Технические новинки Vol.15

Спрос и предложение на СПГ и применение 7%-ной никелевой стали TMCP и соответствующих сварочных материалов

Supply and demand for LNG and implications for 7% Ni TMCP steel and welding consumables

1. Предисловие

Worldwide trends in LNG exports [1] Note: MTPA: Million tons per annum

Иллюстрация 1: Мировые тенденции в экспорте СПГ [1]
      Примечание: MTPA: миллион тонн в год

За три с половиной года после того, как в Выпуске 14 № 2 Kobelco Welding Today (KWT14-2) (2011) мы представили сварочные материалы компании Kobelco для резервуаров для сжиженного природного газа (СПГ), изготовленных из 9%-ной никелевой стали, на мировом рынке СПГ произошли значительные изменения.

Изменилась не только ситуация в области спроса и предложения. Изменились также и свойства стали, применяемой для изготовления резервуаров. В Японии была успешно представлена 7%-ная никелевая сталь, производимая по технологии термомеханического контроля (TMCP), что позволило сократить содержание в стали никеля, который отличается высокой стоимостью и подвержен рыночным колебаниям. Характеристики 7%-ной никелевой стали TMCP уже отражены в положениях Японского индустриального стандарта (JIS), а также в неяпонских стандартах, в частности ASTM.

В данной статье кратко представлены сварочные материалы, подходящие для 7%-ных никелевых сталей TMCP, а также приведены последние технические данные.

2. Спрос и предложение на СПГ в последнее время

Figure 2: Worldwide LNG exports in 2013 [2]

Иллюстрация 2: Мировой экспорт СПГ в 2013 г. [2]

На Иллюстрации 1 показано, что объем экспорта СПГ резко вырос в 2010 году. Общемировой объем экспорта СПГ достиг 237 миллионов тонн в год в 2013 году, как показано на Иллюстрации 2, что отражает повышение мирового спроса, главным образом в Азии, и особенно в Китае.

Экспорт СПГ из плавучих систем хранения и отгрузки (FSU) (Илл. 1) также является новейшей тенденцией в области поставок. В большинстве случаев FSU и плавучие системы хранения и регазификации (FSRU) переоборудуются из танкеров СПГ, что позволяет сократить расходы и время на строительство и соответствует темпам существующего ныне спроса и предложения на СПГ.


Ситуация в Азии

Figure 3: Worldwide gas-liquefaction capacity [3]

Иллюстрация 3: Общемировые производственные мощности для сжижения природного газа [3]

Из-за большого роста потребления природного газа производственные мощности для сжижения природного газа также увеличились и, как предполагается, продолжат увеличиваться, особенно в Азии и Тихоокеанском регионе, как показано на Иллюстрации 3.

Соответственно, потребность в емкостях для хранения СПГ и системах его транспортировки, таких как танкеры СПГ (океанские и для внутреннего использования), также будет расти.

На Иллюстрации 4 показан китайский план потребления энергии от первичных источников, основанный на 12-м пятилетнем плане (2011-2015). Согласно прогнозам, импорт СПГ Китаем будет увеличиваться на 50% ежегодно, от 14,7 миллионов тонн в 2012 г. до максимального уровня в 100 миллионов тонн в год. Разумеется, со временем потребуется большое число терминалов СПГ и танкеров СПГ (океанских и для внутреннего использования).

Figure 4: Forecast of primary energy consumption in China [4] Note: *1: Million tons of oil equivalent.

Иллюстрация 4: Прогноз согласно плану потребления энергии от первичных источников в Китае [4]
      Примечание: *1: Миллионы тонн в нефтяном эквиваленте.

Резервуары для СПГ бывают в основном трех типов: мембранного, типа Moss, а также типа IMO (Международной морской организации) - А, В и С. Резервуары мембранного типа и типа Moss применяются на океанских танкерах, тогда как резервуары третьего типа предназначены для меньших по размеру танкеров для внутреннего использования, как показано в Таблице 1. На Иллюстрации 5 представлен типичный танкер СПГ для внутреннего использования, а на Иллюстрации 6 - резервуары типа IMO С.

Таблица 1: Типы резервуаров СПГ
  Тип резервуара СПГ
Океанский танкер СПГ Мембранный и Moss
Танкер СПГ для внутреннего использования Тип IMO - А, В и С

На Иллюстрации 7 показан недавно разработанный трехкорпусный резервуар, который в ближайшем будущем будет устанавливаться на танкеры для транспортировки сжиженного этилена.

Figure 5: Typical domestic LNG carrier [6]

Иллюстрация 5: Типичный танкер СПГ для внутреннего использования [6]

Figure 7: Tri-lobe tank [6]

Иллюстрация 7: Трехкорпусный резервуар [6]

Figure 6: IMO-type C tanks [6]

Иллюстрация 6: Резервуары типа IMO С [6]


Разработка и характеристики 7%-ной никелевой стали ТМСР

Для безопасной работы в криогенный условиях резервуары СПГ обычно производятся из пластин 9%-ной никелевой стали. Однако в последнее время были разработаны пластины из 7%-ной никелевой стали ТМСР, что позволяет сократить содержание дорогостоящего никеля почти на 20%.

7% -ная никелевая сталь TMCP была стандартизирована как SL7N590 в JIS G3127, "Пластины из никелевой стали для сосудов под давлением для эксплуатации в условиях низких температур" в марте 2013 г., когда применение этой стали началось в Японии. Примерно в то же время в США стандарт ASTM отнес 7%-ную никелевую сталь TMCP к Гр. G Класса 9 и Класса 10 в A841, "Стандартная спецификация стальных пластин для сосудов под давлением, вырабатываемых с помощью процесса термомеханического контроля (TMCP)."

Характеристики JIS и ASTM для 7%-ной никелевой стали TMCP и 9%-ной никелевой стали представлены в Таблице 2 для справки.

Таблица 2: Характеристики 7%-ной никелевой стали TMCP и 9%-ной никелевой стали
Характеристика ASTM JIS G 3127
A553 Type I A841 Grade G SL9N 590 SL7N 590
Cl.9 Cl.10
Толщина пластины (mm) 50 макс. 50 макс. 100 макс. 50 макс.
Процесс QT TMCP QT TMCP
C (%) 0.13 макс. 0.13 макс. 0.12 макс.
Si (%) 0.15-0.40 0.04-0.15 0.30 макс.
Mn (%)/td> 0.90 макс. 0.60-1.20 0.90 макс. 1.20 макс.
P (%) 0.035 макс. 0.015 макс. 0.015 макс.
S (%) 0.035 макс. 0.015 макс. 0.015 макс.
Ni (%) 8.50-9.50 6.00-7.50 8.50-9.50 6.00-7.50
0.2%PS (MPa) 585 мин. 585 мин. 620 мин. 590 мин.
TS (MPa) 690-825 690-825 750-885 690-830
El (%); Толщина (mm) 20 мин. 20 мин. 21 мин. (t ≤ 16)
25 мин. (t > 16)
IV (J) при -196°C 34 мин. 34 мин. 41 мин.
LE*1 (mm) при -196°C 0.38 мин. 0.38 мин. (t ≤ 32)
0.48 мин. (t=50)*2
- -
Примечание: *1: LE: Поперечное расширение
*2: Величина LE для толщины пластин между 32 и 50 будет определяться линейной интерполяцией.

Ниже приведены результаты тестирования 9%-ной никелевой стали и 7%-ной никелевой стали TMCP.


4-1. Основные свойства 7%-ной никелевой стали TMCP

Иллюстрация 8: Сравнение микроструктур
Сталь 7% Ni TMCP 9% Ni
Микроструктура Figure 8: Microstructure comparison Figure 8: Microstructure comparison
Остаточный γ (%) 8.5 3.2

Технология термомеханического контроля дает большое распределение остаточного аустенита (γ) в базовой структуре 7%-ной никелевой стали TMCP, что позволяет получить такую же высокую прочность, какой обладает 9%-ная никелевая сталь.

Как видно на Иллюстрации 8, реечная структура 7%-ной никелевой стали TMCP тонкая, что приводит к повышению содержания остаточного аустенита γ.


4-2. Оценка основных эксплуатационных качеств

Испытания были проведены по ряду свойств, имеющих отношение к основным эксплуатационным качествам 7%-ной никелевой стали ТМСР, что показано в Таблице 3. Результаты испытаний, представленные в Таблицах 4 и 5, демонстрируют, что 7%-ная никелевая сталь ТМСР обладает столь же высокими эксплуатационными свойствами, что и 9%-ная никелевая сталь.

Таблица 3: Испытания для оценки эксплуатационных качеств
  Базовые Устойчивость к хрупкому излому
Пластина ・Испытание на разрыв ・Испытание CTOD на смещение раскрытия вершины трещины
・Испытание на ударную вязкость ・Испытание Duplex ESSO
Сварное соединение ・Испытание на разрыв ・Испытание CTOD на смещение раскрытия вершины трещины
・Испытание на ударную вязкость ・Испытание широкой пластины с вырезом с крестовым соединением
Таблица 4: Результаты испытаний на разрывs
Сталь Толщина (mm) 0.2%PS (MPa) TS (MPa) EL (%)
7% Ni TMCP 40 655 738 31
9% Ni 36 726 743 23
SL7N590 590 мин. 690-830 21 мин.
Примечание: Позиция:1/4 t
Направление: Параллельно направлению прокатки
Таблица 5: Результаты испытаний на ударную вязкость
Сталь Толщина (mm) IV (J)при -196°C BA(%) при -196°C
7% Ni TMCP 40 Сред. 256 0
9% Ni 36 Сред. 243 0
SL7N590 41 мин. -
Примечание: BA: Показатель видимости хрупкого излома
Позиция: 1/4 t
Направление: Параллельно направлению прокатки

4-3. Устойчивость к хрупкому излому

Было проведено сравнение 7%-ной никелевой стали TMCP и 9%-ной никелевой стали на устойчивость к хрупкому излому, что показано в Таблице 3.

Устойчивость к образованию хрупких трещин и хрупкому излому были протестированы с помощью испытания CTOD и испытания Duplex ESSO соответственно. Для справки, на Иллюстрации 9 представлено схематическое изображение испытания Duplex ESSO. Результаты обоих испытаний - CTOD и Duplex ESSO показали принципиальную тождественность свойств 7%-ной никелевой стали TMCP и 9%-ной никелевой стали, как показано в Таблицах 6 и 7 соответственно.

Иллюстрация 9: Схематическое изображение испытания Duplex ESSO
Отличные свойства Неудовлетворительные свойства
Figure 9: Schematic drawing of Duplex ESSO test Figure 9: Schematic drawing of Duplex ESSO test
Таблица 6: Результаты испытаний CTOD
Сталь Толщина (mm) Критическая величина CTOD (mm) при -165°C
7% Ni TMCP 40 1.18; 1.05; 1.18
9% Ni 36 0.65; 0.70; 0.68
SL7N590 41 мин. -
Примечание: Направление: Параллельно направлению прокатки
Таблица 7: Результаты испытаний Duplex ESSO
Сталь Толщина (mm) Температура (°C) Applied stress (MPa) Вывод
7% Ni TMCP 40 -196 392 Недопустимо
9% Ni Сталь 36 -196 392 Недопустимо

4-4. Свойства стыкового сварного шва для 7%-ной никелевой стали TMCP

На пластине из 7%-ной никелевой стали TMCP был выполнен Х-образный стыковой шов с применением покрытых электродов PREMIARCTM NI-C70S диаметром 4 mm в вертикальной верхней позиции (3G). Условия сварки представлены в Таблице 8.

Таблица 8: Условия сварки
Направление сварки Сварочный процесс Наименование товара Диаметр mm Позиция сварки Погонная энергия (kJ/mm)
Противоположно направлению прокатки SMAW NI-C70S 4.0 3G вверх 4.4 макс.

На Иллюстрации 10 схематично показан поперечный срез сварочного металла и расположение образцов для испытания на ударную вязкость.

Figure 10: Schematic location of test specimens

Иллюстрация 10: Схематичное расположение тестируемых образцов

Результаты испытаний на ударную вязкость показаны на Иллюстрации 11. Все величины удовлетворяют требованию SL7N590 (34 J мин. и 41 J сред. при -196°C).

Figure 11: Results of notch toughness tests

Иллюстрация 11: Результаты испытаний на ударную вязкость


4-4-2 Устойчивость к хрупкому излому

Figure 12: Results of CTOD tests

Иллюстрация 12: Результаты испытаний CTOD

Устойчивость к хрупкому излому тестировалась с помощью испытания CTOD, и все величины превзошли требования для резервуаров СПГ емкостью 140,000 m³ (0,085 mm мин. при -196°C) как показано на Иллюстрации 12.


Сварочные материалы для 7%-ной никелевой стали TMCP

Все без исключения сварочные материалы, рекомендуемые компанией Kobe Steel для 9%-ной никелевой стали, подходят также и для сварки 7%-ных никелевых сталей TMCP. Типичные сварочные материалы, рекомендуемые для 7%-ных никелевых сталей TMCP, указаны в Таблице 9.


5-1. PREMIARC™ DW-N709SP

Официально вышла спецификация AWS (A5.34) в ENiMo13-T, которая включает в себя электроды PREMIARC™ DW-N709SP. Они классифицированы как ENiMo13T1-4/0-1, что представлено в Таблице 9. Результаты недавних испытаний сварки с DW-N709SP, а также сравнение эффективности электродов DW-N709SP и покрытых электродов приведены ниже.

Таблица 9: Типичные сварочные материалы для 7%-ной никелевой стали TMCP
  FCAW SMAW GTAW SAW
Наименование товара DW-N709SP NI-C705 TG-S709S PF-N4 (flux) / US-709S (wire)
Свойства ・Типа Хастеллой
・Газ Ar-CO2 для сварки во всех позициях, газ CO2 для сварки 1G, 1F и 2F.
Типа Инконельe ・Типа Хастеллой
・Подходит для автоматической газовольфрамовой дуговой сварки
・Типа Хастеллой
・Подходит для сварки в позиции 2G
Полярность DCEP AC DCEN DCEP
Ni (%) 62.5 63.4 70.4 64.0
Cr (%) 6.5 16.6 2.0 1.7
Mo (%) 17.6 5.3 19.0 17.2
W (%) 2.4 0.7 3.0 2.7
Nb+Ta (%) - 1.1 - -
Fe (%) 7.9 9.9 5.5 14.9
0.2%PS (MPa) 447 430 460 410
Ts (MPa) 723 705 730 680
El (%) 51 41 47 43
IV(J) at -196°C 89 62 160 70
Figure 13: Comparison of horizontal fillet welding by shielding gas

Иллюстрация 13: Сравнение горизонтальных угловых сварных швов с применением разных защитных газов

Как показано на Иллюстрации 13, защитный газ Ar-CO2 не позволяет получить достаточное проплавление в угловой части шва при сварке в горизонтальной угловой позиции (2F). В тех случаях, когда необходимо получить полное проплавление, рекомендуется использовать в качестве защитного газа 100%-ный CO2.


5-2. Стыковое сварное соединение на пластине толщиной 10 mm

Таблица 10: Условия сварки
Product name DW-N709SP
Защитный газ и скорость подачи 80%Ar-20%CO2 & 25l/min
Позиция сварки 3G вверх
Межпроходная температура 150°C макс.
Полярность DCEP
Параметры сварки Лицевая сторона 1-й слой 140A-24V-17 cm/min
2-й слой 160A-26V-16 cm/min
Обратная сторона Завершающий слой 160A-26V-15 cm/min

Стыковое сварное соединение было выполнено в позиции 3G на стальной пластине толщиной 10 mm. Условия сварки представлены в Таблице 10, форма кромки и макроструктура - на Иллюстрации 14, а свойства сварного соединения - в Таблице 11 соответственно.

Figure 14: Groove configuration and macro structure

Иллюстрация 14: Форма кромок и макроструктура

Таблица 11: Свойства сварного соединения
Свойства Измерения
TS (MPa) 759; 764 (Излом в основном металле) *1
Ударная вязкость (J) при -196°C 62, 65, 60 (Avg. 62) *2
Продольный изгиб, 180° Дефектов нет
Примечание: *1: Из-за пластичного ограничителя прочность сварочного металла повышена.
*2: Размер образца 7,5 mm x 10 mm

5-3. Сравнение эффективности сварки для SMAW и FCAW (DW-N709SP)

Таблица 12: Сравнение эффективности
  DW-N709SP (1.2mmΦ) SMAW (4mmΦ)
Расход материалов (kg) 125 200
Время дуги (часы) 29.4 71.4
Скорость наплавки (g/min) 75 (at 200 A) 34 (at 150 A)
Эффективность наплавки (%) 85 50

Было проведено сравнение процессов сварки SMAW и DW-N709SP на предмет расхода материалов и продолжительности дуги, необходимых для получения 100 kg сварочного металла. В Таблице 12 показаны результаты. DW-N709SP продемонстрировала отличную скорость наплавки, время дуги, а также эффективность наплавки.


Примечания по применению

При использовании 7%-ной никелевой стали ТМСР необходимо соблюдать те же предосторожности, что и при использовании 9%-ных никелевых сталей, которые были описаны в KWT14-2.

(1) Склонность к магнетизированию

Остаточный магнетизм в 7%-ной никелевой стали ТМСР вызывает магнитное дутье дуги. При сварке рекомендуется по возможности использовать полярность АС для процессов SMAW и SAW.

(2) Трещина в кратере

Пользователям настоятельно рекомендуется стачивать кратер каждый раз при остановке дуги, чтобы избежать образования трещин в кратере.

(3) Разбавление

Разбавление сварочного металла основным металлом под воздействием дуги приводит к изменению химических свойств сварочного металла, в результате чего снижается его разрывная прочность. Пользователям необходимо убедиться в том, что разрывная прочность и условный предел текучести в 0,02% удовлетворяют требованиям путем предварительного тестирования процесса.


Послесловие

В данной статье говорится о ситуации в области мирового спроса и предложения на сжиженный природный газ, а также о применении 7%-ной никелевой стали ТМСР при работе в криогенных условиях. Как ожидается, спрос на природный газ как чистый источник энергии продолжит расти, что потребует разработки множества новых технологий. Компания Kobe Steel будет и впредь предлагать новейшие технологии сварки, удовлетворяя нужды пользователей.

Источники

[1]-[4] JOGMEC (Японская государственная корпорация нефти, газа и металлов), Тенденции для СПГ, 2014
[5] Инженерные отчеты Kobe Steel, Выпуск. 64, No. 1 (2014)
[6] Sinopacific Offshore & Engineering Co., Ltd.


Верх страницы

ТОВАРЫ

Cварка руководство Технические новинки промышленность видео Paisaje Japonés KOBELCO ARC over the last decade (2008~)