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1 9Ni钢材料
LNG储罐的设计温度为-165℃,由于设计时必须考虑到用**冷凝时可能出现的温度,故设计温度范围在-165～-196℃。9Ni钢自20世纪40年发以来,由于其强度高、低温韧性好,且成本比Ni2Cr不锈钢低而逐渐被广泛采用。1956年9Ni钢被列入ASTM标准。1982年以后, 9Ni钢成为低温储罐的主材,逐渐取代了Ni-Cr不锈钢,被世界各国普遍作为常压液态LNG和常压液氮的设备用钢。9Ni钢属于铁素体型低温用钢,具有较高的强度和较好的韧性。依据合金成分, 9Ni钢属于中合金钢,但由于用其制造设备的设计温度定位在 - 165～-196 ℃范围,故其原材料本身和制造中涉及到影响脆性转变温度的因素显得十分关键。影响9Ni钢脆性转变温度的主要因素为晶粒度、组织结构、合金元素和杂质。
2 9Ni化学成分
在影响9Ni钢脆性转变温度的主要因素中,合金元素和杂质含量都与化学成分密切相关。9Ni钢化学成分设计标准见表1：
表1 9Ni钢的化学成分
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元素 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Ni |
|
ASTM A553 |
≤0.13 |
0.15～0.30 |
≤0.90 |
≤0.035 |
≤0.04 |
8.50～9.50 |
|
ASTM A353 |
≤0.13 |
0.15～0.45 |
≤0.98 |
≤0.040 |
≤0.035 |
8.40～9.60 |
|
BS1501-509 |
≤0.10 |
0.10～0.30 |
0.30～0.80 |
≤0.030 |
≤0.025 |
8.75～9.75 |
|
VDEh680 |
≤0.10 |
0.10～0.35 |
0.30～0.80 |
≤0.035 |
≤0.035 |
8.50～9.50 |
|
JIS G 3127 |
≤0.12 |
≤0.30 |
≤0.0.90 |
≤0.025 |
≤0.025 |
8.50～9.50 |
各合金元素的影响：
C ——碳化物析出会造成孔蚀，一般控制在＜0.08%；
Mn——奥氏体相稳定化元素，提高耐磨性及氮的固容量；
Si——有助于高温耐高温氧化及耐酸蚀性能；
Ni——稳定化元素，减轻脆性并改善机械性能，增强耐酸能力。
9Ni钢的钢板使用时，应注意以下几方面：
(1)9Ni钢化学成分标准的范围要求应严格,如Si质量分数为0.15% ～0.30%,Ni质量分数为8.50%～9.50%；
(2) 一般来说,标准允许P和S的最大值约10倍于9Ni钢板的实物值,也就是说：
①当9Ni钢用于-196℃的设计条件时,必须大幅降低P和S含量；
②9Ni钢的设备制造要求尽可能地降低P和S含量,以保证9%Ni钢的设备能够满足设计温度为-196℃时的使用要求。
(3)9Ni钢化学成分设计时人为加入和控制的关键合金成分为Ni和Mn,在控制方法许可的条件下,趋于得到较大值。
(4)对其他残余合金成分应严格控制。
3 9Ni钢的热处理
9Ni钢是在深冷条件下使用的铁素体型低温钢, 经适当的热处理后, 在77K下冲击韧度有大幅度的提高。现有9Ni钢的热处理有三种基本规范, 即正火+正火+回火(NNT) 、淬火+回火(QT) 、淬火+亚温淬火+回火(IHT) 。
3.1 正火+正火+回火(NNT)
9Ni钢的第一次正火为900℃空冷, 保温时间根据板厚决定, 大约是2.4min/mm,但必须保证保温时间大于15min, 第二次正火在790℃左右空冷, 保温时间和第一次要求一样, 回火是在550～580℃空冷或水冷, 保温时间和正火处理要求的一样。正火处理的目的是细化奥氏体晶粒, 奥氏体晶粒越细小, 9Ni 钢热处理后的强度越高, 塑性越好,冲击韧度也越高。但如果正火温度过高, 或在高温下保持时间过长, 会使钢的奥氏体晶粒长大, 将显著降低钢的冲击韧度与裂纹扩展功和提高脆性转变温度。因而, 第一次正火温度要高于Ac3 或Acm,其目的是细化晶粒。第二次正火温度稍低, 是为了使其发生相转变, 获得板条状马氏体组织, 回火是为了是获得α相和少量的富碳、镍奥氏体。
3.2 调质处理(QT)
与双相区处理(IHT)调质处理时, 9Ni 钢的淬火温度一般为800～900℃, 同时保温足够的时间以使其完全奥氏体化后, 在565～635℃回火, 回火时间按1.2min/mm计算，但至少大于15min。9Ni 钢的双相区处理是在调质的基础上, 在回火前进行(α+γ)双相区处理, 目的是使组织分布更加弥散、均匀。9Ni钢淬火后的组织为低碳板条状马氏体, 回火后得到的基体组织是回火马氏体以及部分回转奥氏体。9Ni钢经过(α+γ)双相区处理后, 其-196℃冲击韧度比调质热处理的提高0.5～1倍,甚至优于 1Cr18Ni8Ti不锈钢, 强度也是1Cr18Ni8Ti不锈钢的2倍,抗回火脆化能力也大大提高。在现有三种热处理工艺中, 经双正火(NNT)热处理的9Ni 钢其低温韧度较差, 调质热处理的次之, (α+γ)双相区处理的低温韧度最好。
4 9Ni钢力学性能
9Ni钢的强度极限高,而且在低温时,会进一步大幅度提高(韧性降低)。对于经QT热处理的9Ni钢,常温下的屈强比约为0. 85,且存在较高的冷作硬化倾向。因此,用9Ni钢进行设备制造时,应严格控制成型和组对工艺,防止裂纹,特别是表面裂纹的产生。9Ni钢的力学性能见表2。
表2 9Ni钢的力学性能
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力学性能 |
06Ni9DR（9%Ni） |
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屈服强度Rel（MPa）或σb |
680-820 |
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屈服强度Rel（MPa）或σs |
厚度5～30mm Rel≥585；厚度>30mm Rel≥575 |
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延伸率A（%）或σ5 |
≥18 |
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冷弯试验 |
b=2a 180° d=3a |
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夏比冲击力 |
三个平均（J） |
≥100 |
|
单值（J） |
≥70 |
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实验温度（℃） |
-196 |
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试验形状 |
2mmV型 |
|
06Ni9DR低温容器用钢板 06Ni9DR，一般叫其9Ni或9镍钢，对应国外牌号是SA553、SA353、9Ni ，国内舞阳钢厂与太钢生产。
9Ni钢在LNG储罐中的应用分析: 随着全球能源资源的多样化，未来国内对LNG终端结构材料的需求量将会非常大，开发相应结构的材料将成为能源战略调整的重要环节之一。LNG的温度为-162℃，要求其结构材料在极低温度下具有一定强度和韧性。目前超低温度用材料主要有以下几种：奥氏体不锈钢、镍基合金、铝合金和9Ni钢。相对与奥氏体不锈钢和奥氏体铁-镍合金，9Ni钢成本更低，相对于铝合金，9Ni钢具有更好的力学性能，因此LNG储存和运输设备的结构材料国际上普遍使用9Ni钢。其中, 9Ni钢是惟一可以在- 196 ℃使用的铁素体低温用钢,其-196 ℃的夏比冲击功达到200～230J ,是深冷环境下使用的韧度最好的材料。
舞钢市鑫泽钢铁销售有限公司
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