16MnDR在LNG储罐的应用

李博成，张雨，马媛，周姝娟，闫冀明

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

近年来随着中国石油产品需求量的大幅提升，LNG储罐的建造迅速发展、崛起[1]，我国计划建造200多个特大型LNG储罐，LNG储运设施的总投资预计可达1×1012元[2]。市场中的压力容器设备常规用板材Q345R不能满足设备在低温低应力条件下的使用要求[3]，在-20～-40 ℃的工况条件下，设备的主要受压元件板材只能选用低温板材或奥氏体不锈钢，由于不锈钢造价过高，使得我国研制出的一种压力容器用低温钢—16MnDR钢材在-20～-40 ℃的工作温度范围内突显出一定的使用优势[3]。16MnDR是在原有的主要强化元素Mn和Si的基础上，添加Nb、Ni、V等微合金元素，及采用高纯洁净钢的冶炼方法和微合金化等措施冶炼而成的具有足够的强度，良好的塑性、低温冲击韧性(在-40 ℃的使用温度下低温冲击功Akv≥34 J)和抗焊接冷裂纹性能[4-7]。此外，16MnDR钢材具有良好的抗硫化氢应力腐蚀性能，其实际性能达到国外先进水平钢厂生产的同类钢号[8]。目前，16MnDR通常用于液化石油、液氧、液氮、液氨等相关生产储存容器、输送管道以及寒冷地区服役设备[9]，是石油化工装置中广泛用于制造低温压力容器的经济型碳锰钢(C-Mn钢)[4]。

LNG储罐用材料的正确选择对于LNG工程的安全性和经济性起着至关重要的作用。由于工业技术标准的不同，造成各国LNG储罐用材料的技术性能指标、合金体系及其理论依据的不同[10]。本文通过分析16MnDR在某16万立方米储罐成功应用的案例，研究论证16MnDR代替进口板材S355J2结构钢在22万立方米储罐中应用的可行性及技术上的可靠性，为国产材料16MnDR在LNG工程的应用提供了理论依据。

1 16MnDR和S355J2材料对应标准体系及特征对比分析

我国常用的低合金板材Q355D和德国的S355J2，美国的ASTM A529MGr50是同一级别，化学成分略有差异，机械性能相同。欧标牌号S355J2属于碳素结构钢板，执行EN 10025—2: 2004，根据GB/T 1591—2018牌号S355J2对应于国标牌号Q355D(AR)。S355J2是低合金高强度结构钢，因其具有良好的强度、冲击韧性和焊接性能，使得此牌号的钢板在各个行业都有广泛的应用，主要应用于桥梁、船舶、重型机械基础、海洋石油平台及其他承受较高载荷的工程与焊接结构件。

NB/T 47014—2011 (JB/T 4708)根据金属材料的化学成分、力学性能和焊接性能将焊制承压设备用母材进行分类、分组，将Q345(GB/T 1591—2018标准已用Q355钢级替代Q345钢级)与16MnDR材料归为同一类别和组别。根据组别评定规则，某一母材评定合格的焊接工艺，适用于同类别号同组别号的其他母材[11]。因此，母材S355J2评定合格的焊接工艺，适用于母材16MnDR。

2 试验材料

2.1 化学成分

根据GB 3531—2014，16MnDR板材中含有C、Si、Mn、Ni等化学成分，其中C、S和P元素是铁矿石中的原有化学成分，对钢材而言属于的杂质元素，会增加钢板的脆性，降低其低温韧性。由于脆性断裂为16MnDR的主要失效模式，因此C、S和P元素对钢板是有害的。但由于这些元素是矿石中固有的不能去除的，故而只能控制其含量。16MnDR中含有的钢材有益化学元素—Ni、Mn和Si元素可以提高钢板的低温韧性，提高冲击吸收功，降低韧脆转变温度[3]。16MnDR和S355J2钢的化学成分(熔炼分析)如表1所示[12-13]。

表1 母材16MnDR、S355J2钢的化学成分的质量分数 单位：%

2.2 力学性能

根 据GB 3531—2014、GB/T 1591—2018和BS EN 10025—2: 2004，16MnDR、Q355D(AR)、S355J2钢的力学性能如表2所示[12-14]。

表2 16MnDR、Q355D(AR)、S355J2钢的力学性能

3 项目实例

3.1 项目概况

某LNG项目接收站工程建设规模达500万吨/年，包括：LNG专用装卸码头(最大可停靠26.6万立方米LNG船舶)1座、6座22万立方米储罐、配套气化外输装置及公用工程系统等。该储罐为目前国内单个储罐容积最大的液化天然气储罐，基础形式为桩基，桩基础以上主要结构部位为承台、墙体及穹顶。其结构形式为预应力钢筋混凝土筒体，内衬钢结构。内罐体结构包括罐底、罐壁、铝内罐吊顶，罐体直径为86.00 m，储罐内罐墙体相对标高为43.60 m，内罐净容量为220 000 m3，铝吊顶通过吊杆与拱顶骨架连接在一起，主体材质为ω(Ni)9%低温钢。

储罐外罐墙体结构包括罐底、罐壁、抗压环和拱顶，外罐墙体内直径为88.00 m，储罐外罐墙体相对标高为51.60 m(环梁以下)。墙体分为12层，其中，拱顶模块(包括中心环等)、罐顶结构、穹顶衬里板、防潮板和罐顶穿孔等结构采用S355J2结构钢。

3.2 焊接工艺评定试验

3.2.1 化学成分

16MnDR和S355J2钢分别根据GB/T 3531—2014和EN 10025—2: 2004进行化学成分检测，材质证书实测值如表3所示。

表3 16MnDR、S355J2钢低温压力容器母材的化学成分质量分数实测值 单位：%

3.2.2 焊接工艺评定力学性能试验

经检验的16MnDR和S355J2钢板的力学性能均符合NB/T 47014—2011及相关标准要求。对于16MnDR钢板的力学性能试验，试验用母材厚度为12 mm，焊材为碳钢焊条E7018-1，填充金属直径为Φ3.2 mm。对于S355J2钢板的力学性能试验，试验用母材厚度为12 mm，焊材为碳钢焊条E7018，填充金属直径为Φ3.2 mm。

分别取2组试样尺寸(宽度×厚度)约为25×12 mm 的16MnDR和S355J2钢进行焊接接头拉伸试验，测得16MnDR的断裂荷载分别为167713 N和167889 N, S355J2的断裂荷载分别为173628 N和174786 N。16MnDR的抗拉强度分别为550 和552 MPa,S355J2的抗拉强度分别为557和564 MPa。根据试验结果可知，16MnDR和S355J2钢拉伸试验的试样断裂位置均在母材上，说明在-40 ℃试验条件下，焊缝强度高于母材。

分别取4组16MnDR和4组S355J2钢进行焊接接头弯曲试验，弯曲类型为侧弯，弯心直径为40 mm。16MnDR和S355J2钢的侧弯试验结果为：所有侧弯试验弯曲角度为180°时，弯曲凸面焊缝上均未发现缺陷，试样检测结果全部合格，说明焊缝塑性较好，没有尺寸较大的非金属夹杂。

对16MnDR和S355J2钢的力学冲击值进行分析，根据表4可知，-20 ℃下S355J2焊接接头的平均吸收功焊缝中心的为63 J，热影响区的为118 J。-40 ℃下16MnDR焊接接头的平均吸收功焊缝中心的为89 J，热影响区的为221 J，远大于标准要求值47 J，说明16MnDR在-40 ℃下焊接接头具有优良的低温冲击韧性。众所周知，低温钢板的使用单位希望钢板具有较高的低温冲击功，16MnDR钢的使用温度较低，较S355J2钢更适用于低温压力容器的制备。

表4 16MnDR和S355J2钢的冲击试验

3.2.3 显微硬度测试

分别对16MnDR和S355J2钢进行显微硬度试验，在距上、下表面2 mm处分别选取母材、热影响区、焊缝为测试点位置。根据测试结果可知，16MnDR钢板焊缝区的显微硬度在HV220以上，焊缝位置显微硬度较为均匀，未见明显异常情况，在母材区16MnDR钢的显微硬度在HV165左右，S355J2钢的显微硬度在HV160左右，综上可知，16MnDR的硬度略高于S355J2的硬度。

4 结语

对比分析国内两个大型LNG项目储罐用材料16MnDR和S355J2钢的常规力学性能，得出以下结论：

(1)在相同的试验环境中，16MnDR钢焊接接头的低温冲击韧性优于S355J2钢焊接接头的低温冲击韧性，且在-40 ℃时，16MnDR具有良好的低温冲击韧性。

(2)国产材料16MnDR替代进口材料S355J2，有利于通过国内标准规范对材料性能指标进行把控。16MnDR和S355J2属于焊制承压设备用同类、同组母材，根据NB/T 47014—2011可知用16MnDR代替S355J2钢板，S355J2已在某22万立方米储罐LNG项目评定合格的焊接工艺，适用于同类别号同组别号的母材16MnDR，后续项目两种材料的替换，不需要重新进行16MnDR钢的焊接工艺评定，降低焊评所需的时间成本和经济成本的同时，对响应国家降本增效的战略举措具有重要意义。

综上所述，国产材料16MnDR可代替S355J2钢应用于22万立方米LNG低温储罐的建造工程。