LPG燃料罐用钢VL4-4的成分和性能研究

2021-09-28张晓雪陈林恒赵晋斌

江苏船舶 2021年4期

滕达，张晓雪，陈林恒，赵晋斌

(南京钢铁股份有限公司江苏省高端钢铁材料重点实验室，江苏南京210035)

0 引言

液化石油气(Liquefied Petroleum Gas，LPG)作为一种洁净环保燃料，一直受到大家青睐。随着《2020年全球船用燃油限硫令实施方案》的颁布实施，清洁能源需求突显，LPG的生产、运输、储存等受到广泛重视。一大批现有船舶将改用LPG燃料以满足新的要求，因此带来大量的LPG燃料罐需求。LPG主要成分为丙烷和丁烷的混合物，还伴有少量的丙烯和丁烯等。LPG采用低温加压状态储存，液罐的设计温度通常为-40～-55 ℃，因此要求燃料罐用钢具有良好的强韧性匹配，以及-60～-80 ℃甚至-100 ℃的低温韧性，并且钢板的焊接性和加工性能等综合性能优异。

本文以LPG燃料罐用钢为研究对象，首先进行LPG燃料罐用钢的化学成分设计，并分析其母材组织特征和力学性能等，其次重点研究钢板焊接工艺和焊接接头的组织及性能，为国内LPG燃料罐用钢的应用推广提供借鉴和参考。

1 化学成分设计及力学性能标准

LPG燃料罐用钢板VL4-4采用新一代热机械控制工艺(Thermo Mechanical Control Process，TMCP)生产，在钢坯成分、洁净度及钢板的内在质量和均匀性控制方面要求严格，通过低碳、添加少量Nb+Al+Ti微合金细化晶粒元素的成分设计思路，获得超细化组织，钢板最大厚度达到40 mm。VL4-4的成分设计和力学性能要求分别见表1和表2。

表1 VL4-4成分设计

LPG燃料罐用钢VL4-4钢板强度富裕量适中且屈强比在0.80以下，可以在保证强度的同时提高结构安全性。钢板的低温冲击韧性优异，20 mm和40 mm钢板-70 ℃低温冲击功可达到300 J以上，远高于标准要求。VL4-4钢板系列温度的低温冲击试验结果见图1，40 mm钢板在-60～-100 ℃范围内冲击功保持在250 J以上，其韧性转变温度在-100 ℃以下。20 mm和40 mm钢板无塑性转变(Nil-Ductility Transition，NDT)冲击试验结果见表3。从表中可知，-60～-80 ℃的NDT均为合格，表明钢板的低温韧性优异，其无塑性转变温度(Nil-Ductility Transition Temperature，NDTT)≤-80 ℃。

40 mm VL4-4的金相照片见图2，显微组织由铁素体+珠光体+少量贝氏体组成。铁素体晶粒尺寸细小，晶粒度可达到11级以上，保证了钢板的强度和优异的低温韧性。

表2 LPG燃料罐用钢VL 4-4力学性能

图1 40 mmVL4-4系列低温冲击

表3 VL4-4 NDT落锤性能

图2 40 mm VL4-4金相照片(板厚1/4处的金相)

2 焊接性能

考虑LPG燃料罐在低温高压下服役，其焊接接头的整体性能直接影响罐体的服役寿命，焊接性能在评价材料质量上也越来越受重视。采用埋弧焊方法对钢板进行焊接性能评定，焊接钢板选用40 mm厚VL4-4，焊缝型式为对接焊缝，坡口型式采用K型缺口。焊接接头示意图见图3，图中1～11表示焊道顺序。焊接工艺参数见表4。

由于采用低碳成分设计，低温钢可在不预热的情况下进行焊接。在50 kJ/cm的线能量下，焊接接头粗晶区组织为铁素体+贝氏体+少量珠光体，见图4。粗晶区内沿原始奥氏体晶界分布着多边形铁素体组织，晶内为板条贝氏组织，在微合金晶粒细化元素的作用下，粗晶区组织没有出现异常粗化的现象，保证了焊接接头的强度和低温韧性。粗晶区内没有生成马氏体等硬相组织，从而避免了焊接接头的硬化。焊接接头拉伸、弯曲、冲击和硬度等试验数据见表5。焊接评定结果表明：低温钢焊接接头的熔合线(Fusion line，FL)、FL+1 mm、FL+3 mm、FL+5 mm位置的-60 ℃低温冲击功大于150 J，焊接性能优异，完全符合LPG燃料罐的要求。