低温压力容器用钢领域国内外专利技术分析

2017-11-02辛彩萍

河南科技 2017年6期

关键词：制钢神户株式会社

章平辛彩萍

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州 450002）

低温压力容器用钢领域国内外专利技术分析

章平辛彩萍

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州 450002）

本文以低温压力容器用钢专利作为分析对象，对该行业的专利技术进行研究，梳理了低温压力容器用钢重要专利申请人的技术路线，对国内企业的生产、研发工作具有一定的指导意义，并有助于其在新兴的HIC、CTOD等研究热点领域进行专利布局。

低温压力容器用钢；新日铁；神户制钢；专利分析

Abstract:This paper analyzed patents on steels used for low temperature pressure vessels and researched on the re⁃lating technology in the patents.Technical routes of important applicants have been clarified,which is of significance to the production,research and development of the domestic enterprise,and help them make patent strategies in the hotspots,such as HIC and CTOD.

Keywords:low temperature pressure vessel steel;NIPPON;KOBE;patent analysis

压力容器通常指最高允许工作压力（maximum allow⁃able working pressure）≥0.1MPa的容器[1]。GB150.3-2011《压力容器》附录E[2]中规定：设计温度低于或等于-20℃的钢制压力容器为低温压力容器。随着液氮、液氧、液氢、液氢、液氦、液化天然气等低温液体的广泛应用，低温压力容器用钢在炼油、石油、化工、核工业以及民用天然气、液化气等领域得到广泛应用。

国内低温压力容器用钢生产企业与国外先进企业相比仍存在较大差距，主要表现在：高级别低温压力容器钢板探伤合格率偏低；HAZ低温韧性压力容器用钢开发较慢；生产成本较高；低温韧性用钢性能相差较远。

1 低温压力容器用钢专利申请状况

本文以数据库（DWPI）中截止到2016年6月1日已经收录的公开专利数据为基础。经检索，低温压力容器用钢的申请共计162件，其中国内申请为48件，国外申请为114件。图1给出了低温压力容器用钢领域专利申请量的发展趋势，低温压力容器用钢相关专利申请自1970年开始，在1970-1996年间，专利申请量较少，年申请量一般为0-2件；1997年起，随着液氮、液氧、液氢、液氢、液氦、液化天然气等低温液体的广泛应用，相关专利申请量明显上升，该领域专利申请及布局逐渐活跃。

对申请人进行统计，其中新日铁住金株式会社申请量最大，达到38篇，其次为杰富意（JFE）钢铁株式会社，共25篇；第三为浦项制铁（POSCO），共19篇；第四为株式会社神户制钢所，共14篇；国内申请量较大的为宝山钢铁股份有限公司以及舞阳钢铁有限责任公司，分别为14篇和11篇，具体如图2。由此可见，日本在压力容器用钢板低温韧性研究方面处于世界领先水平，如果我国想在压力容器应钢板产业有较快发展，可以重点研究日本在压力容器用钢板领域的技术。

图1 低温压力容器用钢专利申请量年度分布

图2 低温压力容器全球主要申请人排名

2 重要申请人的技术路线

下面重点就申请量较大的新日铁住金株式会社和株式会社神户制钢所的专利申请情况，分析其技术发展路线。对以上两者的技术发展路线进行研究对国内企业的生产、研发工作具有很高的指导性意义。

2.1 新日铁住金株式会社技术发展路线

如图3，通过对新日铁从1984年到2014年在低温压力容器用钢领域的研究路线进行分析，发现，早期（80年代以前），新日铁主要通过控制钢中Ni、Mo、N、Al等成分，同时结合淬火和回火等热处理工艺，以提高钢板的强度和低温韧性；中期（80年代初-90年代中期），新日铁开始采用控制控冷的轧制工艺，同时控制Ti、Nb、Ca、O等元素含量，结合回火等热处理工艺，使钢板强度和低温韧性得到进一步提升。

到90年代末期至2003年，新日铁在此期间申请了大量专利，主要集中于通过晶粒细化以提高钢板强度，同时省去热处理工艺以降低生产成本，继续采用两阶段控轧控冷的工艺，使钢板抗拉强度最高可提升至1 000MPa，VTrs达到-160℃，组织晶粒粒径在5μm以下。

从2004年至今，控轧控冷工艺趋于成熟，新日铁主要研究思路转为控制单一元素含量，尤其是Ni元素含量。早在80年代初期，申请人就发现了在此类钢中Ni对基体材料和焊接热影响区的低温韧性有着重要的影响，申请人通过研究，将Ni含量由早期的10%左右降低至5%以下，并结合控轧控冷和高温回火的热处理工艺，使钢板抗拉强度保持在850MPa以上，且还保证了优异的低温韧性（-70℃母材冲击功150J以上）。钢板强度及低温韧性的提高、组织晶粒度细化、HAZ韧性的提高将仍是新日铁的重点研究方向。

2.2 株式会社神户制钢所技术发展路线

株式会社神户制钢所对低温压力容器用钢的研究主要集中在SR处理后强度和低温韧性的改善。如图4，在上世纪80年代至90年代，其主要通过降低C含量和sol.Al含量，同时采用B、Cr、Cu、Ni、V以提高钢板强度和低温韧性，钢板抗拉强度在500-700MPa，0℃下冲击功＞200J。

图3 新日铁住金株式会社技术发展路线

在2000-2010年期间，株式会社神户制钢所主要通过控制合金元素含量使SR处理后的位错密度确保在规定值以上，以抑制SR处理后的强度降低，同时通过控制碳当量（Ceq）以及SR处理的温度和时间以改善钢板焊接低温韧性，钢板厚度最高可达80mm，且-46℃冲击功达到55-150J。

图4 株式会社神户制钢所技术发展路线

最近几年（2011年至今），株式会社神户制钢所主要通过控制C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo含量，并控制当量圆直径碳化物的尺寸和面积分率，使钢板强度、落锤冲击性和低温韧性得到进一步提升，其钢板强度达到700-900MPa，且-74℃冲击功达到70-250J。由此可见，株式会社神户制钢所的研究基本都集中在通过对钢板成分的控制以改善SR处理后的强度、低温韧性和落锤特性。

3 国内外专利申请研究热点及分析

低温压力容器用钢主要关注的性能及指标一般包括HAZ低温韧性、HIC、CTOD、细化晶粒、控制成本等。对检索、筛选出的国内外专利进行分析，获得国内外低温压力容器用钢的研究热点。如图5、图6所示，国内相关研究主要在于细化晶粒与控制成本；而国外相关研究主要在于HAZ低温韧性的研究。

结合国内外低温压力容器用钢的发展现状，国内在低温压力容器用钢领域的研究相对于国外公司存在较大差距。细化晶粒是国内企业提高低温压力容器用钢低温韧性与强度的主要方式，为达到晶粒细化的效果，往往需要添加较多合金元素，导致钢材成本大幅提高，因而控制成本成为另一研究热点。

图5 国内专利申请研究热点

图6 国外专利申请研究热点

反观国外专利申请，其研究热点长期集中于HAZ低温韧性。领域内所公知的，压力容器用钢在制成压力容器时主要采用焊接作为连接手段，钢板在焊接后由于焊缝组织的冷却过程难以精确控制，导致HAZ力学性能、耐蚀性、耐疲劳性。低温韧性等不稳定，容易成为压力容器钢材失效的起点。包括日本等钢铁强国在内的国外相关专利将研究热点长期集中于HAZ低温韧性的研究，积累了大量的实验数据及研究成果，可供国内企业分析研究。

在相关数据分析过程中发现，近年来，新日铁(NIP⁃PON)、JFE等企业开始关注低温压力容器用钢的HIC、CTOD性能，但其相关的专利申请量尚处于较低水平。低温压力容器用钢领域国内企业可针对新兴的HIC、CTOD等研究热点进行相关实验研究工作，并尽早完成专利布局，作为与国外企业竞争的筹码。