供應用于壓力容器的超低溫沖擊鎳合金鋼板9Ni鋼（06Ni9DR，SA353，SA553）

超低溫沖擊鎳合金鋼板9Ni鋼（06Ni9DR，SA353，SA553）

9Ni鋼在LNG儲罐中的應用分析: 隨著能源資源的多樣化，未來國內對LNG終端結構材料的需求量將會非常大，開發(fā)相應結構的材料將成為能源戰(zhàn)略調整的重要環(huán)節(jié)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(huán)境下使用的韌度的材料。

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鋼開發(fā)自20世紀40年代以來,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,被各國普遍作為常壓液態(tài)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19Ni鋼的化學成分

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(wěn)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(wěn)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(guī)范, 即正火+正火+回火(NNT) 、淬火+回火(QT) 、淬火+亞溫淬火+回火(IHT) 。 
3.1 正火+正火+回火(NNT)
  9Ni鋼的次正火為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, 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(fā)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。 
3.2 調質處理(QT)

  與雙相區(qū)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(qū)處理是在調質的基礎上, 在回火前進行(α+γ)雙相區(qū)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(qū)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(yōu)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(qū)處理的低溫韌度。 
4、  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