張朝華，馮大成，華學(xué)明

（1. 上海交通大學(xué) 上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3. 上海鎧韌氣體工程有限公司，上海 200441）

工藝與材料

液化氣船獨(dú)立C型液罐主體材料的選擇和應(yīng)用

張朝華1,2,3，馮大成1,2,3，華學(xué)明1,2

（1. 上海交通大學(xué) 上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3. 上海鎧韌氣體工程有限公司，上海 200441）

介紹C型液罐的定義和分類。根據(jù)液貨的種類和液化方式，確定設(shè)計(jì)最低溫度，從而選擇液罐的主體材料。列舉液罐的4種典型主體材料，并闡述其在工程應(yīng)用中獨(dú)特的使用性能和質(zhì)量要求。

液化氣船；獨(dú)立C型液罐；材料

0 引 言

液化氣作為重要的工業(yè)和民用燃料及有機(jī)化學(xué)原料，在世界能源結(jié)構(gòu)中占有十分重要的地位。隨著世界氣體能源需求日益增多，液化氣的海運(yùn)量逐年增長(zhǎng)。因此，液化氣船具有較好的市場(chǎng)前景，且其作為高技術(shù)、高附加值船舶，可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

世界各大船級(jí)社的最新資料顯示：當(dāng)前液化氣船的數(shù)量及總裝容量正在不斷增長(zhǎng)，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，在中長(zhǎng)距離干線上運(yùn)營(yíng)的液化氣船正朝著大型化方向發(fā)展；而短途運(yùn)營(yíng)的液化氣船正朝著環(huán)保、節(jié)能、輕便的方向發(fā)展。這種發(fā)展趨勢(shì)對(duì)液罐（又稱液貨艙）用鋼提出了更高的要求，不僅要求鋼板具有很高的強(qiáng)度，而且要求鋼板具有優(yōu)良的低溫韌性、加工性和焊接性。

根據(jù)當(dāng)前的行業(yè)發(fā)展情況，中小型液化氣船一般指貨物裝載容積＜100000m3的液化氣船，常用的貨艙類型是獨(dú)立C型（即壓力容器型）。目前，只有少數(shù)國(guó)家具有設(shè)計(jì)和建造船用獨(dú)立C型液罐的能力。船用獨(dú)立C型液罐在使用溫度和壓力等方面有很多特殊要求，因此研究和總結(jié)如何正確選擇其主體材料，并使其滿足使用要求，顯得尤為重要。

1 液化氣船獨(dú)立C型液罐的定義和分類

按照《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》[1]（即IGC規(guī)則）的規(guī)定，液化氣體船有獨(dú)立液貨艙、薄膜液貨艙、半薄膜液貨艙、整體液貨艙和內(nèi)部絕熱液貨艙等5種貨物圍護(hù)系統(tǒng)，其中獨(dú)立液貨艙和薄膜液貨艙是較常用的液貨艙。

獨(dú)立液貨艙系指自身支持的液貨艙，不構(gòu)成船體結(jié)構(gòu)的一部分。獨(dú)立液貨艙又分為A型、B型和C型等3類。獨(dú)立C型液罐的設(shè)計(jì)、建造、檢驗(yàn)和試驗(yàn)符合壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，適用范圍廣，不需要次屏壁，是中小型液化氣船較常采用的貨物圍護(hù)系統(tǒng)。按照液化氣液化方式的不同，該型液罐又分為全壓式C型液罐和半冷半壓式C型液罐。

1) 全壓式C型液罐裝載的氣體只能通過(guò)加壓來(lái)液化，船上不設(shè)置再液化設(shè)備，貨物裝載時(shí)的溫度和壓力不可調(diào)，可裝載貨物的種類有限。該液罐的設(shè)計(jì)壓力≤1.8MPa，設(shè)計(jì)溫度≥-10℃，主要用來(lái)裝載液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas，LPG）和氨，船舶最大裝貨容積約為7000m3；其結(jié)構(gòu)通常為圓筒形或球形壓力容器，外表面無(wú)須敷設(shè)隔熱絕緣。

2) 半冷半壓式C型液罐裝載的氣體可通過(guò)制冷和（或）加壓來(lái)液化，船上設(shè)有再液化設(shè)備，可根據(jù)不同貨物的需要調(diào)整貨物裝載時(shí)的溫度和壓力，可裝載的貨物種類較多，適應(yīng)性較強(qiáng)。該液罐的設(shè)計(jì)壓力為0.3～0.8MPa，根據(jù)所裝載貨物的類型，典型的設(shè)計(jì)最低溫度有-163℃（以適應(yīng)近年來(lái)在我國(guó)市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)的液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）并兼容液化乙烯、乙烷氣（Liquefied Ethylene/Ethane Gas，LEG）和LPG），-104℃（以適應(yīng)LEG并兼容LPG）和-48℃（以適應(yīng)LPG）等3種。船舶裝貨容積多為3000～30000m3，當(dāng)前有36000m3及85000m3裝貨容積的船舶正在研發(fā)和建造中。該液罐的結(jié)構(gòu)通常為圓筒形壓力容器，為充分利用船體空間，常采用雙聯(lián)甚至三聯(lián)圓筒形結(jié)構(gòu)，外表需敷設(shè)隔熱絕緣。

2 液化氣船獨(dú)立C型液罐主體材料的選擇

在滿足一定強(qiáng)度要求的前提下，C型液罐主體材料最重要的性能要求是抗低溫脆性破壞, 保證在使用溫度下具有足夠的低溫韌性。

由于歐洲研發(fā)和應(yīng)用船用C型液罐較早，且長(zhǎng)期占據(jù)領(lǐng)先地位，加上其材料標(biāo)準(zhǔn)體系完整、應(yīng)用廣泛，因此國(guó)際船用液罐行業(yè)在選用主體材料時(shí)，通常選用歐洲的壓力容器所用鋼板標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)上述C型液罐的分類，以設(shè)計(jì)最低溫度為基準(zhǔn)，結(jié)合常用歐洲鋼材標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)壓力等因素，可較為合理地選擇和確定C型液罐的主體材料。現(xiàn)對(duì)C型液罐常用的4種典型主體材料及其選擇因素進(jìn)行歸納和整理，見(jiàn)表1。

表1 C型液罐典型主體材料及其選擇因素

表1中：EN 10028-6為壓力容器用淬火加回火可焊接細(xì)晶粒鋼；EN 10028-4為壓力容器用鎳合金低溫鋼。從表1中可看出：全壓式液罐由于設(shè)計(jì)壓力大，不僅筒體較厚，而且鋼板的屈服強(qiáng)度較高（為690MPa），僅從材料質(zhì)量方面考慮，沒(méi)有半冷半壓式液罐經(jīng)濟(jì)；而對(duì)于半冷半壓式液罐，隨著設(shè)計(jì)最低溫度的降低，鋼板所需鎳合金越來(lái)越多，既能保證足夠的低溫韌性，同時(shí)可使強(qiáng)度得到提高，筒體所需厚度有逐步下降的趨勢(shì)。

3 液化氣船獨(dú)立C型液罐主體材料的使用性能和質(zhì)量要求

鑒于上述液罐常用材料均為標(biāo)準(zhǔn)材料，其使用性能在EN 10028-6和EN 10028-4上都可查詢，因此以下主要結(jié)合IGC規(guī)則、船級(jí)社規(guī)范和工程實(shí)踐分析這些鋼材的通用要求、特殊要求及質(zhì)量要求，以便更好地指導(dǎo)工程應(yīng)用。

3.1 冶煉方法

由氧氣轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，并進(jìn)行爐外精煉，全鎮(zhèn)靜處理。

3.2 交貨狀態(tài)

13MnNi6-3為正火或正火加回火狀態(tài)，其他3種一般為調(diào)質(zhì)（即淬火加回火）狀態(tài)，以細(xì)化晶粒、均化組織，獲得良好的低溫韌性。

目前該行業(yè)也有引入交貨狀態(tài)為熱機(jī)控軋鋼板的產(chǎn)品實(shí)例。與同強(qiáng)度級(jí)別調(diào)質(zhì)鋼相比，熱機(jī)控軋鋼具有更低的碳含量和碳當(dāng)量、更好的塑性，除特厚鋼板外，焊接時(shí)通常無(wú)須預(yù)熱。

3.3 化學(xué)成分

冶金機(jī)理和措施如下。

1) 提高低溫鋼韌性的措施：具有體心立方晶格的材料（α-Fe）均有低溫冷脆現(xiàn)象，而面心立方晶格的材料如Al，Cu，Ni，奧氏體不銹鋼（γ- Fe）等均無(wú)低溫冷脆現(xiàn)象。Ni和Mn可擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，若Ni 含量增大到20%以上，可使奧氏體相區(qū)擴(kuò)大到常溫。Mn同Ni一樣，能使鋼的相變溫度下降，對(duì)降低脆性轉(zhuǎn)變溫度是有效的。

2) 固溶強(qiáng)化和晶粒細(xì)化：低溫用鋼一般通過(guò)合金元素 Ni和 Mn的固溶強(qiáng)化；通過(guò)加入 V，Al，Nb及Ti 等合金元素形成穩(wěn)定的氮化物，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。同時(shí)，還應(yīng)提高M(jìn)n與C的比值，降低含C量，從而得到較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

3) 增加鋼材中的Ni含量：與無(wú)Ni鋼相比，含Ni鋼具有較小的屈強(qiáng)比鋼材的屈強(qiáng)比越大，表明其塑性變形能力儲(chǔ)備越小，越易促使脆性斷裂。由于Ni的加入，含Ni鋼的屈強(qiáng)比優(yōu)于無(wú)Ni鋼，使低溫韌性得到顯著改善。

4) 提高鋼材的純凈度：為充分發(fā)揮 Ni在鋼中的有利作用，在提高Ni含量的同時(shí)，降低C含量和嚴(yán)格限制S及P的含量。

特別地，針對(duì)P690QL2，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，其C含量、C當(dāng)量、S含量和P含量越少越好，以獲得較好的焊接性；而Ni含量越多越好，以獲得較好的低溫韌性。

3.4 力學(xué)性能

除滿足船級(jí)社規(guī)范的要求外，強(qiáng)度、延伸率和沖擊功最好具有足夠的富余量，屈強(qiáng)比不宜過(guò)大，橫向沖擊功平均水平最好＞40J，沖擊試驗(yàn)溫度須按IGC規(guī)則的要求選擇（見(jiàn)表2）。

表2 C型液罐典型主材的沖擊試驗(yàn)溫度 ℃

對(duì)于X12Ni5和X7Ni9，其每一爐批鋼板中的最厚板（厚度＞13mm或＞16mm）須根據(jù)EN 10274[4]進(jìn)行落錘試驗(yàn)。

特別地，對(duì)于雙聯(lián)甚至三聯(lián)圓筒形液罐的專有結(jié)構(gòu)縱艙壁，所用鋼板須具有Z25性能，按EN 10164[5]驗(yàn)收，以保證其板厚方向的塑性。

3.5 工藝性能

1) 機(jī)加工：X12Ni5和X7Ni9由于含有較多的鎳合金，在機(jī)加工時(shí)易粘連刀具，可通過(guò)減少刀頭進(jìn)給量和增大機(jī)床夾具回轉(zhuǎn)速度等措施來(lái)改善。

2) 冷成型：對(duì)于P690QL2和13MnNi6-3，若加工變形度超過(guò)2%，則需消除應(yīng)力熱處理；對(duì)于X12Ni5和 X7Ni9，若加工變形度超過(guò) 5%，則需消除應(yīng)力熱處理。熱機(jī)控軋鋼板在加工后應(yīng)盡量避免熱處理。焊接試驗(yàn)做冷彎項(xiàng)目時(shí)，對(duì)于P690QL2，彎曲直徑為6倍試樣厚度；其他3種材料，彎曲直徑為4倍試樣厚度；X12Ni5和X7Ni9材料，少數(shù)船級(jí)社規(guī)范甚至要求彎曲直徑為3倍試樣厚度。

3) 熱成型：熱成型工藝包括初始溫度、加熱速度、加熱溫度、保持時(shí)間、冷卻速度、加熱冷卻方法和均勻度等，應(yīng)按照相關(guān)船級(jí)社規(guī)范或壓力容器標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。原始供貨為正火或正火加回火的鋼板，工件成型后只需在靜止空氣中冷卻，無(wú)須進(jìn)行熱處理。原始供貨為調(diào)質(zhì)（即淬火加回火）鋼板，成型后需按鋼廠熱處理工藝制度重新進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。

4) 焊接性：由于有關(guān)高強(qiáng)鋼和低溫鋼焊接的研究較多，這里不再贅述。值得關(guān)注的是：C型液罐的焊接工藝正朝自動(dòng)化和機(jī)械化方向發(fā)展；焊接材料，尤其是國(guó)產(chǎn)化和氣保焊絲的開(kāi)發(fā)是需加強(qiáng)研究和發(fā)展的領(lǐng)域。

3.6 鋼板外形和尺寸公差

鋼板外形公差即不平度、鐮刀彎和切斜（脫方），尺寸公差即厚度、寬度和長(zhǎng)度的公差，二者測(cè)量和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)遵照EN 10029[6]。液罐受壓元件（即殼體鋼板）的厚度公差皆為C級(jí)（即正公差），其他部位鋼板的厚度公差可為A級(jí)（即非對(duì)稱正負(fù)公差）。

3.7 表面質(zhì)量

鋼板的表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不低于EN 10163-2[7]Class B Subgroup 2的要求。鋼板的表面不得有裂紋、結(jié)疤、拉裂和夾雜，且不得有分層。行業(yè)應(yīng)用中更嚴(yán)格的要求是：每張鋼板的表面最終瑕疵面積不得超過(guò)3%，且表面有瑕疵的張數(shù)不得超過(guò)總張數(shù)的 3%。鋼廠只能用修磨方法對(duì)鋼板表面的局部缺陷進(jìn)行清除，且不得使鋼板的厚度小于最小允許厚度。除非供需雙方同意且在合同中注明，否則不允許焊補(bǔ)。

3.8 內(nèi)部質(zhì)量

對(duì)于鋼板的內(nèi)部質(zhì)量，鋼廠應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)EN 10160[8]對(duì)每張鋼板進(jìn)行超聲波檢測(cè)，板體區(qū)域按Class S1（縱艙壁所用鋼板按Class S2）驗(yàn)收，板邊區(qū)域按Class E3驗(yàn)收。

特別地，對(duì)于X7Ni9鋼板，為避免后期焊接施工時(shí)其剩磁引發(fā)電弧偏吹，板材既不能采用磁鐵吊運(yùn)，也不能存放在高壓電線或大型電機(jī)設(shè)備附近。應(yīng)避免采用電機(jī)車鐵路運(yùn)輸或其他有可能增加磁化的運(yùn)輸方法。鋼板邊緣剩磁須＜50 Gauss。鋼板出廠前，鋼廠須在板材的四角測(cè)量剩磁，并記錄到鋼板證書(shū)中。

3.9 質(zhì)量證明書(shū)

鋼板的生產(chǎn)和檢驗(yàn)必須符合船級(jí)社規(guī)范的要求，鋼廠交貨時(shí)須按照EN 10204[9]Type 3.2的要求提供船級(jí)社認(rèn)可的質(zhì)量證明書(shū)。

質(zhì)量證明書(shū)內(nèi)容應(yīng)包含鋼板的牌號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)、冶煉方法、交貨狀態(tài)、爐批號(hào)、規(guī)格尺寸、質(zhì)量、化學(xué)成分、機(jī)械性能、外形尺寸檢查、表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量、鋼廠質(zhì)檢簽名章印及船檢簽名章印等。

3.10 鋼板復(fù)查

鋼板運(yùn)到液罐制造廠后，由其質(zhì)量管理部門對(duì)鋼板進(jìn)行復(fù)查，核對(duì)鋼板證書(shū)，并復(fù)查鋼板外形尺寸和表面質(zhì)量。鋼板首次應(yīng)用時(shí)，必要時(shí)由試驗(yàn)部門抽查復(fù)驗(yàn)其化學(xué)成分和機(jī)械性能。若發(fā)現(xiàn)鋼板有質(zhì)量問(wèn)題，需及時(shí)向物資和技術(shù)部門反饋。

4 結(jié) 語(yǔ)

液化氣船獨(dú)立C型液罐主體材料的選擇、使用性能和質(zhì)量要求有很多特殊性。在相關(guān)工程領(lǐng)域應(yīng)用該類材料時(shí)，大體可參考以上論述來(lái)設(shè)計(jì)和確定材料技術(shù)方案。當(dāng)前，該領(lǐng)域的材料除上述相對(duì)較成熟的品種外，主要有高錳低溫鋼和節(jié)鎳低溫鋼2個(gè)新的研究發(fā)展方向，值得行業(yè)人士密切關(guān)注。

[1]International Maritime Organization. International code for the construction and equipment of ships carrying liquefied gases in bulk: MSC.370(93)[S]. 2014.

[2]European Committee for Standardization. Flat products made of steels for pressure purposes—Part 6: Weldable fine grain steels,quenched and tempered: EN 10028-6:2009[S].

[3]European Committee for Standardization. Flat products made of steels for pressure purposes—Part 4: Nickel alloy steels with specified low temperature properties: EN 10028-4:2009[S].

[4]European Committee for Standardization. Metallic materials—drop weight tear test: EN 10274:1999[S].

[5]European Committee for Standardization. Steel products with improved deformation properties perpendicular to the surface of the product—Technical delivery conditions: EN 10164:2004[S].

[6]European Committee for Standardization. Hot-rolled steel plates 3 mm thick or above—Tolerances on dimensions and shape:EN 10029:2010[S].

[7]European Committee for Standardization. Delivery requirements for surface condition of hot-rolled steel plates, wide flats and sections—Part 2: Plate and wide flats: EN 10163-2:2004[S].

[8]European Committee for Standardization. Ultrasonic testing of steel flat product of thickness equal or greater than 6 mm(reflection method): EN 10160:1999[S].

[9]European Committee for Standardization. Metallic products—Types of inspection documents: EN 10204:2004[S].

Selection and Application of Main Body Material for the Independent Type C Cargo Tank of Liquefied Gas Carrier

ZHANG Zhao-hua1,2,3，F(xiàn)ENG Da-cheng1,2,3，HUA Xue-ming1,2

（1. Shanghai Key Laboratory of Laser Manufacturing and Material Modification, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China；2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration Equipment,
Shanghai 200240, China；3. CRYOLOBE Gas Technology Co., Ltd., Shanghai 200441, China）

This paper introduces the definition and categorization of type C Cargo tanks. According to the type and liquefaction method of the liquid cargo, the minimum design temperature can be determined, whereby the materials for the main body of the tank are selected. Four typical types of main body material are listed, and their unique application performance and quality requirements in engineering applications are elaborated.

liquefied gas carrier; independent type C Cargo tank; material

U663.85；U668

A

2095-4069 (2017) 06-0039-05

2017-03-01

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目

張朝華，男，主任工程師，1979年生。2001年畢業(yè)于西華大學(xué)焊接專業(yè)，現(xiàn)上海交通大學(xué)材料工程專業(yè)工程碩士在讀。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.009