液化天然气（LNG）是以甲烷为主的天然气，经精制、冷却、液化而成，常压下沸点约-162℃、黏度和比重较小。LNG的密度是气态天然气的600倍，与输送相同体积的气相天然气相比，LNG输送管的直径要小得多，LNG泵站的能耗要比天然气压缩机站的能耗低若干倍。采用LNG调峰与地面储天然气球罐相比，单位容积储气比差63倍。在LNG项目中，由于管道输送的是-162℃的超低温介质，因而对LNG项目用设备、管道、阀门等材料的要求很高，以保证LNG项目的安全运行［1-4］。由于天然气中含有的CO2、H2S、H2O等杂质已在精制装置中被除去，所以在LNG装置的管道设计中无需考虑防腐。一般情况下，碳钢、低合金钢等铁素体系钢种在低温下会快速失去韧性而脆化，故其不能用于LNG系统；因此，必须选择在低温下难以脆化，具有优良的韧性及强度，加工和焊接性能良好，在LNG温度（-160℃）下可以使用的材料。一般采用添加Ni改善低温性能的奥氏体不锈钢、9%Ni钢、铝合金等［5-12］。

本文介绍了几种LNG工程用管新材料：奥氏体不锈钢、9%Ni钢、殷瓦合金、铝合金与铜合金；着重从物理性能角度出发，描述LNG工程常用的奥氏体不锈钢在超低温下韧性高、强度高的机理。

1 奥氏体不锈钢

LNG工程常用的不锈钢类型是奥氏体不锈钢。与其他类型不锈钢相比，奥氏体不锈钢具有低温韧性高、低温强度高的特点，更适用于LNG项目的超低温环境。

1.1 奥氏体不锈钢低温冲击韧性高的原因

体心立方铁素体晶格与面心立方奥氏体晶格如图1所示，立方体八角为铁原子，体心或面心为碳原子。在高温下，碳钢、合金钢和不锈钢均为面心立方的奥氏体晶格，一个立方体中有3个碳原子。随着温度下降，铁原子间距缩小，碳钢和合金钢中的碳原子从奥氏体晶格中析出，变成只有一个碳原子的铁素体（图1a）。因碳化物在晶界析出，阻碍金属滑移，金属变脆，韧性下降。随着冷却速度不同，碳化物析出时粗细不一样，产生淬火、正火、退火、回火的热处理工艺，一般退火、回火冷却速度慢，析出的碳化物弥散，对晶格滑移阻挡小，韧性相对好。

图1 体心立方铁素体晶格与面心立方奥氏体晶格

奥氏体不锈钢因含有8%以上的Ni，Ni原子量为58.71，比Fe原子量55.847大，在面心立方晶格中Ni原子置换Fe原子后，把奥氏体晶格撑大，固溶加热后喷水冷却时，晶格快速收缩，把C原子固定在奥氏体晶格内。碳化物不在晶界析出，固溶后喷水冷却，碳化物来不及析出，晶界上没有碳化物，在低温形变时没有阻力，因而低温伸长率大，低温冲击韧性好，常温伸长率在50%以上，-196℃低温冲击韧性可达150 J以上。

由图 6可知，在同一温度下，膜通量总体由大到小的顺序为：KCl溶液>NaCl溶液>MgCl2溶液；随着温度升高，3种溶液的膜通量都将增大。

除奥氏体不锈钢外，9%Ni钢、殷瓦合金、铝合金与铜合金也应用于LNG工程。

1.2 奥氏体不锈钢低温强度高的原因

不同牌号奥氏体不锈钢在-196℃时的性能见表1。

表1 不同牌号奥氏体不锈钢在-196℃时的性能

牌号304抗拉强度/MPa 1 520屈服强度/MPa 伸长率/% 断面收缩率/% 备注45 66 棒材，退火态280 275 37 - 薄板，退火态304L 1 460 316 1 580 665 55 - 薄板，退火态310S 1 100 605 72 52 锻造321 347 1 540 1 470 450 38 60 棒材，退火态43043 60 棒材，退火态

奥氏体不锈钢钢管在-196℃时的抗拉强度达到 1 450 MPa［1］。由于奥氏体不锈钢含有 Ni，Ni的原子量比Fe的原子量大，在面心立方奥氏体晶格中，Ni原子替代Fe原子，把奥氏体晶格撑大，在固溶加热后喷水快速冷却，C原子来不及从面心立方的奥氏体晶格中析出，成为常温下仍保持面心立方结构的奥氏体不锈钢，但在此情况下，C原子处于不稳定状态下。图2（a）所示为两个叠放着的面心立方奥氏体晶格，从另一个角度看，四周8个面的面心原子，也组成一个长条立方体，其尺寸为2.56×2.56×3.62，体积为23.7，其中为H原子直径。而两个叠放着的面心立方奥氏体晶格中被夹着的一个面心的原子，成为长条形体心立方晶格的体心。液化天然气经压缩而温度下降，输送液化天然气的不锈钢管道也随着温度下降，原子间距要缩小，压缩可能压缩的原子间隙，此时原子晶格组成为2.56×2.56×3.62尺寸的长条形体心立方体会被压缩成2.84×2.84×3.05尺寸的体心立方晶格，体积为24.63，这就是马氏体转变。马氏体转变过程中体积从23.73膨胀到24.63，原子间相互挤压，局部晶格扭曲，从而提高了马氏体的强度和硬度。

图2 奥氏体与正方马氏体晶格

尺寸为2.56×2.56×3.62的体心立方晶格转变为尺寸为2.84×2.84×3.05的体心立方马氏体时，原子并没有经过长距离的扩散，Fe原子的小距离位移是在瞬间完成。体积为23.73的长条形立方体转变为体积为24.63的体心立方马氏体晶格，体积扩大，需要积蓄能量，在输送LNG时，是在温度冷却过程中逐步积蓄能量析出马氏体，因而析出的马氏体片很薄，不易脆性破裂。

因Ni原子量比Fe原子量大，产生层错所需能量多，即层错能高，原子位移所需能量多，马氏体转变困难，奥氏体转变成马氏体相变时，消耗能量多，需在更低温度积聚能量，因而马氏体转变温度下降。因层错能高，晶格扭曲厉害，故而强度更高，所以奥氏体不锈钢在-196℃时的抗拉强度达到1 450 MPa。

脆性破坏同材料中裂纹的扩展有关，材料抵抗裂纹快速扩展的能力为断裂韧性，断裂韧性试样如图3所示，做试验时采用缺口端部带着裂纹的冲击试样。因层错能高，原子位移所需能量多，使裂纹传播困难；又因在温度逐步冷却过程中马氏体逐步析出，析出的马氏体片很薄，不易脆性破裂，因而在低温下断裂韧性降低很少，产生“相变诱生塑性”；又因固溶过程中，Ni含量高，晶格被撑大，C原子被固溶在晶格中，未析出，晶格滑移时在晶界没有碳化物阻碍，故在超低温下，奥氏体不锈钢的冲击韧性、伸长率、断面收缩率很高，韧性仍很好，但强度却很高。金属在-196℃低温冲击韧性高，代表着低温下金属韧性向脆性转变不容易，不易脆性破裂。

一方面，促进了学生的全面发展。由于多媒体课件为学生提供了大量的化学资源，例如，燃料电池在航天科技中的应用、高能电池在手机中的应用等，这些化学资源具有一定的时代特征。通过学习，学生能够开阔视野、拓宽思维，促进其全面发展。另一方面，提高了教师的业务水平。教师在研制大学普通化学多媒体课件时，不仅要掌握更多的计算机知识，还要了解更多的前沿信息，这就需要教师不断学习与钻研，无形中就会提高自身的业务水平。

图3 断裂韧性试样示意

各金属在-196℃时的线膨胀系数见表5，可见-196℃时殷瓦合金的线膨胀系数最小，当LNG设备从环境温度到LNG温度快速冷却或快速受热时，产生的瞬间的、周期性的热应力将最小。

ASTM A 553/A 553M—2010A《压力容器用经淬火和回火的含8%和9%镍的合金钢板》对9%Ni钢的化学成分和力学性能要求见表2～3。

2 其他合金

上上德盛集团有限公司供云南先锋化工有限公司的Φ457 mm×22.2 mm和Φ355.6 mm×17.5mm规格304奥氏体不锈钢钢管，经上海材料研究所检测性能，其-196℃低温冲击韧性为216 J、207 J、226 J。此外，上上德盛集团有限公司供中国石油深圳天然气有限公司1 000多吨304L不锈钢钢管，上海材料研究所检测了其105套315个试样的-196℃低温冲击韧性，最高318 J，最低134 J，平均191 J。按GB 20801.2—2006《压力管道规范 工业管道第二篇 材料》规定：304L、304、316L、316、321、347不锈钢的最低使用温度为-253℃，304H、321H、347H、309S、310S、310H不锈钢的最低使用温度为-196℃。此外，GB 20801.2—2006标准还规定：最小抗拉强度大于515 MPa的奥氏体不锈钢材料，在-196℃温度的3个试样冲击功平均值应大于27 J；最小抗拉强度大于450 MPa的奥氏体不锈钢材料，在-196℃温度的3个试样冲击功平均值应大于20 J。可见，上上德盛集团有限公司生产的LNG工程用304、304L奥氏体不锈钢钢管具有很高的低温冲击韧性。

大部分社会保障计划都采取自愿参与的方式，可选择度很高，美国联邦政府会针对各州情况制定社会保障计划，州、地方政府也可以自己制定计划，如美国加利福尼亚州就有自己的《加利福尼亚州失业保险法》和就业服务计划；与欧洲的“父爱主义”政策相比，美国政府承担了提供社会福利的主要责任，但不包揽一切，而是鼓励个人进行养老储蓄和参加非营利性组织的各种保险（如医疗保险）以及向商业保险公司投保各种保险（如人寿保险）。

2.1 9%Ni钢

9%Ni钢是Ni含量约为9%的中合金钢，这种钢材由于其在极低温度下具有良好韧性和高强度，而且与奥氏体不锈钢和铝合金相比具有热胀系数低，经济性好，使用温度最低可达-196℃，不进行焊后消除应力热处理亦可安全使用。9%Ni钢成为用于制造大型LNG贮罐的主要材料之一。

06Cr18Ni11Ti、06Cr18Ni11Nb、TP321、TP347含有Ti或Nb，在热处理加热后冷却过程中，因为C与Ti、Nb的亲和力比与Cr的大，C从奥氏体中析出时，优先形成TiC和NbC，而且是弥散地在基体中析出，这样就把C固定住，避免C和Cr在晶界形成碳化铬，造成晶界贫铬，从而产生晶间腐蚀。TiC的形成温度850～900℃，NbC的形成温度在920℃以上，所以TP321在850～900℃或TP347在920～950℃进行保温即稳定化处理，使TiC或NbC稳定地优先弥散析出，并均匀地分布在基体中，而不是分布在晶界，并使钢强化，韧性不降低，使耐蚀性提高。

表2 ASTM A 553/A 553M—2010A标准对9%Ni钢的化学成分（质量分数）要求 %

C≤0.13≤0.90 Mn P≤0.035 S Si Ni≤0.040 0.15～0.30 8.5～9.5

表3 ASTM A 553/A 553M—2010A标准对9%Ni钢的力学性能要求

注：测试的是淬火+回火态的9%Ni钢。

屈服强度/MPa抗拉强度/MPa-196℃纵向低温韧性A kV/（J·cm-2）≥690 ≥20 ∧34断后伸长率/%≥585

2.2 殷瓦合金

铝合金由于密度小、导热系数大、无磁性、具有稳定的微观结构、良好的加工性能，其成本为铜的1/4、不锈钢的1/2，在低温LNG工程中广泛应用。由于铝合金的焊接强度差、弹性模量小、热膨胀率高、导热系数大，限制了其使用。铝合金的化学成分见表6，在-196℃时的力学性能见表7。

表4 殷瓦合金的低温性能

温度/℃-196-253抗拉强度/MPa 1 080 1 190屈服强度/MPa断面收缩率/%915 27 61 1 120 23 58伸长率/%

304N奥氏体不锈钢中添加w（N）为0.10%～0.16%，使钢强化，而其塑韧性又保持到足够高水平。因采用氮合金化，提高了钢中的镍当量，使合金的奥氏体更加稳定。316奥氏体不锈钢因含有Mo，提高了表面Cr2O3钝化膜强度，因而提高了材料耐氯离子腐蚀的能力。

表5 各金属在-196℃时的线膨胀系数 ×10-6 K-1

奥氏体不锈钢304钢 310钢 316钢 9%Ni钢 殷瓦合金 铝合金13.0 13.013.0 18.1 8.81.2

2.3 铝合金

殷瓦合金（Invar36）是镍铁合金，w（Ni）为 36%，钢中 Si、Mn、S、P、Cr、Ti、Nb等元素的含量都≤0.10%，而w（C）≤0.02%，w（O）≤0.003%，w（N）≤0.003%，w（H）≤0.000 5%，该钢冶炼的难点是没有脱氧元素和杂质。20世纪90年代，上海申江特钢公司用从德国进口的带真空罩的氩氧精炼炉（VODC炉）冶炼殷瓦合金，以满足全国电饭煲传感器的需要，该传感器中一片薄片就是用殷瓦合金做的。当钢水在电弧炉熔化后，进入带真空罩的氩氧精炼炉，吹氧升温至1 750℃，不用出钢，直接加上真空罩，不加脱氧剂，进行完全真空碳脱氧，把O、N、H降低到很低水平。殷瓦合金的低温性能好，其膨胀系数很小，是钢的1/10，低温性能见表4。在LNG船中，由船的内部船体直接支撑低温衬里，该衬里包括两层厚度为0.7 mm的殷瓦合金薄片和两个独立的绝缘层，殷瓦合金很小的收缩特性减少了其热应力，而液化天然气的蒸发易产生热应力，日蒸发量达0.10%～0.25%，殷瓦合金层可阻断液化天然气的蒸发。

表6 铝合金的化学成分（质量分数） %

注：①前面的为其他元素单个值，后面的为其他元素合计值。

牌号 Si Fe Cu Mn Mg 5083（LF5） ≤0.4 ≤0.4 ≤0.1 0.4～1.0 4.0～4.9 Zn Cr≤0.25 0.05～0.25 6061（LD2） 0.4～0.8 ≤0.7 0.15～0.4 ≤0.15 0.8～1.2 ≤0.25 0.04～0.35 2219（LY16） ≤0.2 ≤0.3 5.8～6.8 0.2-0.4 ≤0.02≤0.10 -Ti≤0.15≤0.15 0.02～0.10其他①≤0.05，≤0.15≤0.05，≤0.15≤0.05，≤0.15 Al余量余量余量

表7 铝合金在-196℃时的力学性能

断面收缩率/%5083（LF5） 434 158 32.0 33牌号 抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%6061（LD2） 402 337 23.0 48 2219（LY16） 568 440 13.8 30

2.4 铜合金

铜和铜合金在低温下有良好的韧性，但是强度相对较低，热膨胀率高、导热系数大，熔点低，遇到溢出的LNG着火时将失效。由于铜和铜合金的性能和价格问题，很多LNG设备用铜和铜合金被铝和不锈钢替代。

第三，当前我国处于社会矛盾凸显期，刑事犯罪始终居高不下，而相对于刑事案件高发的现实，侦查人员则数量不足。在侦查实践中，侦查人员手中的案件往往都不止一个，基本上都是多个案件同时开展侦查，加之案件侦查必须在法律规定的诉讼时限内完成，这就形成了侦查决策时的时间压力。

Ni含量30%、Fe含量0.5%的C71500白铜和Ni含量10%、Fe含量1.4%的C70600白铜，是低温性能最好的铜合金，其-196℃时的低温性能见表8，但该材料较贵。

农垦经济保持稳步增长态势。预计2018年农垦生产总值8181.68亿元，较上年增加268.06亿元，增长3.39%。粮食和重要农产品产量稳步增长，预计2018年粮食、棉花、糖料、天然橡胶产量分别达到3639.47万吨、219.16万吨、779.61万吨、35.33万吨，分别较上年增加123.98万吨、46.38万吨、20.21万吨、6.23万吨，分别增长3.53%、26.84%、2.66%、21.41%。

锚索形式与规格：锚索材料为Ф22 mm，1×19股高强度低松驰预应力钢绞线，长度6.3 m，树脂加长锚固，采用一支MSK2335和两支MSZ2360树脂药卷锚固，钻孔直径Ф28 mm，锚固长度1 971 mm。

表8 白铜在-196℃时的低温性能

牌号C71500 C70600抗拉强度/MPa 620 495屈服强度/MPa 220 170伸长率/% 断面收缩率/%52 70 50 77缺口冲击强度/MPa 冲击吸收功/J 780 155 600

3 焊材的选取

焊接低温用不锈钢、9%Ni钢、殷瓦合金时，建议焊材采用Ni含量高的AWS A5.11/A5.11M∶2010《手工电弧焊和镍合金焊条标准》规定的ENi-CrFe-2焊条和AWSA5.14/A5.11M∶2011《镍和镍合金光填充丝和焊丝标准》规定的ERNiCrFe-6焊丝。ENiCrFe-2焊条及ERNiCrFe-6焊丝的化学成分见表9。

表9 ENiCrFe-2焊条及ERNiCrFe-6焊丝的化学成分（质量分数） %

项目ENiCrFe-2 ERNiCrFe-6 C≤0.10≤0.08 Mn 1.0～3.5 2.0～2.7 Fe Si≤12.0 ≤0.75≤8.0 ≤0.35 Cu Ni Cr≤0.5 ≥62.0 13.0～17.0≤0.5 ≥67.0 14.0～17.0 Nb Mo 0.5～3.0 0.5～2.5- -Ti-2.5～3.5其他≤0.5≤0.5

4 参考文献

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●简 讯

衡阳华菱钢管有限公司TLM140高品质油套管100%合格 ［发布日期：2018-01-15］ 2018年1月14日，衡阳华菱钢管有限公司（简称华菱衡钢）对1 434支TLM140钢级Φ244.48 mm×11.99 mm规格塔里木高品质油套管进行热处理，性能全部一次合格，物检合格率达到100%。TLM140钢级塔里木高品质油套管属于非API标准产品，此钢级套管适用于6 000 m以下超深井的恶劣环境，要求钢管同时具有高强度与高韧性。

（摘自：衡阳华菱钢管有限公司网站）

天津钢管集团股份有限公司实现高钢级履带起重机臂架管的首次供货 ［发布日期：2017-12-27］ 近日，天津钢管集团股份有限公司开发的TP770C和TP890C钢级履带起重机臂架管通过了浙江三一装备有限公司焊接评价试验，且TP770C钢级4个规格产品首次交付用户。