中国“双碳”背景的推进下，近几年的“煤改气”工程持续，都导致国内天然气需求稳步增长。在全球范围内，天然气作为一种清洁的能源，在多国能源结构中的比重都在逐步加大。中国油气巨头中国石油曾在公告中表示，计划在2030年使国内天然气产量占公司国内一次能源产量的55%。

我国天然气资源极其丰富，但多集中于中、西部地区和海域，导致产地与消耗区远离，引发运输和储存等相关技术问题。如将常压下气态天然气冷却至-162℃以下凝结，形成液态天然气，液化后的天然气仅占原气态体积的1/625，液态天然气便于运输和储存，大大降低了其体积和在储存与运输过程中的成本。

由于液态天然气储运温度在-162℃以下，这就对用于储存液化天然气的材料提出更高的要求，在超低温下具有良好的低温韧性、强度、足够的抗脆性开裂和止裂能力。

用什么来承装呢？

先剧透

目前，在世界上建造的液化天然气（LiquefiedNature Gas，简称LNG）储运设备所使用的材料主要是9Ni钢。

为什么是9Ni钢？为什么用Ni？为什么含9%的Ni？

9Ni钢的出生：

早期，在普通细晶粒低温钢无法满足低温服役要求时，一般使用Ni-Cr系奥氏体不锈钢，但是由于其合金元素含量和材料采购成本高，应用受到很大限制。表1列出石化领域常用低温钢及其使用范围。

表1石化领域液化气的服役温度及所使用的钢材

9Ni钢是1944年开发的w(Ni)=9%的中合金钢，由美国国际镍公司的产品研究实验室研制成功，它是一种低碳调质钢，组织为马氏体加贝氏体。这种钢材在极低温度下具有良好的韧性和高强度，而且与奥氏体不锈钢和铝合金相比，具有热胀系数小，经济性好，并且使用温度最低可达-196℃等特点，9Ni钢板开始大量用于LNG储罐低温工程建造。1969年，日本建造的第一台LNG储罐最大罐容已达20×104m3。2004年，我国首个大型LNG低温储罐项目在广东大鹏开工，以及后来的福建、大连、宁波等地筹建的LNG项目都采用了9Ni钢。迄今为止，9Ni钢在LNG设备中的应用已有近70年的历史。

再来看看9Ni钢出生后，各国“出生证明”的信息---标准信息

美国镍系低温钢主要包括2.25Ni、3.5Ni、5Ni、8Ni和9Ni钢，主要包括SA-203、SA-353、SA-553、SA-645、SA-844等几大标准，其中仅9Ni钢一个钢种的标准就有三个（SA-553、SA-353和SA-844），分为淬火加回火、正火加回火和在线淬火等不同处理工艺，主要用于储存-162℃下的LNG。

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ASME规范要求低温下使用的镍系低温钢要进行低温冲击试验，冲击温度应为受压时的最低温度或储存低温液体的温度二者取其低值。并要求镍系低温钢超过一定厚度应进行焊后热处理。世界各国建造大型低温储罐或低温吸收塔大都使用美国ASME规范的镍系低温钢材。

日本工业标准（JIS）沿用美国ASME规范体系，在JISG3127《低温压力容器用镍钢钢板》中规定了镍含量为2.25~9%的系列低温镍钢钢种，使用温度为-70~-196℃。为了降低焊接残余应力、改善焊缝和热影响区的组织形态,提高焊接接头的低温韧性和淬硬倾向,对于低温容器和管道一般要进行焊后热处理。我国及其它一些国家对低温钢都有较详细的热处理要求，但日本规范规定对本国生产的低温钢都按9Ni钢的标准进行焊后热处理，日本产5~8%钢与其它国家标准中的材料不同,无论哪一种都是以具有-170℃以下良好低温钢几乎相同的性能和使用温度为前提而研制的。

JIS通过试验证明，焊后热处理可使焊接接头部位的韧性大幅度地提高，在熔合区有一定的提高，而在热影响区反而出现了脆化。所以JIS规范规定3.5Ni钢厚度25mm以内的平坦线状对接接头,在-110℃以上使用时，没有必要进行焊后热处理；对于5Ni钢和9Ni钢厚度在35mm以内的平坦线状对接接头,在-170℃以上使用时，没有必要进行焊后热处理。

欧洲压力容器用镍系低温钢体系则不同于美国和日本，主要集中体现在EN10028-4标准中，特点如下：

（1）简化了5Ni钢的成分体系（去除其中的强化元素Mo），修改了力学性能要求，使其远远满足-104℃服役温度下LEG储罐的建造要求，安全裕量较大，受到世界各国LEG储罐建造者的欢迎。显见，如3.5Ni钢和9Ni钢常常采用美国ASME规范生产，唯独专门用来建造LEG运输船的5Ni钢全球各地几乎均采用EN规范生产。

（2）增加了0.5Ni和1.5Ni的品种，使镍系低温钢的应用温度和范围得以向高温区扩大。镍系低温钢发展至今，在低温钢领域占据主导地位，与欧洲对镍钢品种开发、拓展和应用的贡献紧密关联。

（3）细化了产品的技术要求，加严了材料的主要成分和杂质元素控制范围，力学性能尤其是低温冲击功的要求更高，使产品规范的可操作性和执行性更高，以9Ni低温钢为例说明三大标准体系的技术要求，如表2。一般，若采用美国或日本的产品标准，供需双方还需制定要求和细节更为详尽的供货技术条件，而EN10028-4标准基本可作为双方的供货协议的主要框架技术内容。

我国也于2011年制定了第一个9Ni钢国家标准，并于2017年修订扩充了品种牌号。

国际上四大Ni系低温钢标准体系的牌号对照如下表3所示。

*SA-645和G3127-SL5N590为特殊热处理含Mo的5Ni钢，用于满足-170℃服役温度要求，与EN10028-4标准的X12Ni5中5Ni从化学成分、力学性能和应用工况等方面均存在明显的差异，不属于同一种钢种牌号。

Ni元素在低温钢中的作用

良好的低温缺口韧性是低温钢最重要的技术要求。在加入低温钢中的各种合金元素中，Ni是最基本最重要的元素。Ni是非碳化物形成元素，它与C作用时不形成碳化物。随Ni含量的增加，冷却时Ar3点将降低，奥氏体的稳定性提高，当Ni含量足够高时，甚至在-196℃的液氮温度下也不发生γ→α转变，可得到单相奥氏体组织。加入钢中的Ni能与基体形成α固溶体，显著提高铁素体基体的韧性，且增加逆转变（残余）奥氏体的数量，从而提高低温钢的低温韧性。随钢中Ni含量的增加，钢的低温韧性将提高，韧脆转变温度降低，如下图所示。低温钢中添加Ni量的多少取决于钢的使用温度和对低温韧性的要求，Ni含量过高不仅不经济，还会损害钢的焊接等工艺性能。

图 Ni对低温钢韧性的影响

9Ni钢的“成长”

近年来，日本和欧美等工业国家仍然对Ni系低温钢，尤其是9Ni钢进行大量研发和改进，并在原有基础上开发出许多新型改良钢种，已实现小批量应用的“超级9Ni钢”是其中最为典型的品种。随着LNG工程大型化、超大型化的发展趋势，为了保证LNG储罐罐板的安全储量，必须满足：1）在不增加容器壁厚的情况下，必须提高钢板强度；或者2）在提高容器壁厚的条件下，钢板的性能不应有明显下降。日本工业界在后者做了更多的工作。

超级9Ni钢---加Mo钢

加Mo超级9Ni钢在传统9Ni钢的基础上，采用Mo微合金化并限制脆性元素Si含量，改善钢的淬透深度，使最大产品厚度可达50mm以上，且强韧性水平有所提升，数据见表4，尤其是止裂韧性显著上升，安全裕量提高，可满足25万m³以上容量的超大型LNG储罐的建造需求。

超级9Ni钢---加Cu钢

近几十年来，人们对Cu在钢中的作用做了很多的研究，取得了不少成果。将Cu加入钢中，会产生固溶强化和沉淀强化；固溶于钢中，形成并稳定奥氏体；还会改变钢的相变点，从而改变热处理工艺。Cu的加入不仅满足钢的强度要求，同时也能保证良好的低温韧性，这些益处更加激发了人们利用Cu来改善钢的综合性能的兴趣。日本学者尝试在9Ni钢中加入0.5~3.0%左右的Cu，来提高9Ni钢的综合性能。由于强烈的析出强化效应，Cu对9Ni钢强度的影响是显而易见的。研究工作表明，增加1%的Cu元素，可使9Ni钢的屈服强度提高60~90MPa。

（a）强度      （b）Cu析出（3%Cu-9%Ni）

图 Cu的加入对9%Ni钢的影响

另一方面，Cu的加入促进了9Ni钢塑性的提高，尤其是均匀延伸率的提高。随着Cu含量的增加，总延伸率和均匀延伸率均在1.3%Cu时达到最高，而强塑积也在1.3%Cu时达到最大。这种效应与Cu对9%Ni钢中逆转变奥氏体的影响分不开。Cu是扩大奥氏体相区元素，但是不能无限互溶于Fe中，在奥氏体中的最大溶解度约为10.9%。同时，Cu是奥氏体稳定性元素,能提高逆转变奥氏体的含量和稳定性，也可提高钢的淬透性，从而改善钢的低温韧性。

图 Cu对9%Ni钢塑性的影响

研究表明，Cu对9Ni钢上述强韧性的影响规律，与Cu在钢中的时效析出，和对逆转变奥氏体的影响有关。尤其是对逆转变奥氏体的影响，从图可看出，随着Cu含量的增加，逆转变奥氏体呈明显增加趋势。无Cu含量的9Ni钢，其奥氏体含量为9%左右，当Cu含量增加至3%时，逆转变奥氏体量达到14%，增加了近50%。但是到目前为止，含铜9Ni钢中逆转变奥氏体的含量、形态、分布与成分特征等研究工作尚未见系统报道。

图 Cu对9%Ni钢逆转变奥氏体量的影响

节Ni型“9%Ni钢”

与此同时，为了提高应用效果，降低使用成本，通过提高Mn、Mo、Cr等元素的含量，日本开发出6Ni和7Ni低温钢，用来取代9Ni钢，带动了国际上节Ni型9Ni钢的一轮研究热潮。尤其是已开始小批量投入商业运营的7Ni低温钢，采用在线热处理工艺生产，获得和传统9Ni钢相当的强度和低温韧性水平，尤其是低温冲击韧性，一般均能达到200J以上的水平。7Ni钢已经通过日本经贸和工业部的官方评审，并应用于实际LNG低温储罐工程（日本仙北一期LNG工程5号储罐）中，取得了良好的效果。

图 采用7%Ni钢建造日本仙北5#LNG罐

最后，再来看下我国对该类性能材料的市场需求，LNG接收站建设情况。

LNG接收站是我国接收进口LNG资源的重要中转站，其建设情况将直接影响我国的LNG供应能力。根据IGU数据显示，截至2020年末，LNG接收站数量仍为22座，与2019年数量相同。见表6所示，2021年预计投产4300万吨。LNG接收站是接收进口LNG的必要基础设施，9Ni钢是目前广泛应用的建设材料，作为材料人，持续改进材料性能，优化工艺路线，降低材料成本是必行之路。