滕 達(dá)，張曉雪，陳林恒，趙晉斌

(南京鋼鐵股份有限公司 江蘇省高端鋼鐵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210035)

0 引言

液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas，LPG)作為一種潔凈環(huán)保燃料，一直受到大家青睞。隨著《2020年全球船用燃油限硫令實(shí)施方案》的頒布實(shí)施，清潔能源需求突顯，LPG的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等受到廣泛重視。一大批現(xiàn)有船舶將改用LPG燃料以滿足新的要求，因此帶來(lái)大量的LPG燃料罐需求。LPG主要成分為丙烷和丁烷的混合物，還伴有少量的丙烯和丁烯等。LPG采用低溫加壓狀態(tài)儲(chǔ)存，液罐的設(shè)計(jì)溫度通常為-40～-55 ℃，因此要求燃料罐用鋼具有良好的強(qiáng)韌性匹配，以及-60～-80 ℃甚至-100 ℃的低溫韌性，并且鋼板的焊接性和加工性能等綜合性能優(yōu)異。

本文以LPG燃料罐用鋼為研究對(duì)象，首先進(jìn)行LPG燃料罐用鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)，并分析其母材組織特征和力學(xué)性能等，其次重點(diǎn)研究鋼板焊接工藝和焊接接頭的組織及性能，為國(guó)內(nèi)LPG燃料罐用鋼的應(yīng)用推廣提供借鑒和參考。

1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)及力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)

LPG燃料罐用鋼板VL4-4采用新一代熱機(jī)械控制工藝(Thermo Mechanical Control Process，TMCP)生產(chǎn)，在鋼坯成分、潔凈度及鋼板的內(nèi)在質(zhì)量和均勻性控制方面要求嚴(yán)格，通過(guò)低碳、添加少量Nb+Al+Ti微合金細(xì)化晶粒元素的成分設(shè)計(jì)思路，獲得超細(xì)化組織，鋼板最大厚度達(dá)到40 mm。VL4-4的成分設(shè)計(jì)和力學(xué)性能要求分別見(jiàn)表1和表2。

表1 VL4-4成分設(shè)計(jì)

LPG燃料罐用鋼VL4-4鋼板強(qiáng)度富裕量適中且屈強(qiáng)比在0.80以下，可以在保證強(qiáng)度的同時(shí)提高結(jié)構(gòu)安全性。鋼板的低溫沖擊韌性優(yōu)異，20 mm和40 mm鋼板-70 ℃低溫沖擊功可達(dá)到300 J以上，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。VL4-4鋼板系列溫度的低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1，40 mm鋼板在-60～-100 ℃范圍內(nèi)沖擊功保持在250 J以上，其韌性轉(zhuǎn)變溫度在-100 ℃以下。20 mm和40 mm鋼板無(wú)塑性轉(zhuǎn)變(Nil-Ductility Transition，NDT)沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可知，-60～-80 ℃的NDT均為合格，表明鋼板的低溫韌性優(yōu)異，其無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度(Nil-Ductility Transition Temperature，NDTT)≤-80 ℃。

40 mm VL4-4的金相照片見(jiàn)圖2，顯微組織由鐵素體+珠光體+少量貝氏體組成。鐵素體晶粒尺寸細(xì)小，晶粒度可達(dá)到11級(jí)以上，保證了鋼板的強(qiáng)度和優(yōu)異的低溫韌性。

表2 LPG燃料罐用鋼VL 4-4力學(xué)性能

圖1 40 mmVL4-4系列低溫沖擊

表3 VL4-4 NDT落錘性能

圖2 40 mm VL4-4金相照片(板厚1/4處的金相)

2 焊接性能

考慮LPG燃料罐在低溫高壓下服役，其焊接接頭的整體性能直接影響罐體的服役壽命，焊接性能在評(píng)價(jià)材料質(zhì)量上也越來(lái)越受重視。采用埋弧焊方法對(duì)鋼板進(jìn)行焊接性能評(píng)定，焊接鋼板選用40 mm厚VL4-4，焊縫型式為對(duì)接焊縫，坡口型式采用K型缺口。焊接接頭示意圖見(jiàn)圖3，圖中1～11表示焊道順序。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

由于采用低碳成分設(shè)計(jì)，低溫鋼可在不預(yù)熱的情況下進(jìn)行焊接。在50 kJ/cm的線能量下，焊接接頭粗晶區(qū)組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體，見(jiàn)圖4。粗晶區(qū)內(nèi)沿原始奧氏體晶界分布著多邊形鐵素體組織，晶內(nèi)為板條貝氏組織，在微合金晶粒細(xì)化元素的作用下，粗晶區(qū)組織沒(méi)有出現(xiàn)異常粗化的現(xiàn)象，保證了焊接接頭的強(qiáng)度和低溫韌性。粗晶區(qū)內(nèi)沒(méi)有生成馬氏體等硬相組織，從而避免了焊接接頭的硬化。焊接接頭拉伸、彎曲、沖擊和硬度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。焊接評(píng)定結(jié)果表明：低溫鋼焊接接頭的熔合線(Fusion line，F(xiàn)L)、FL+1 mm、FL+3 mm、FL+5 mm位置的-60 ℃低溫沖擊功大于150 J，焊接性能優(yōu)異，完全符合LPG燃料罐的要求。

圖3 焊接接頭示意圖

表4 試板焊接參數(shù)

圖4 焊接接頭的顯微組織(熔合線+粗晶區(qū))

3 裂紋尖端張開(kāi)位移性能

鋼板母材和焊接接頭的裂紋尖端張開(kāi)位移(Crack Tip Opening Displacement，CTOD)性能見(jiàn)表6。

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是指裂紋體受張開(kāi)型載荷后原始裂紋尖端處兩表面所張開(kāi)的相對(duì)的距離，其值越大表示材料抗開(kāi)裂性能越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：VL 4-4鋼板母材和焊接接頭的CTOD性能優(yōu)異，抗開(kāi)裂性能優(yōu)異。

表5 焊接接頭性能

表6 母材CTOD性能

4 結(jié)論

(1)LPG燃料罐用鋼VL4-4采用低碳、Nb+Al+Ti微合金成分設(shè)計(jì)，以TMCP工藝生產(chǎn)，具有超細(xì)化的鐵素體+珠光體+少量貝氏體組織，鋼板具有良好的強(qiáng)韌性，-60～-100 ℃優(yōu)異的低溫沖擊、NDTT溫度低于-100 ℃，鋼板具有良好的韌性和抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。

(2)鋼板具有良好的焊接性能，在50 kJ/cm的線能量下，焊接接頭粗晶區(qū)組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體，焊接接頭沒(méi)有出現(xiàn)軟化和硬化，焊接接頭-60 ℃低溫沖擊和CTOD性能優(yōu)異，完全符合建造和使用要求。