Технические новинки Vol.15

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

1. Предисловие

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

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

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).

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.

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
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

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.

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

4-4-2 Устойчивость к хрупкому излому

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

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.

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