自20世紀40年代開發以來,由于其強度高、低溫韌性好,且成本比Ni2Cr不銹鋼低而逐漸被廣泛采用。1956年9Ni鋼被列入ASTM標準。1982年以后,9Ni鋼成為低溫儲罐的主材,逐漸取代了Ni-Cr不銹鋼,被世界各國普遍作為常壓液態LNG和常壓液氮的設備用鋼。9Ni鋼屬于鐵素體型低溫用鋼,具有較高的強度和較好的韌性。依據合金成分,9Ni鋼屬于中合金鋼,但由于用其制造設備的設計溫度定位在-165～-196℃范圍,故其原材料本身和制造中涉及到影響脆性轉變溫度的因素顯得十分關鍵。影響9Ni鋼脆性轉變溫度的主要因素為晶粒度、組織結構、合金元素和雜質。

2 9Ni化學成分在影響9Ni鋼脆性轉變溫度的主要因素中,合金元素和雜質含量都與化學成分密切相關。

9Ni鋼化學成分設計標準見表1：表1 9Ni鋼的化學成分元素

ASTM A553≤0.13 0.15～0.30≤0.90≤0.035≤0.04 8.50～9.50

ASTM A353≤0.13 0.15～0.45≤0.98≤0.040≤0.035 8.40～9.60

BS1501-509≤0.10 0.10～0.30 0.30～0.80≤0.030≤0.025 8.75～9.75

VDEh680≤0.10 0.10～0.35 0.30～0.80≤0.035≤0.035 8.50～9.50

JIS G 3127≤0.12≤0.30≤0.0.90≤0.025≤0.025 8.50～9.50

各合金元素的影響：C——碳化物析出會造成孔蝕，一般控制在<0.08%;Mn——奧氏體相穩定化元素，提高耐磨性及氮的固容量;Si——有助于高溫耐高溫氧化及耐酸蝕性能;Ni——穩定化元素，減輕脆性并改善機械性能，增強耐酸能力。

9Ni鋼的鋼板使用時，應注意以下幾方面：

(1)9Ni鋼化學成分標準的范圍要求應嚴格,如Si質量分數為0.15%～0.30%,Ni質量分數為8.50%～9.50%;

(2)一般來說,標準允許P和S的最大值約10倍于9Ni鋼板的實物值,也就是說：①當9Ni鋼用于-196℃的設計條件時,必須大幅降低P和S含量;②9Ni鋼的設備制造要求盡可能地降低P和S含量,以保證9%Ni鋼的設備能夠滿足設計溫度為-196℃時的使用要求。

(3)9Ni鋼化學成分設計時人為加入和控制的關鍵合金成分為Ni和Mn,在控制方法許可的條件下,趨于得到較大值。

(4)對其他殘余合金成分應嚴格控制

3、9Ni鋼板標準

GB 24510-2009 EN 10028-4-2003 JIS G3127-2005 CCS-2007 ASME

9Ni490 X8Ni9+NT640 SL9N520 9Ni SA-353

9Ni590A X8Ni9+QT680 SL9N590 SA-553-1

雙正火+回火(NNT)：899℃(第一次正火)+788℃(第二次正火)+566~607℃(回火)淬火+回火(QT)：866℃(淬火)+566~607℃(回火)兩相區淬火(IHT)：800℃(空冷)+670℃(水淬)+550~580(回火)直接淬火(DQ-T)：Ar3+580℃(回火)合格的鋼板金相中含有5~15%的穩定殘余奧氏體組織(逆轉奧氏體)。含0.38%左右的鉬，可以消除從奧氏體溫度緩慢冷卻時的脆化。

4 9Ni鋼的熱處理9Ni鋼是在深冷條件下使用的鐵素體型低溫鋼,經適當的熱處理后,在77K下沖擊韌度有大幅度的提高?，F有9Ni鋼的熱處理有三種基本規范,即正火+正火+回火(NNT)、淬火+回火(QT)、淬火+亞溫淬火+回火(IHT)。

4.1正火+正火+回火(NNT)9Ni鋼的第一次正火為900℃空冷,保溫時間根據板厚決定,大約是2.4min/mm,但必須保證保溫時間大于15min,第二次正火在790℃左右空冷,保溫時間和第一次要求一樣,回火是在550～580℃空冷或水冷,保溫時間和正火處理要求的一樣。正火處理的目的是細化奧氏體晶粒,奧氏體晶粒越細小,9Ni鋼熱處理后的強度越高,塑性越好,沖擊韌度也越高。但如果正火溫度過高,或在高溫下保持時間過長,會使鋼的奧氏體晶粒長大,將顯著降低鋼的沖擊韌度與裂紋擴展功和提高脆性轉變溫度。因而,第一次正火溫度要高于Ac3或ACM其目的是細化晶粒。第二次正火溫度稍低,是為了使其發生相轉變,獲得板條狀馬氏體組織,回火是為了是獲得α相和少量的富碳、鎳奧氏體。

4.2調質處理(QT)與雙相區處理(IHT)調質處理時,9Ni鋼的淬火溫度一般為800～900℃,同時保溫足夠的時間以使其完全奧氏體化后,在565～635℃回火,回火時間按1.2min/mm計算，但至少大于15min。9Ni鋼的雙相區處理是在調質的基礎上,在回火前進行(α+γ)雙相區處理,目的是使組織分布更加彌散、均勻。9Ni鋼淬火后的組織為低碳板條狀馬氏體,回火后得到的基體組織是回火馬氏體以及部分回轉奧氏體。9Ni鋼經過(α+γ)雙相區處理后,其-196℃沖擊韌度比調質熱處理的提高0.5～1倍,甚至優于1Cr18Ni8Ti不銹鋼,強度也是1Cr18Ni8Ti不銹鋼的2倍,抗回火脆化能力也大大提高。在現有三種熱處理工藝中,經雙正火(NNT)熱處理的9Ni鋼其低溫韌度較差,調質熱處理的次之,(α+γ)雙相區處理的低溫韌度最好。

5 9Ni鋼力學性能9Ni鋼的強度極限高,而且在低溫時,會進一步大幅度提高(韌性降低)。對于經QT熱處理的9Ni鋼,常溫下的屈強比約為0.85,且存在較高的冷作硬化傾向。因此,用9Ni鋼進行設備制造時,應嚴格控制成型和組對工藝,防止裂紋,特別是表面裂紋的產生。9Ni鋼的力學性能見表2。表29Ni鋼的力學性能力學性能06Ni9DR(9%Ni)屈服強度Rel(MPa)或σb 680-820屈服強度Rel(MPa)或σs厚度5～30mm Rel≥585;厚度>30mm Rel≥575延伸率A(%)或σ5≥18冷彎試驗b=2a 180°d=3a夏比沖擊力三個平均(J)≥100

單值(J)≥70

實驗溫度(℃)-196

試驗形狀2mmV型