專利名稱：用于輸送液化天然氣的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于輸送加壓液化天然氣(PLNG)的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，更特別地，本發(fā)明涉及具有管道和其它部分的上述系統(tǒng)，所述管道和其它部分由一種超高強度、低合金鋼制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳并具有大于830Mpa(120ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。
下面的說明書中定義了多種術(shù)語。為方便起見，在緊靠權(quán)利要求書之前提供了一個術(shù)語表。
許多天然氣源位于邊遠(yuǎn)地區(qū)，距任何天然氣的商業(yè)市場都很遠(yuǎn)。有時可利用管道將所生產(chǎn)的天然氣輸送到商業(yè)市場。當(dāng)?shù)缴虡I(yè)市場的管道輸送不可行時，所生產(chǎn)的天然氣通常被處理成用于輸送到市場的LNG。LNG一般通過特別建造的油輪來輸送，然后在一個靠近市場的輸入終點儲存和再蒸發(fā)。用于液化、輸送、儲存和再蒸發(fā)天然氣的設(shè)備通常十分昂貴；包括場地開發(fā)費用，一個典型的常規(guī)LNG項目可耗資五十億至一百億美元。一個典型的“基礎(chǔ)”LNG項目需要的天然氣資源至少為大約280Gm3(10TCF(萬億平方英尺))，而且LNG用戶主要是大型公用設(shè)施。通常，在邊遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)現(xiàn)的天然氣資源小于280Gm3(10TCF)。即使對于符合280Gm3(10TCF)這一最低要求的天然氣資源基地，為了經(jīng)濟(jì)地處理、儲存和輸送LNG形式的天然氣，還是要求所有的參與者，即LNG供應(yīng)商、LNG輸送商以及大型公用設(shè)施LNG用戶進(jìn)行20年或更長時間的十分長期的投資。在潛在LNG用戶有諸如管道天然氣的可替代氣源的地區(qū)，常規(guī)LNG傳輸鏈通常不具有經(jīng)濟(jì)競爭力。
常規(guī)LNG工廠在大約-162℃(-260°F)的溫度下和在大氣壓下生產(chǎn)LNG。典型的天然氣氣流以從大約4830kPa(700psia)至大約7600kPa(1100psia)的壓力和從大約21℃(70°F)至大約38℃(100°F)的溫度進(jìn)入常規(guī)LNG工廠。在一個常規(guī)兩機組LNG工廠中，需要達(dá)大約350,000的致冷馬力來使天然氣的溫度降低至大約-162℃(-260°F)這一非常低的出口溫度。在常規(guī)的LNG處理過程中，必須將水、二氧化碳、諸如硫化氫的含硫化合物、其它酸性氣體、正戊烷以及包括苯的較重?zé)N從天然氣中充分除去，使它們低至百萬分之一份(ppm)的水平，否則這些化合物將會凍結(jié)，在處理設(shè)備中造成堵塞問題。在常規(guī)LNG工廠中，需要氣體處理設(shè)備以除去二氧化碳和酸性氣體。氣體處理設(shè)備通常使用化學(xué)和/或物理溶劑回收過程并需要大量的資金投入。而且，與工廠中其它設(shè)備的操作費用相比，其操作費用較高。需要諸如分子篩的干燥床脫水劑來除去水蒸氣。洗滌塔和分餾設(shè)備被用來除去容易導(dǎo)致堵塞問題的烴。在常規(guī)LNG工廠中還要除去汞，因為它會導(dǎo)致鋁制設(shè)備的破壞。另外，可能存在于天然氣中的大部分的氮經(jīng)過處理后被除去，因為在常規(guī)LNG的輸送過程中氮不會保留在液相中，而且在輸送時LNG容器中含有氮蒸氣是不符合要求的。
在常規(guī)LNG工廠中，為了在極冷的處理溫度下提供必要的斷裂韌性，所使用的容器、管道和其它設(shè)備通常至少是部分由鋁或含鎳鋼(例如，9wt％的鎳)制成。在低溫下具有良好斷裂韌性的昂貴材料，包括鋁和商用含鎳鋼(例如，9wt％的鎳)，除了用在常規(guī)工廠中外，還通常被用于在LNG船中以及在輸入終點容納LNG。
在輸送過程中，典型的常規(guī)LNG船使用被稱為Moss球的巨大的球形容器來儲存LNG。目前這種船每艘的造價高于大約2.3億美元。一個在中東生產(chǎn)LNG并將其輸送到遠(yuǎn)東的典型的常規(guī)項目可能需要7至8艘這樣的船，其總費用大約為16億美元至20億美元。
從上面的討論中可以確定，為了使邊遠(yuǎn)地區(qū)的天然氣資源與可替代能源儲備有效地競爭，需要一種用于處理、儲存以及輸送LNG至商業(yè)市場的更為經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。此外，需要一種使邊遠(yuǎn)地區(qū)較小的天然氣資源商品化的系統(tǒng)，在其它情況下對該資源的開發(fā)可能是不經(jīng)濟(jì)的。另外，需要一種更為經(jīng)濟(jì)的氣化和配送系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使LNG對較小的用戶有經(jīng)濟(jì)上的吸引力。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種用于處理、儲存LNG和將其從邊遠(yuǎn)來源輸送至商業(yè)市場的更經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)，以及顯著地減少儲藏量和市場的臨界規(guī)模，從而使LNG項目經(jīng)濟(jì)上可行。達(dá)到上述目的的一種方法是在與常規(guī)LNG工廠相比更高的壓力和溫度下處理LNG，即在高于大氣壓的壓力下和高于-162℃(-260°F)的溫度下處理LNG。盡管在升高的壓力和溫度下處理、儲存和輸送LNG的一般概念已在工業(yè)文獻(xiàn)中進(jìn)行了討論，這些文獻(xiàn)通常討論用含鎳鋼(例如，9wt％的鎳)或鋁制造輸送容器，這兩種材料可以符合設(shè)計要求，但都十分昂貴。例如，在Witherby&Co.Ltd.出版的《經(jīng)過海洋的天然氣一種新技術(shù)的開發(fā)》(NATURAL GAS BY SEA TheDevelopment of a New Technology)1979年第一版、1993年第二版的第162-164頁中，Roger Ffooks討論了對自由輪Sigalpha(Liberty shipSigalpha)的改裝，以輸送處于1380kPa(200psig)和-115℃(-175°F)的MLG(中等狀態(tài)液化氣)，或在7935kPa(1150psig)和-60℃(-75°F)下處理的CNG(壓縮天然氣)。Ffooks先生指出，盡管技術(shù)上得到了證實，上述兩種方案都找不到“買主”-主要原因是存儲的高額費用。根據(jù)Ffooks先生所參考的一篇關(guān)于此題目的論文，對于CNG服務(wù)，即在-60℃(-75°F)下，設(shè)計目標(biāo)是在操作條件下具有良好強度(760MPa(110ksi))和良好斷裂韌性的一種低合金的、可焊接的、經(jīng)過淬火和回火處理的鋼。(參見R.J.Broeker在1968年芝加哥國際LNG會議(Internatioanl LNGConference)上發(fā)表的“一種用于天然氣輸送的新方法”(A new processfor the transportation of natural gas))。這篇論文還提出，對于MLG操作，即在-115℃(-175°F)這一更低的溫度下，鋁合金是成本最低的合金。而且，F(xiàn)fooks先生在164頁討論了Ocean Phoenix Transport設(shè)計，它在大約414kPa(60psig)這一更低的壓力下工作，其中的儲罐可由9％鎳鋼或鋁合金制造；Ffooks先生再一次指出，該方案好象不能提供使其商業(yè)化的足夠的技術(shù)或經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。還可以參見(i)美國專利3,298,805，它討論了使用一種9％鎳含量的鋼或高強度鋁合金來制造用于輸送壓縮天然氣的容器；以及(ii)美國專利4,182,254，它討論在從-100℃(-148°F)至-140℃(-220°F)的溫度下和4至10個大氣壓(即407kPa(59psia)至1014kPa(147psia))的壓力下用于LNG輸送的由含9％鎳或類似的鋼制成的儲罐；(iii)美國專利3,232,725，它討論在低至-62℃(-80°F)或在某些情況下-68℃(-90°F)的溫度下，以及比在操作溫度下氣體的沸點壓力至少高345kPa(50psi)的壓力下，使用容器來輸送處于密相單流體狀態(tài)的天然氣，其中的容器由諸如1到2％鎳鋼的材料制成，所述鎳鋼經(jīng)過淬火與回火以保證其最終的抗張強度接近120,000psi；以及(iv)由C.P.Bennett于1979年三月在CME上發(fā)表的“在中溫下LNG的海運”，它討論在3.1MPa(450psi)的壓力下以及在-100℃(-140°F)的溫度下，使用儲罐來輸送LNG的個案研究，其中的儲罐由含有9％或3.5％鎳的經(jīng)過淬火和回火的鋼制成并具有9.5英寸的壁厚。
盡管這些概念在工業(yè)文獻(xiàn)中得到了討論，但據(jù)我們所知，目前并沒有在顯著高于大氣壓的壓力下和在顯著高于-162℃(-260°F)的溫度下將LNG商業(yè)化地處理、儲存和輸送。這一現(xiàn)象可能基于的事實是，在上述壓力和溫度下，用于通過海洋或通過陸地來處理、儲存、輸送、以及配送LNG的經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)迄今還沒有被商業(yè)化。
通常被用于低溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的含鎳鋼-例如鎳含量高于大約3wt％的鋼-具有低的DBTTs(此處被定義成一種韌性的量度)，但也具有相對低的抗張強度。典型地，市場上可購得的3.5wt％鎳鋼、5.5wt％鎳鋼和9wt％鎳鋼的DBTTs分別大約為-100℃(-150°F)、-155℃(-250°F)和-175℃(-280°F)，抗張強度可分別達(dá)到大約485MPa(70ksi)、620MPa(90ksi)和830MPa(120ksi)。為達(dá)到這種強度與韌性的組合，這些鋼通常經(jīng)過昂貴的處理，例如雙退火處理。在低溫應(yīng)用的情況下，工業(yè)界目前使用這些商品化的含鎳鋼，原因是它們在低溫下有良好的韌性，但必須在它們較低的抗張強度范圍內(nèi)設(shè)計。這些設(shè)計通常需要過大的鋼厚度以用于負(fù)載支承、低溫應(yīng)用。因此，在負(fù)載支承、低溫應(yīng)用中使用這些含鎳鋼可能是昂貴的，原因是鋼的高額費用與所需鋼的厚度組合在一起。
五個共同未決的美國臨時專利申請(“PLNG專利申請”)都題為“用于處理、儲存和輸送液化天然氣的改進(jìn)的系統(tǒng)”，它們描述了在大約1035kPa(150psia)至大約7590kPa(1100psia)這一寬廣范圍內(nèi)的壓力下，以及在大約-123℃(-190°F)至大約-62℃(-80°F)這一寬廣范圍內(nèi)的溫度下，用于加壓液化天然氣(PLNG)的儲存和海運的容器和油輪。所述PLNG專利申請的最近的優(yōu)先權(quán)日是1998年5月14日，申請人的案卷號是No.97006P4，美國專利和商標(biāo)局(“USPTO”)給予的申請?zhí)柺?0/085467。所述第一個PLNG專利申請的優(yōu)先權(quán)日是1997年6月20日，USPTO給予的申請?zhí)柺?0/050280。所述第二個PLNG專利申請的優(yōu)先權(quán)日是1997年7月28日，USPT0給予的申請?zhí)柺?0/053966。所述第三個PLNG專利申請的優(yōu)先權(quán)日是1997年12月19日，USPT0給予的申請?zhí)柺?0/068226。所述第四個PLNG專利申請的優(yōu)先權(quán)日是1998年3月30日，USPTO給予的申請?zhí)柺?0/079904。然而PLNG專利申請并沒有描述用于PLNG輸送的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
LNG和其它低溫液體，例如液氧、液氫和液氦，通常用卡車從中央處理設(shè)施輸送到最終用戶處。液氮被輸送穿過大學(xué)校園和設(shè)施，例如通過管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輸送。特別的是，由于天然氣清潔燃燒的特點，近幾年LNG的市場增長了。盡管天然氣通常通過一個管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來供應(yīng)，但據(jù)我們所知，目前還沒有用于PLNG的商用管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如果可以用一種更加經(jīng)濟(jì)的方式來輸送和傳送PLNG的話，與LNG相比，以PLNG的形式傳送生產(chǎn)出的天然氣對最終用戶來說是有利的，原因是PLNG被更加經(jīng)濟(jì)地處理過。另外，與CNG相比，PLNG更高的液體密度被轉(zhuǎn)化為在給定體積下更高的產(chǎn)品質(zhì)量或能量。
在低溫下，即在比大約-40℃(-40°F)更低的溫度下，通常用于制造諸如天然氣的流體的商用管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的碳鋼沒有足夠的斷裂韌性。具有比碳鋼好的低溫斷裂韌性的其它材料，例如上面提到的抗張強度達(dá)大約830MPa(120ksi)的商用含鎳鋼(含3.5wt％至9wt％的Ni)、鋁(Al-5083或Al-5085)或不銹鋼，通常被用于制造承受低溫條件的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。而且還可以使用特殊材料，例如鈦合金和特殊的環(huán)氧浸漬的織造玻璃纖維復(fù)合物。這些材料比較昂貴，因此通常使項目在經(jīng)濟(jì)上沒有吸引力。這些缺點使目前在市場上可購得的材料對制造用于PLNG輸送的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言在經(jīng)濟(jì)上沒有吸引力。如PLNG專利申請中所討論的，對適用于PLNG海運的容器的發(fā)現(xiàn)，再結(jié)合目前處理PLNG的能力，使得對于管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求變得十分突出，該系統(tǒng)用于經(jīng)濟(jì)上有吸引力的PLNG和LNG以及其它低溫流體的陸地輸送。
更有成本效益的被以液體形式輸送和配送的天然氣氣源的存在，將在利用天然氣作為燃料來源的能力方面提供明顯的優(yōu)勢。下面是對已經(jīng)存在和正在出現(xiàn)的使用天然氣以得到能源的應(yīng)用的簡短描述，而且所述應(yīng)用將從為了天然氣的陸地輸送和傳送的更為經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)-例如管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)-的存在中明顯地獲益。
在用于天然氣配送的基礎(chǔ)設(shè)施不存在的邊遠(yuǎn)地區(qū)，通常用卡車輸送LNG以滿足燃料需求。另外，對于幾個重要能源項目來說，當(dāng)?shù)氐臈l件正日益使輸送的LNG成為天然氣管道之外的另一個具有經(jīng)濟(jì)競爭性的選擇。為了在阿拉斯加?xùn)|南部的十七個社區(qū)的遠(yuǎn)距離LNG基本負(fù)載系統(tǒng)，一個阿拉斯加天然氣公司曾提出一個兩億美元的項目。該公司還希望從1997年11月起將LNG用卡車從Cook Inlet上的液化工廠輸送到300英里之外的Fairbanks。在東亞利桑那，一個最近的可行性研究顯示，對許多目前無法使用天然氣管道的單獨的社區(qū)來說，遠(yuǎn)距離基本負(fù)載LNG供應(yīng)設(shè)施可以提供一種有吸引力的花費更低的能源解決方案。這些方案以顯著增長的潛力-特別是以改進(jìn)了的輸送系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)情況-為大規(guī)模LNG的輸送和使用提供了新的趨勢。如果存在一種更加經(jīng)濟(jì)的PLNG的陸地輸送方式，例如管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在上述和其它類似的陸地應(yīng)用中，正在出現(xiàn)的PLNG技術(shù)可以使將PLNG用作燃料在經(jīng)濟(jì)上可行。
另外，為保持連續(xù)不間斷的天然氣供應(yīng)，對“可移動管道”-可輸送的LNG/蒸發(fā)器-系統(tǒng)的使用正日益增長。這可以幫助天然氣公司避免服務(wù)中斷并在需求高峰時期，例如寒冷的冬日、地下管道破裂的緊急情況下、天然氣系統(tǒng)的維護(hù)期間，使天然氣持續(xù)流向用戶。取決于具體的應(yīng)用，可將一個LNG蒸發(fā)器安裝或放置在天然氣配送系統(tǒng)上的一個關(guān)鍵地點，當(dāng)操作條件有保證時，將LNG罐車開到此處以提供蒸發(fā)的LNG。據(jù)我們所知，為了在需求高峰時提供附加的天然氣，目前還沒有用于將PLNG-而不是LNG-輸送到上述蒸發(fā)器的商用PLNG管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
最后，據(jù)預(yù)測，許多亞洲的目前和將來主要的LNG進(jìn)口商將提供最大的潛力以將LNG用作機動車燃料(達(dá)到進(jìn)口量的20％)。根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r，用管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將LNG輸送到燃料補給站將是最具吸引力的經(jīng)濟(jì)選擇。特別地，當(dāng)不存在現(xiàn)有的用于天然氣配送的基礎(chǔ)設(shè)施時，具有成本效益的管道配送系統(tǒng)設(shè)計將使PLNG輸送成為一種更具吸引力和經(jīng)濟(jì)的選擇。
存在對有經(jīng)濟(jì)性的系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)用于PLNG的管道配送網(wǎng)絡(luò)輸送，從而使遠(yuǎn)距離的天然氣資源與其它可選擇的能源供應(yīng)更有效地競爭。
因此，本發(fā)明的一個特別的目的是提供一種在比常規(guī)LNG系統(tǒng)顯著提高的壓力和溫度下，用于LNG輸送的經(jīng)濟(jì)的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個目的是提供具有管道和其它部分的上述管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，所述管道和其它部分由具有足夠的強度和斷裂韌性的材料制成以容納所述加壓液化天然氣。
與上述本發(fā)明的目的一致，提供了管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于在大約1035kPa(150psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力下以及在大約-123℃(-190°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下輸送加壓液化天然氣(PLNG)。本發(fā)明的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有管道和其它部分，它們由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳并具有足夠的強度和斷裂韌性以容納所述加壓液化天然氣。上述鋼具有超高強度，例如具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度(見本發(fā)明的定義)和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT(見本發(fā)明的定義)。
通過參考下面的詳細(xì)描述和附圖，將對本發(fā)明的優(yōu)點有更好的理解，附圖中

圖1簡要顯示了一個本發(fā)明的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
圖2A顯示了在給定的裂縫長度下，臨界裂縫深度與CTOD斷裂韌性以及與殘余應(yīng)力的關(guān)系曲線；以及圖2B顯示了一個裂縫的幾何形狀(長度和深度)。
盡管結(jié)合優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進(jìn)行描述，應(yīng)該理解的是本發(fā)明并不限于此。相反地，本發(fā)明意圖包括所有的改動、改進(jìn)以及等同形式，如所附權(quán)利要求書中的定義，它們被包括在本發(fā)明的實質(zhì)和范圍之中。
本發(fā)明涉及用于輸送PLNG的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。提供了管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于在大約1035kPa(150psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力下以及在大約-123℃(-190°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下輸送加壓液化天然氣(PLNG)，其中管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有管道和其它部分，所述管道和其它部分由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳并具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。另外，提供了管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于在大約1725kPa(250psia)至大約4830kPa(700psia)的壓力下以及在大約-112℃(-170°F)至大約-79℃(-110°F)的溫度下輸送加壓液化天然氣，其中管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有管道和其它部分，所述管道和其它部分(i)由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳，并且(ii)具有足夠的強度和斷裂韌性以容納所述加壓液化天然氣。PLNG輸送管道實現(xiàn)本發(fā)明的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)鍵，是適于在大約1035kPa(150psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力下以及在大約-123℃(-190°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下容納和輸送PLNG的管道。優(yōu)選地，在大約1725kPa(250psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力下以及在大約-112℃(-170°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下生產(chǎn)和輸送PLNG。更優(yōu)選地，在大約2415kPa(350psia)至大約4830kPa(700psia)的壓力下以及在大約-101℃(-150°F)至大約-79℃(-110°F)的溫度下生產(chǎn)和輸送PLNG。進(jìn)一步優(yōu)選地，PLNG的壓力和溫度范圍的下限是大約2760kPa(400psia)和大約-96℃(-140°F)。提供了一種用于容納和輸送PLNG的管道，其中所述管道由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳并具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。另外，提供了諸如配件的系統(tǒng)的其它部分，其中所述配件由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳并具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。適用于本發(fā)明的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的存儲容器在PLNG專利申請中得到了更為詳細(xì)的描述。用于制造管道和其它部分的鋼根據(jù)如本發(fā)明所述的已知斷裂力學(xué)原理，用于容納在操作條件下的低溫流體例如PLNG的任何超高強度、低合金鋼可被用于制造本發(fā)明的管道和其它部分，所述鋼含有低于9wt％的鎳并且具有足夠的韌性。用于本發(fā)明的鋼的一個實例(并不因此限制本發(fā)明)是一種可焊接的、超高強度、低合金鋼，它含有低于9wt％的鎳并具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度和足以防止在低溫操作條件下發(fā)生斷裂(即一種破壞現(xiàn)象)的韌性。用于本發(fā)明的鋼的另一個實例(并不因此限制本發(fā)明)是一種可焊接的、超高強度、低合金鋼，它含有低于大約3wt％的鎳并具有至少大約1000MPa(145ksi)的抗張強度和足以防止在低溫操作條件下發(fā)生斷裂(即一種破壞現(xiàn)象)的韌性。優(yōu)選地，這些鋼的實例具有低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。
鋼制造技術(shù)的最近進(jìn)展使得生產(chǎn)具有極好低溫韌性的新型的、超高強度、低合金鋼成為可能。例如，授予Koo等人的三個美國專利5,531,842、5,545,269和5,545,270描述了新型的鋼和用于處理這些鋼的方法，以用來生產(chǎn)具有大約830MPa(120ksi)、965MPa(140ksi)以及更高的抗張強度的鋼板。其中所描述的鋼和處理方法已經(jīng)被改進(jìn)和變動，以提供組合的鋼的化學(xué)性質(zhì)和用于生產(chǎn)超高強度、低合金鋼的方法，當(dāng)被焊接時，所述鋼在基底鋼和在熱影響區(qū)(HAZ)中都有極好的低溫韌性。這些超高強度、低合金鋼還具有比標(biāo)準(zhǔn)的、市場上可購得的、超高強度、低合金鋼改進(jìn)了的韌性。在優(yōu)先權(quán)日為1997年12月19日、美國專利和商標(biāo)局(“USPTO”)給予的申請?zhí)柺?0/068194、題為“具有極好低溫韌性的超高強度的鋼”的一個共同未決的美國臨時專利申請中，在優(yōu)先權(quán)日為1997年12月19日、USPTO給予的申請?zhí)柺?0/068252、題為“具有極好低溫韌性的超高強度的經(jīng)過奧氏體時效處理的鋼”的一個共同未決的美國臨時專利申請中，以及在優(yōu)先權(quán)日為1997年12月19日、USPTO給予的申請?zhí)柺?0/068816、題為“具有極好低溫韌性的超高強度的雙相鋼”的一個共同未決的美國臨時專利申請中(總起來說，“鋼專利申請”)，對改進(jìn)的鋼進(jìn)行了描述。
在鋼專利申請中描述的并在下面的實施例中進(jìn)一步描述的新型鋼，特別適合于制造本發(fā)明的用于儲存和輸送PLNG的容器，因為所述鋼具有下面的特性，優(yōu)選地，對于厚度大約為2.5cm(1英寸)或更厚的鋼板(i)在基底鋼以及在焊接HAZ中，低于大約-73℃(-100°F)、優(yōu)選低于大約-107℃(-160°F)的DBTT；(ii)高于830MPa(120ksi)、優(yōu)選高于大約860MPa(125ksi)、更優(yōu)選高于900MPa(130ksi)的抗張強度；(iii)較好的可焊接性；(iv)在厚度方向上微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)基本一致；以及(v)比標(biāo)準(zhǔn)的、市場上可購得的、超高強度、低合金鋼改進(jìn)了的韌性。更為優(yōu)選地，這些鋼具有高于大約930MPa(135ksi)、或高于大約965MPa(140ksi)、或高于大約1000MPa(145ksi)的抗張強度。第一個鋼的實例如上面所討論的，優(yōu)先權(quán)日為1997年12月19日、題為“具有極好低溫韌性的超高強度的鋼”、USPTO給予的申請?zhí)柺?0/068194的共同未決的美國臨時專利申請?zhí)峁┝藢m用于本發(fā)明的鋼的描述。提供了用于制備超高強度鋼板的方法，所述鋼板具有的微觀結(jié)構(gòu)包括占主體的經(jīng)過回火的細(xì)晶粒的板條狀馬氏體、經(jīng)過回火的細(xì)晶粒的下貝氏體、或它們的混合物，其中該方法包括下列步驟(a)將鋼板坯加熱至一個足夠高的再加熱溫度，從而(i)使鋼板坯充分地均勻化，(ii)充分地溶解鋼板坯中的所有鈮和釩的碳化物和碳氮化物，以及(iii)在鋼板坯中形成細(xì)密的初始奧氏體晶粒；(b)在奧氏體再結(jié)晶的第一溫度范圍內(nèi)，在一個或多個熱軋道次中壓縮鋼板坯以形成鋼板；(c)在低于大約Tnr溫度和高于大約Ar3轉(zhuǎn)化溫度的第二溫度范圍內(nèi)，在一個或多個熱軋道次中進(jìn)一步壓縮鋼板坯；(d)以大約10℃/秒至大約40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷卻速率使鋼板淬火到淬火停止溫度，該溫度大約在MS轉(zhuǎn)化溫度加上200℃(360°F)以下；(e)停止淬火；以及(f)在回火溫度下使鋼回火一段時間，該溫度從大約400℃(752°F)到大約Ac1轉(zhuǎn)化溫度，優(yōu)選至多(但不包括)Ac1轉(zhuǎn)化溫度，這段時間足以導(dǎo)致淬火顆粒的沉淀，淬火顆粒即一種或多種ε-銅、Mo2C、或鈮和釩的碳化物和碳氮化物。足以導(dǎo)致淬火顆粒的沉淀的時間段主要取決于鋼板的厚度、鋼板的化學(xué)性質(zhì)以及回火溫度，而且可以被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所確定。(參見術(shù)語表對占主體的、淬火顆粒、Tnr溫度、Ar3、MS和Ac1轉(zhuǎn)化溫度以及Mo2C的定義。)為確保環(huán)境和低溫溫度下的韌性，該第一鋼實例優(yōu)選具有一種微觀結(jié)構(gòu)，該微觀結(jié)構(gòu)包括占主體的經(jīng)過回火的細(xì)晶粒的下貝氏體、經(jīng)過回火的細(xì)晶粒的板條狀馬氏體、或它們的混合物。優(yōu)選地盡量減少諸如上貝氏體、孿晶型馬氏體以及MA的脆化組分的形成。在該第一鋼實例中以及在權(quán)利要求書中，“占主體的”意思是指至少大約50vol％。更優(yōu)選地，該微觀結(jié)構(gòu)包括至少大約60vol％至大約80vol％的經(jīng)過回火的細(xì)晶粒的下貝氏體、經(jīng)過回火的細(xì)晶粒的板條狀馬氏體、或它們的混合物。進(jìn)一步優(yōu)選地，該微觀結(jié)構(gòu)包括至少大約90vol％的經(jīng)過回火的細(xì)晶粒的下貝氏體、經(jīng)過回火的細(xì)晶粒的板條狀馬氏體、或它們的混合物。最優(yōu)選地，該微觀結(jié)構(gòu)包括基本上100％的經(jīng)過回火的細(xì)晶粒的板條狀馬氏體。
按照該第一鋼實例處理的鋼板坯被以慣常的方式制造，而且在一個實施方案中，該鋼板坯含有鐵和下述合金元素，優(yōu)選以重量范圍顯示在下面的表I中
表I合金元素 范圍(wt％)碳(C)0.04-0.12，更優(yōu)選0.04-0.07錳(Mn) 0.5-2.5，更優(yōu)選1.0-1.8鎳(Ni) 1.0-3.0，更優(yōu)選1.5-2.5銅(Cu) 0.1-1.5，更優(yōu)選0.5-1.0鉬(Mo) 0.1-0.8，更優(yōu)選0.2-0.5鈮(Nb) 0.02-0.1，更優(yōu)選0.03-0.05鈦(Ti) 0.008-0.03，更優(yōu)選0.01-0.02鋁(Al) 0.001-0.05，更優(yōu)選0.005-0.03氮(N)0.002-0.005，更優(yōu)選0.002-0.003有時將釩(V)加入鋼中，優(yōu)選至多大約0.10wt％，更優(yōu)選為大約0.02wt％至大約0.05wt％。
有時將鉻(Cr)加入鋼中，優(yōu)選至多大約1.0wt％，更優(yōu)選為大約0.2wt％至大約0.6wt％。
有時將硅(Si)加入鋼中，優(yōu)選至多大約0.5wt％，更優(yōu)選為大約0.01wt％至大約0.5wt％，進(jìn)一步優(yōu)選為大約0.05wt％至大約0.1wt％。
有時將硼(B)加入鋼中，優(yōu)選至多大約0.0020wt％，更優(yōu)選為大約0.0006wt％至大約0.0010wt％。
鋼中優(yōu)選含有至少大約1wt％的鎳。如需要的話，鋼中的鎳成分可被增至大約3wt％以上以提高其焊接后的性能。每增加1wt％的鎳含量預(yù)期會使鋼的DBTT降低大約10℃(18°F)。鎳含量優(yōu)選低于9wt％，更優(yōu)選低于大約6wt％。優(yōu)選將鎳含量減至最少以使鋼的成本最低。如果鎳的含量被增至超過大約3wt％，錳成分可被減少到低于大約0.5wt％至0.0wt％。因此，廣義地說，至多大約2.5wt％的錳是優(yōu)選的。
另外，優(yōu)選將鋼中的殘渣基本上減到最少。磷(P)成分優(yōu)選低于大約0.01wt％。硫(S)成分優(yōu)選低于大約0.004wt％。氧(O)成分優(yōu)選低于大約0.002wt％。
稍微詳細(xì)一點，根據(jù)該第一鋼實例的鋼的制備方法是形成板坯，它具有此處所述的所要求的組成；將板坯加熱到從大約955℃至大約1065℃(1750°F-1950°F)的溫度；在奧氏體再結(jié)晶的第一溫度范圍內(nèi)，即高于大約Tnr溫度時，在一個或多個道次中熱軋板坯，將其壓縮大約30％至大約70％以形成鋼板，進(jìn)一步在低于大約Tnr溫度和高于大約Ar3轉(zhuǎn)化溫度的第二溫度范圍內(nèi)，在一個或多個道次中熱軋鋼板，將其壓縮大約40％至大約80％。然后以大約10℃/秒至大約40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷卻速率使經(jīng)過熱軋的鋼板淬火到適宜的QST(見術(shù)語表中的定義)，該溫度大約在MS轉(zhuǎn)化溫度加上200℃(360°F)以下，此時淬火被終止。在該第一鋼實例的一個實施方案中，鋼板隨后被空氣冷卻到環(huán)境溫度。該方法被用來產(chǎn)生一種微觀結(jié)構(gòu)，該微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)選包括占主體的細(xì)晶粒的板條狀馬氏體、細(xì)晶粒的下貝氏體、或它們的混合物，或者，更優(yōu)選地包括基本上100％的細(xì)晶粒的板條狀馬氏體。
在該第一鋼實例的鋼中，被直接淬火的馬氏體具有高強度，但通過在從大約400℃(752°F)以上到大約Ac1轉(zhuǎn)化溫度這一合適的溫度下進(jìn)行回火，可以改進(jìn)它的韌性。在這個溫度范圍內(nèi)鋼的回火還導(dǎo)致淬火應(yīng)力的降低，隨之導(dǎo)致韌性的增加。盡管回火可增加鋼的韌性，但通常導(dǎo)致相當(dāng)大的強度損失。在本發(fā)明中，由回火導(dǎo)致的通常的強度損失通過引發(fā)沉淀彌散硬化來彌補。在馬氏體結(jié)構(gòu)的回火過程中，由細(xì)密的銅沉淀和混合的碳化物和/或碳氮化物引起的彌散硬化可被用來優(yōu)化強度和韌性。該第一鋼實例的鋼的獨特的化學(xué)性質(zhì)，使得可以在大約400℃至大約650℃(750°F-1200°F)這一寬范圍內(nèi)進(jìn)行回火而不導(dǎo)致淬火狀態(tài)強度任何明顯的損失。優(yōu)選在回火溫度下使鋼板回火一段時間，該溫度從高于大約400℃(752°F)到低于Ac1轉(zhuǎn)化溫度，這段時間足以導(dǎo)致淬火顆粒(見本發(fā)明的定義)的沉淀。該方法促進(jìn)了鋼板的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成占主體的經(jīng)過回火的細(xì)晶粒的板條狀馬氏體、經(jīng)過回火的細(xì)晶粒的下貝氏體、或它們的混合物。另外，足以導(dǎo)致淬火顆粒的沉淀的時間段主要取決于鋼板的厚度、鋼板的化學(xué)性質(zhì)以及回火溫度，而且可以被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所確定。第二個鋼的實例如上面所討論的，優(yōu)先權(quán)日為1997年12月19日、題為“具有極好低溫韌性的超高強度的經(jīng)過奧氏體時效處理的鋼”、USPTO給予的申請?zhí)柺?0/068252的共同未決的美國臨時專利申請?zhí)峁┝藢m用于本發(fā)明的其它鋼的描述。提供了用于制備超高強度鋼板的方法，所述鋼板具有微層狀的微觀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括大約2vol％到大約10vol％的奧氏體薄層以及大約90vol％到大約98vol％的占主體的細(xì)晶粒的馬氏體和細(xì)晶粒的下貝氏體的板條，所述方法包括下列步驟(a)將鋼板坯加熱至一個足夠高的再加熱溫度，從而(i)使鋼板坯充分地均勻化，(ii)充分地溶解鋼板坯中的所有鈮和釩的碳化物和碳氮化物，以及(iii)在鋼板坯中形成細(xì)密的初始奧氏體晶粒；(b)在奧氏體再結(jié)晶的第一溫度范圍內(nèi)，在一個或多個熱軋道次中壓縮鋼板坯以形成鋼板；(c)在低于大約Tnr溫度和高于大約Ar3轉(zhuǎn)化溫度的第二溫度范圍內(nèi)，在一個或多個熱軋道次中進(jìn)一步壓縮鋼板；(d)以大約10℃/秒至大約40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷卻速率使鋼板淬火到淬火停止溫度(QST)，該溫度在大約MS轉(zhuǎn)化溫度加上100℃(180°F)以下、在大約MS轉(zhuǎn)化溫度以上；以及(e)停止所述淬火。在一個實施方案中，該第二鋼實例的方法進(jìn)一步包括使鋼板從QST空氣冷卻到環(huán)境溫度的步驟。在另一個實施方案中，該第二鋼實例的方法進(jìn)一步包括的步驟是將鋼板空氣冷卻至環(huán)境溫度之前，使鋼板在QST基本上等溫地保持大約5分鐘。在又一個實施方案中，該第二鋼實例的方法還包括的步驟是將鋼板空氣冷卻至環(huán)境溫度之前，使鋼板以低于大約1.0℃/秒(1.8°F/秒)的速率從QST緩慢地冷卻至多大約5分鐘。在又一個實施方案中，本發(fā)明的方法還包括的步驟是將鋼板空氣冷卻至環(huán)境溫度之前，使鋼板以低于大約1.0℃/秒(1.8°F/秒)的速率從QST緩慢地冷卻至多大約5分鐘。該方法促進(jìn)了鋼板的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成大約2vol％到大約10vol％的奧氏體薄層以及大約90vol％到大約98vol％的占主體的細(xì)晶粒的馬氏體和細(xì)晶粒的下貝氏體的板條(參見術(shù)語表對Tnr溫度、Ar3和MS轉(zhuǎn)化溫度的定義。)為確保環(huán)境和低溫溫度下的韌性，在微層狀微觀結(jié)構(gòu)中的板條優(yōu)選包括占主體的下貝氏體或馬氏體。優(yōu)選地盡量減少諸如上貝氏體、孿晶型馬氏體以及MA的脆化組分的形成。在該第二鋼實例中以及在權(quán)利要求書中，“占主體的”意思是指至少大約50vol％。剩余的微觀結(jié)構(gòu)可以包括附加的細(xì)晶粒的下貝氏體、附加的細(xì)晶粒的板條狀馬氏體、或鐵素體。更優(yōu)選地，該微觀結(jié)構(gòu)包括至少大約60vol％至大約80vol％的下貝氏體或板條狀馬氏體。進(jìn)一步優(yōu)選地，該微觀結(jié)構(gòu)包括至少大約90vol％的下貝氏體或板條狀馬氏體。
按照該第二鋼實例處理的鋼板坯被以慣常的方式制造，而且在一個實施方案中，該鋼板坯含有鐵和下述合金元素，優(yōu)選以重量范圍顯示在下面的表II中表Ⅱ合金元素 范圍(wt％)碳(C) 0.04-0.12，更優(yōu)選0.04-0.07錳(MN)0.5-2.5，更優(yōu)選1.0-1.8鎳(Ni)1.0-3.0，更優(yōu)選1.5-2.5銅(Cu)0.1-1.0，更優(yōu)選0.2-0.5鉬(Mo)0.1-0.8，更優(yōu)選0.2-0.4鈮(Nb)0.02-0.1，更優(yōu)選0.02-0.05鈦(Ti)0.008-0.03，更優(yōu)選0.01-0.02鋁(Al)0.001-0.05，更優(yōu)選0.005-0.03氮(N) 0.002-0.005，更優(yōu)選0.002-0.003有時將鉻(Cr)加入鋼中，優(yōu)選至多大約1.0wt％，更優(yōu)選為大約0.2wt％至大約0.6wt％。
有時將硅(Si)加入鋼中，優(yōu)選至多大約0.5wt％，更優(yōu)選為大約0.01wt％至大約0.5wt％，更加優(yōu)選為大約0.05wt％至大約0.1wt％。
有時將硼(B)加入鋼中，優(yōu)選至多大約0.0020wt％，更優(yōu)選為大約0.0006wt％至大約0.0010wt％。
鋼中優(yōu)選含有至少大約1wt％的鎳。如需要的話，鋼中的鎳成分可被增至大約3wt％以上以提高其焊接后的性能。每增加1wt％的鎳含量預(yù)期會使鋼的DBTT降低大約10℃(18°F)。鎳含量優(yōu)選低于9wt％，更優(yōu)選低于大約6wt％。優(yōu)選將鎳含量減至最少以使鋼的成本最低。如果鎳的含量被增至超過大約3wt％，錳成分可被減少到低于大約0.5wt％至0.0wt％。因此，廣義地說，至多大約2.5wt％的錳是優(yōu)選的。
另外，優(yōu)選將鋼中的殘渣基本上減到最少。磷(P)成分優(yōu)選低于大約0.01wt％。硫(S)成分優(yōu)選低于大約0.004wt％。氧(O)成分優(yōu)選低于大約0.002wt％。
稍微詳細(xì)一點，根據(jù)該第二鋼實例的鋼的制備方法是形成板坯，它具有此處所述的所要求的組成；將板坯加熱到從大約955℃至大約1065℃(1750°F-1950°F)的溫度；在奧氏體再結(jié)晶的第一溫度范圍內(nèi)，即高于大約Tnr溫度時，在一個或多個道次中熱軋板坯，將其壓縮大約30％至大約70％以形成鋼板，進(jìn)一步在低于大約Tnr溫度和高于大約Ar3轉(zhuǎn)化溫度的第二溫度范圍內(nèi)，在一個或多個道次中熱軋鋼板，將其壓縮大約40％至大約80％。然后以大約10℃/秒至大約40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷卻速率使經(jīng)過熱軋的鋼板淬火到適宜的QST，該溫度在大約MS轉(zhuǎn)化溫度加上100℃(180°F)以下而在Ms轉(zhuǎn)化溫度以上，此時淬火被終止。在該第二鋼實例的一個實施方案中，在淬火終止后，使鋼板從QST空氣冷卻到環(huán)境溫度。在該第二鋼實例的另一個實施方案中，在淬火終止后，使鋼板在QST基本上等溫地保持一段時間，優(yōu)選至多大約5分鐘，然后空氣冷卻到環(huán)境溫度。在又一個實施方案中，鋼板被以低于空氣冷卻的速率，即以低于大約1℃/秒(1.8°F/秒)的速率，緩慢冷卻，優(yōu)選冷卻至多大約5分鐘。在又一個實施方案中，鋼板被以低于空氣冷卻的速率，即以低于大約1℃/秒(1.8°F/秒)的速率，從QST緩慢冷卻，優(yōu)選冷卻至多大約5分鐘。在該第二鋼實例的至少一個實施方案中，MS轉(zhuǎn)化溫度大約是350℃(662°F)，因此，MS轉(zhuǎn)化溫度加上100℃(180°F)是大約450℃(842°F)。
如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，可以通過任何合適的方法使鋼板在QST基本上保持等溫，例如通過在鋼板上放置一個隔熱層。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，可以通過任何合適的方法使鋼板在淬火被終止后緩慢冷卻，例如通過在鋼板上放置一個保溫層。第三個鋼的實例如上面所討論的，優(yōu)先權(quán)日為1997年12月19日、題為“具有極好低溫韌性的超高強度的雙相鋼”、USPTO給予的申請?zhí)柺?0/068816的共同未決的美國臨時專利申請?zhí)峁┝藢m用于本發(fā)明的其它鋼的描述。提供了用于制備超高強度雙相鋼板的方法，所述鋼板具有一種微觀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括大約10vol％到大約40vol％的第一相，該相是基本上100vol％(即基本上純凈的或“實質(zhì)上的”)的鐵素體，以及大約60vol％到大約90vol％的第二相，該相是占主體的細(xì)晶粒的板條狀馬氏體、細(xì)晶粒的下貝氏體、或它們的混合物，其中所述方法包括下列步驟(a)將鋼板坯加熱至一個足夠高的再加熱溫度，從而(i)使鋼板坯充分地均勻化，(ii)充分地溶解鋼板坯中的所有鈮和釩的碳化物和碳氮化物，以及(iii)在鋼板坯中形成細(xì)密的初始奧氏體晶粒；(b)在奧氏體再結(jié)晶的第一溫度范圍內(nèi)，在一個或多個熱軋道次中壓縮鋼板坯以形成鋼板；(c)在低于大約Tnr溫度和高于大約Ar3轉(zhuǎn)化溫度的第二溫度范圍內(nèi)，在一個或多個熱軋道次中進(jìn)一步壓縮鋼板；(d)在低于大約Ar3轉(zhuǎn)化溫度和高于大約Ar1轉(zhuǎn)化溫度的第三溫度范圍(即內(nèi)臨界溫度(intercritical temperature)范圍)內(nèi)，在一個或多個熱軋道次中進(jìn)一步壓縮所述鋼板；(e)以大約10℃/秒至大約40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷卻速率使所述鋼板淬火到淬火停止溫度(QST)，該溫度在大約MS轉(zhuǎn)化溫度加上200℃(360°F)以下；以及(f)停止所述淬火。在該第三鋼實例的另一個實施方案中，QST優(yōu)選在大約MS轉(zhuǎn)化溫度加上100℃(180°F)以下，更優(yōu)選低于大約350℃(662°F)。在該第三鋼實例的一個實施方案中，在步驟(f)之后使鋼板空氣冷卻到環(huán)境溫度。該方法有利于鋼板的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成大約10vol％到大約40vol％的第一相，該相是鐵素體，以及大約60vol％到大約90vol％的第二相，該相是占主體的細(xì)晶粒的板條狀馬氏體、細(xì)晶粒的下貝氏體、或它們的混合物(參見術(shù)語表對Tnr溫度、Ar3和Ar1轉(zhuǎn)化溫度的定義。)為確保環(huán)境和低溫溫度下的韌性，該第三鋼實例的鋼中的第二相的微觀結(jié)構(gòu)包括占主體的細(xì)晶粒的下貝氏體、細(xì)晶粒的板條狀馬貝氏體、或它們的混合物。優(yōu)選地盡量減少諸如上貝氏體、孿晶型馬氏體以及MA的脆化組分在第二相中的形成。在該第三鋼實例中以及在權(quán)利要求書中，“占主體的”意思是指至少大約50vol％。剩余的第二相的微觀結(jié)構(gòu)可以包括附加的細(xì)晶粒的下貝氏體、附加的細(xì)晶粒的板條狀馬氏體、或鐵素體。更優(yōu)選地，第二相的微觀結(jié)構(gòu)包括至少大約60vol％至大約80vol％的細(xì)晶粒的下貝氏體、細(xì)晶粒的板條狀馬氏體、或它們的混合物。進(jìn)一步優(yōu)選地，第二相的微觀結(jié)構(gòu)包括至少大約90vol％的細(xì)晶粒的下貝氏體、細(xì)晶粒的板條狀馬氏體、或它們的混合物。
按照該第三鋼實例處理的鋼板坯被以慣常的方式制造，而且在一個實施方案中，該鋼板坯含有鐵和下述合金元素，優(yōu)選以重量范圍顯示在下面的表III中表III合金元素 范圍(wt％)碳(C)0.04-0.12，更優(yōu)選0.04-0.07錳(Mn) 0.5-2.5，更優(yōu)選1.0-1.8鎳(Ni) 1.0-3.0，更優(yōu)選1.5-2.5鈮(Nb) 0.02-0.1，更優(yōu)選0.02-0.05鈦(Ti) 0.008-0.03，更優(yōu)選0.01-0.02鋁(Al) 70.001-0.05，更優(yōu)選0.005-0.03氮(N)0.002-0.005，更優(yōu)選0.002-0.003
有時將鉻(Cr)加入鋼中，優(yōu)選至多大約1.0wt％，更優(yōu)選為大約0.2wt％至大約0.6wt％。
有時將鉬(Mo)加入鋼中，優(yōu)選至多大約0.8wt％，更優(yōu)選為大約0.1wt％至大約0.3wt％。
有時將硅(Si)加入鋼中，優(yōu)選至多大約0.5wt％，更優(yōu)選為大約0.01wt％至大約0.5wt％，更加優(yōu)選為大約0.05wt％至大約0.1wt％。
有時將銅(Cu)加入鋼中，優(yōu)選范圍為大約0.1wt％至大約1.0wt％，更優(yōu)選范圍為大約0.2wt％至大約0.4wt％。
有時將硼(B)加入鋼中，優(yōu)選至多大約0.0020wt％，更優(yōu)選為大約0.0006wt％至大約0.0010wt％。
鋼中優(yōu)選含有至少大約1wt％的鎳。如需要的話，鋼中的鎳成分可被增至大約3wt％以上以提高其焊接后的性能。每增加1wt％的鎳含量預(yù)期會使鋼的DBTT降低大約10℃(18°F)。鎳含量優(yōu)選低于9wt％，更優(yōu)選低于大約6wt％。優(yōu)選將鎳含量減至最少以使鋼的成本最低。如果鎳的含量被增至超過大約3wt％，錳成分可被減少到低于大約0.5wt％至0.0wt％。因此，廣義地說，至多大約2.5wt％的錳是優(yōu)選的。
另外，優(yōu)選將鋼中的殘渣基本上減到最少。磷(P)成分優(yōu)選低于大約0.01wt％。硫(S)成分優(yōu)選低于大約0.004wt％。氧(O)成分優(yōu)選低于大約0.002wt％。
稍微詳細(xì)一點，根據(jù)該第三鋼實例的鋼的制備方法是形成板坯，它具有此處所述的所要求的組成；將板坯加熱到從大約955℃至大約1065℃(1750°F-1950°F)的溫度；在奧氏體再結(jié)晶的第一溫度范圍內(nèi)，即高于大約Tnr溫度時，在一個或多個道次中熱軋板坯，將其壓縮大約30％至大約70％以形成鋼板，進(jìn)一步在低于大約Tnr溫度和高于大約Ar3轉(zhuǎn)化溫度的第二溫度范圍內(nèi)，在一個或多個道次中熱軋鋼板，將其壓縮大約40％至大約80％，并且在低于大約Ar3轉(zhuǎn)化溫度和高于大約Ar1轉(zhuǎn)化溫度的內(nèi)臨界溫度范圍內(nèi)，在一個或多個道次中精軋鋼板，將其壓縮大約15％至大約50％。然后以大約10℃/秒至大約40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷卻速率使經(jīng)過熱軋的鋼板淬火到適當(dāng)?shù)拇慊鹜Ｖ箿囟?QST)，該溫度優(yōu)選在大約MS轉(zhuǎn)化溫度加上200℃(360°F)以下，此時淬火被終止。在本發(fā)明的另一個實施方案中，QST優(yōu)選在大約MS轉(zhuǎn)化溫度加上100℃(180°F)以下，更優(yōu)選低于大約350℃(662°F)。在該第三鋼實例的一個實施方案中，在淬火終止后，使鋼板空氣冷卻到環(huán)境溫度。
在上面三個鋼的實例中，由于Ni是一種昂貴的合金元素，鋼中的鎳成分優(yōu)選低于大約3.0wt％，更優(yōu)選低于大約2.5wt％，更優(yōu)選低于大約2.0wt％，進(jìn)一步優(yōu)選低于大約1.8wt％，以使鋼的成本盡量減小。
與本發(fā)明一起應(yīng)用的其它合適的鋼也在其它出版物中得到了描述，其中描述了超高強度、低合金鋼，所述鋼含有低于大約1wt％的鎳，具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度，并具有極好的低溫韌性。例如，這些鋼被描述于出版于1997年2月5日、國際申請?zhí)枮镻CT/JP96/00157、國際公開號為WO96/23909(08.08.1996 Gazette 1996/36)(所述鋼優(yōu)選具有0.1wt％至1.2wt％的銅成分)的歐洲專利申請，優(yōu)先權(quán)日為1997年7月28日、題為“具有極好超低溫韌性的超高強度的、可焊接的鋼”、USPTO給予的申請?zhí)枮镹o.60/053915的未決的美國臨時專利申請。
對于任何上面提到的鋼，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，文中所使用的“厚度壓縮百分率”是指與壓縮前相比，鋼板坯或鋼板的厚度被壓縮的百分率。僅出于解釋的目的，而不由此限制本發(fā)明，大約25.4cm(10英寸)厚的鋼板坯在第一溫度范圍內(nèi)可以被壓縮大約50％(壓縮率是50％)，達(dá)到大約12.7cm(5英寸)的厚度，然后在第二溫度范圍內(nèi)壓縮大約80％(壓縮率是80％)，達(dá)到大約2.5cm(1英寸)的厚度。此外，僅出于解釋的目的，而不由此限制本發(fā)明，大約25.4cm(10英寸)的鋼板坯在第一溫度范圍內(nèi)可以被壓縮大約30％(壓縮率是30％)，達(dá)到大約17.8cm(7英寸)的厚度，然后在第二溫度范圍內(nèi)壓縮大約80％(壓縮率是80％)，達(dá)到大約3.6cm(1.4英寸)的厚度，然后在第三溫度范圍內(nèi)壓縮大約30％(壓縮率是30％)，達(dá)到大約2.5cm(1英寸)的厚度。文中所使用的“板坯”是指一塊具有任何尺寸的鋼。
對于任何上面提到的鋼，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，為了將基本上整個鋼板坯、優(yōu)選將整個鋼板坯的溫度升高到所希望的再加熱溫度，優(yōu)選通過一種合適的方法來再加熱鋼板坯，例如通過將板坯在爐中放置一段時間。或通過實驗，或通過使用合適的模型計算，應(yīng)該用于任何上面提到的鋼組成的特定的再加熱溫度可以很容易地被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所確定。另外，通過參考標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)文獻(xiàn)，將基本上整個鋼板坯、優(yōu)選將整個鋼板坯的溫度升高到所希望的再加熱溫度所需的爐溫和再加熱時間可以很容易地被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所確定。
對于任何上面提到的鋼，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，定義再結(jié)晶范圍和非再結(jié)晶范圍之間界限的溫度，即Tnr溫度，取決于鋼的化學(xué)性質(zhì)，更具體地，取決于軋制前的再加熱溫度、碳濃度、鈮濃度以及在熱軋道次中的壓縮量。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可通過實驗或通過模型計算來確定每一種鋼組成的該溫度。同樣地，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可通過實驗或通過模型計算來確定每一種鋼組成的Ac1、Ar1、Ar3和MS轉(zhuǎn)化溫度。
對于任何上面提到的鋼，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，除了用于基本上整個鋼板坯的再加熱溫度以外，隨后在描述本發(fā)明的處理方法中所參考的溫度都是在鋼表面測定的溫度。鋼表面的溫度可以通過使用例如光測高溫儀或任何其它適用于測定鋼表面溫度的儀器來測定。此處所指的冷卻速率是指在鋼板厚度的中心或基本上中心處的速率；淬火停止溫度(QST)是由于熱量從板的中間厚度傳導(dǎo)，停止淬火后，板表面處達(dá)到的最高或基本上最高的溫度。例如，對所提供的實施例中的鋼組成進(jìn)行實驗性熱處理時，一個熱電偶被置于鋼板厚度的中心或基本上中心處以用于中心溫度測定，而表面溫度通過一個光測高溫儀來測定。中心溫度和表面溫度之間的關(guān)系被研究出來，以便用于隨后的對相同或基本上相同的鋼組成的處理，這樣可以通過直接測定表面溫度來確定中心溫度。而且，通過參考標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)文獻(xiàn)，為達(dá)到所需要的加速的冷卻速率，所需的溫度和淬火流體的流速可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員確定。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員具有必要的知識和技能來使用本發(fā)明所提供的信息生產(chǎn)超高強度、低合金鋼板，所述鋼板具有合適的高強度和韌性以用于制造本發(fā)明的管道和其它部分。其它合適的鋼可能存在，或者在今后被研究出來。所有這些鋼都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員具有必要的知識和技能來使用本發(fā)明所提供的信息生產(chǎn)超高強度、低合金鋼板，與按照本發(fā)明所提供的實施例生產(chǎn)的鋼板的厚度相比，所述鋼板具有改動了的厚度，同時仍能生產(chǎn)用于本發(fā)明的系統(tǒng)中的具有合適高強度和合適低溫韌性的鋼板。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可利用本發(fā)明提供的信息來生產(chǎn)一種鋼板，所述鋼板具有大約2.54cm(1英寸)的厚度以及合適的高強度和合適的低溫韌性，以用于制造本發(fā)明的管道和其它部分。其它合適的鋼可能存在，或者在今后被研究出來。所有這些鋼都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
當(dāng)一種雙相鋼被用于制造本發(fā)明的管道時，優(yōu)選以下述方式處理雙相鋼，即為了產(chǎn)生雙相結(jié)構(gòu)，將鋼在內(nèi)臨界溫度范圍內(nèi)保持一段時間，這時間發(fā)生在加速的冷卻或淬火步驟之前。優(yōu)選地，處理過程是這樣的，即雙相鋼在鋼的冷卻過程中形成，范圍在Ar3轉(zhuǎn)化溫度到大約Ar1轉(zhuǎn)化溫度之間。用于制造本發(fā)明的管道的鋼另一個優(yōu)選之處是，當(dāng)加速的冷卻或淬火步驟剛完成時，即不經(jīng)過任何諸如回火的需要鋼的再加熱的附加處理，鋼具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。更優(yōu)選地，當(dāng)淬火或冷卻步驟剛完成時，鋼的抗張強度高于大約860MPa(125ksi)，更優(yōu)選高于大約900MPa(130ksi)。在一些應(yīng)用中，優(yōu)選當(dāng)淬火或冷卻步驟剛完成時，鋼具有高于大約930MPa(135ksi)、或高于大約965MPa(140ksi)、或高于大約1000MPa(145ksi)的抗張強度。用于制造管道和其它部分的連接方法為了制造本發(fā)明的管道和其它部分，需要一種連接鋼板的合適的方法。任何為本發(fā)明的焊縫提供如上面所討論的足夠的強度和韌性的連接方法都被認(rèn)為是合適的。優(yōu)選地，為制造本發(fā)明的管道和其它部分使用了焊接方法，該方法適于提供足夠的強度和斷裂韌性以容納被容納或運輸?shù)牧黧w。這種焊接方法優(yōu)選包括合適的可消耗線材、合適的可消耗氣體、合適的焊接方法以及合適的焊接步驟。例如，如果使用了合適的可消耗線材-氣體的組合，在鋼制造工業(yè)中為人熟知的氣體保護(hù)金屬極電弧焊(GMAW)以及鎢惰性氣體(TIG)焊都可被用于連接鋼板。
在第一個焊接方法的實施例中，氣體保護(hù)金屬極電弧焊(GMAW)方法被用于生產(chǎn)一種焊接金屬化學(xué)物質(zhì)，它包括鐵和大約0.07wt％的碳、大約2.05wt％的錳、大約0.32wt％的硅、大約2.20wt％的鎳、大約0.45wt％的鉻、大約0.56wt％的鉬、低于大約110ppm的磷以及低于大約50ppm的硫。焊接在鋼上進(jìn)行，例如上述任何一種鋼，使用一種含有低于大約1wt％的氧的氬基保護(hù)氣。焊接輸入熱量在大約0.3kJ/mm至大約1.5kJ/mm(7.6kJ/英寸至38kJ/英寸)的范圍內(nèi)。通過這種方法的焊接提供了一種焊接結(jié)構(gòu)(參見術(shù)語表)，該結(jié)構(gòu)具有高于大約900MPa(130ksi)、優(yōu)選高于大約930MPa(135ksi)、更優(yōu)選高于大約965MPa(140ksi)、進(jìn)一步優(yōu)選至少大約為1000MPa(145ksi)的抗張強度。另外，通過這種方法的焊接提供了一種焊接金屬，該金屬具有低于大約-73℃(-100°F)、優(yōu)選低于大約-96℃(-140°F)、更優(yōu)選低于大約-106℃(-160°F)、進(jìn)一步優(yōu)選低于大約-115℃(-175°F)的DBTT。
在另一個焊接方法的實施例中，GMAW方法被用于生產(chǎn)一種焊接金屬化學(xué)物質(zhì)，它包括鐵和大約0.10wt％的碳(優(yōu)選小于大約0.10wt％的碳，更優(yōu)選從大約0.07到大約0.08wt％的碳)、大約1.60wt％的錳、大約0.25wt％的硅、大約1.87wt％的鎳、大約0.87wt％的鉻、大約0.51wt％的鉬、低于大約75ppm的磷以及低于大約100ppm的硫。焊接輸入熱量在大約0.3kJ/mm至大約1.5kJ/mm(7.6kJ/英寸至38kJ/英寸)的范圍內(nèi)并使用了大約100℃(212°F)的預(yù)熱。焊接在鋼上進(jìn)行，例如上述任何一種鋼，使用一種含有低于大約1wt％的氧的氬基保護(hù)氣。通過這種方法的焊接提供了一種焊接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有高于大約900MPa(130ksi)、優(yōu)選高于大約930MPa(135ksi)、更優(yōu)選高于大約965MPa(140ksi)、進(jìn)一步優(yōu)選至少大約是1000MPa(145ksi)的抗張強度。另外，通過這種方法的焊接提供了一種焊接金屬，該金屬具有低于大約-73℃(-100°F)、優(yōu)選低于大約-96℃(-140°F)、更優(yōu)選低于大約-106℃(-160°F)、進(jìn)一步優(yōu)選低于大約-115℃(-175°F)的DBTT。
在另一個焊接方法的實施例中，鎢惰性氣體焊接(TIG)方法被用于生產(chǎn)一種焊接金屬化學(xué)物質(zhì)，它包括鐵和大約0.07wt％的碳(優(yōu)選小于大約0.07wt％的碳)、大約1.80wt％的錳、大約0.20wt％的硅、大約4.00wt％的鎳、大約0.5wt％的鉻、大約0.40wt％的鉬、大約0.02wt％的銅、大約0.02wt％的鋁、大約0.010wt％的鈦、大約0.015wt％的鋯(Zr)、低于大約50ppm的磷以及低于大約30ppm的硫。焊接輸入熱量在大約0.3kJ/mm至大約1.5kJ/mm(7.6kJ/英寸至38kJ/英寸)的范圍內(nèi)并使用了大約100℃(212°F)的預(yù)熱。焊接在鋼上進(jìn)行，例如上述任何一種鋼，使用一種含有低于大約1wt％的氧的氬基保護(hù)氣。通過這種方法的焊接提供了一種焊接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有高于大約900MPa(130ksi)、優(yōu)選高于大約930MPa(135ksi)、更優(yōu)選高于大約965MPa(140ksi)、進(jìn)一步優(yōu)選至少大約為1000MPa(145ksi)的抗張強度。另外，通過這種方法的焊接提供了一種焊接金屬，該金屬具有低于大約-73℃(-100°F)、優(yōu)選低于大約-96℃(-140°F)、更優(yōu)選低于大約-106℃(-160°F)、進(jìn)一步優(yōu)選低于大約-115℃(-175°F)的DBTT。
通過使用GMAW或TIG焊接方法，可以制造與上面實施例中提到的化學(xué)物質(zhì)類似的焊接金屬化學(xué)物質(zhì)。然而，與GMAW焊接相比，TIG焊接將會有更低的雜質(zhì)含量和更高的精致的微觀結(jié)構(gòu)，從而改進(jìn)了低溫韌性。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員具有使用本發(fā)明所提供信息的必要的知識和技能來焊接超高強度、低合金鋼板，所產(chǎn)生的焊縫具有合適的高強度和斷裂韌性以用于制造本發(fā)明的管道和其它部分。其它合適的連接或焊接方法可能存在，或者在今后被研究出來。所有這些連接或焊接方法都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。管道和其它部分的制造并不由此限制本發(fā)明提供了管道和其它部分，它們(i)由包括超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳，并且(ii)具有足夠的強度和低溫斷裂韌性以容納低溫流體，尤其是PLNG；進(jìn)一步地，提供了管道和其它部分，它們由包括超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳，并且具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT；進(jìn)一步地，提供了管道和其它部分，它們(i)由包括超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于大約3wt％的鎳，并且(ii)具有足夠的強度和低溫斷裂韌性以容納低溫流體，尤其是PLNG；進(jìn)一步地，提供了管道和其它部分，它們(i)由包括超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于大約3wt％的鎳，并且(ii)具有超過大約1000MPa(145ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。這些管道和其它部分優(yōu)選由具有本發(fā)明所描述的極好低溫韌性的超高強度、低合金鋼制造。
本發(fā)明的管道和其它部分優(yōu)選由具有極好低溫韌性的超高強度的、低合金的分離的鋼板制造。在適宜的地方，適宜的管道和其它部分的焊縫優(yōu)選具有與超高強度、低合金鋼板大致相同的強度和韌性。在一些情況下，相當(dāng)于大約5％至大約10％的強度不匹配就可被認(rèn)為是有更低應(yīng)力的位置。具有優(yōu)選性質(zhì)的焊縫可通過任何合適的連接方法來形成。在小標(biāo)題為“用于管道和其它部分制造的連接方法”中，本發(fā)明描述了示范性的連接方法。
如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的，在用于輸送加壓的、低溫流體諸如PNG的管道的設(shè)計中，夏比V型缺口(Charpy V-notch，CVN)試驗可被用于斷裂韌性評估和斷裂控制，尤其是通過使用韌脆性轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)。DBTT描述了結(jié)構(gòu)鋼中的兩種斷裂狀態(tài)。在低于DBTT的溫度下，夏比V型缺口試驗中的破壞傾向于由低能量解理(脆性)斷裂引起，而在高于DBTT的溫度下，破壞傾向于由高能量韌性斷裂引起。用于PLNG的運輸以及用于其它的負(fù)載支承、低溫服務(wù)的由焊接的鋼制造的管道，必須具有適當(dāng)?shù)陀诮Y(jié)構(gòu)的服務(wù)溫度的DBTTs以避免脆性破壞，該DBTTs由夏比V型缺口試驗確定。取決于設(shè)計、服務(wù)條件和/或適宜的分級社的要求，所需的DBTT的溫度變化可以是在服務(wù)溫度以下的5℃至30℃(9°F至54°F)。
如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的，在用于輸送加壓的、低溫流體諸如PLNG的由焊接的鋼制造的管道的設(shè)計中，所要考慮的操作條件除其它條件外還包括操作壓力和溫度以及可能施加在鋼和焊接結(jié)構(gòu)(參見術(shù)語表)上的附加的應(yīng)力。標(biāo)準(zhǔn)的斷裂力學(xué)量度，例如(i)被定義為平面-應(yīng)變斷裂韌性的一種量度的臨界應(yīng)力強度因子(KIC)，以及(ii)可用于測定彈塑性斷裂韌性的裂縫尖端擴(kuò)張位移(CTOD)，它們兩者都為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉，可被用于確定鋼和焊接結(jié)構(gòu)的斷裂韌性。將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中通?？梢越邮艿墓I(yè)規(guī)范，例如，根據(jù)鋼和焊接結(jié)構(gòu)(包括HAZ)的斷裂韌性以及施加在管道上的應(yīng)力，BSI出版物“評估熔焊結(jié)構(gòu)中的可接受裂縫的方法指南”，通常被稱作“PD 64931991”，可被用于確定管道的最大允許裂縫尺寸。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能開發(fā)一種斷裂控制程序以減少斷裂形成，通過(i)適當(dāng)?shù)墓艿涝O(shè)計以盡量減小施加的應(yīng)力；(ii)適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)質(zhì)量控制以盡量減少缺陷；(iii)適當(dāng)控制壽命周期負(fù)載和施加在管道上的壓力，以及(iv)適當(dāng)?shù)臋z查程序以可靠地檢測管道中的裂縫和缺陷。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的，用于本發(fā)明的系統(tǒng)的優(yōu)選的設(shè)計原則是“先漏后壞(leak before failure)”。這些考慮因素在本發(fā)明中通常被稱為“斷裂力學(xué)的已知原理”。
下面是一個非限定性的實施例，在計算給定裂縫長度的臨界裂縫深度的過程中，將這些斷裂力學(xué)的已知原理應(yīng)用于一個斷裂控制計劃以防止在本發(fā)明的管道中發(fā)生斷裂。
圖2B顯示了一個裂縫長度為315、裂縫深度為310的裂縫。根據(jù)下面的管道的設(shè)計條件，使用了PD6493來計算示于圖2A中的臨界裂縫尺寸曲線300中的數(shù)值管道直徑914mm(36in)管道壁厚20mm(0.787in.)操作軸向應(yīng)力0.80(乘以)SMYS＝662 MPa(96ksi)為了本實施例的目的，假設(shè)有一個長度為100mm(4英寸)的表面裂縫，例如位于一個環(huán)形焊縫中的環(huán)形裂縫。現(xiàn)在參考圖2A，曲線300顯示了在殘余應(yīng)力水平為屈服應(yīng)力的15％、25％、50％、75％以及100％時，臨界裂縫深度與CTOD斷裂韌性以及與殘余應(yīng)力的關(guān)系。殘余應(yīng)力可以由制造和焊接產(chǎn)生；除非通過使用諸如焊后熱處理(PWHT)或機械性應(yīng)力消除的技術(shù)使焊縫的應(yīng)力消除之外，PD6493推薦使用的殘余應(yīng)力值是焊縫(包括焊接HAZ)中屈服應(yīng)力的100％。
根據(jù)在最低服務(wù)溫度下的鋼的CTOD斷裂韌性，可以調(diào)整管道的焊接過程來減少殘余應(yīng)力，可以實行一個檢查程序(對初始檢查和服務(wù)中檢查都可)來檢查和測量裂縫以用于與臨界裂縫尺寸相比較。在本實施例中，如果在最低服務(wù)溫度下鋼的CTOD韌性是0.030mm(使用實驗室樣品測定得到)，而且殘余應(yīng)力被減少至鋼屈服強度的15％，那么臨界裂縫深度的值大約是1mm(參見圖2A上的點320)。按照相似的計算步驟，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的，可以確定對應(yīng)于不同的裂縫長度和不同的裂縫幾何形狀的臨界裂縫深度。使用這些信息，可以開發(fā)一個質(zhì)量控制程序和檢查程序(技術(shù)、可檢測的裂縫尺寸、頻率)，以保證在達(dá)到臨界裂縫深度之前或在設(shè)計負(fù)載的應(yīng)用之前檢測出并補救裂縫。根據(jù)已出版的CVN、KIC和CTOD斷裂韌性之間的經(jīng)驗關(guān)系，0.030mm的CTOD韌性通常對應(yīng)的CVN值為大約44J。本實施例不是意圖以任何方式限制本發(fā)明。
對于需要將鋼彎曲成例如用作容器的圓筒狀或用作管道的管狀的管道和其它部分，優(yōu)選在環(huán)境溫度下將鋼彎曲成所需的形狀，目的是避免對鋼的極好的低溫韌性的不利影響。如果在彎曲后為了得到所需的形狀必須將鋼加熱，則優(yōu)選將鋼加熱到不高于大約600℃(1112°F)的溫度，目的是保持如上所述的鋼的微觀結(jié)構(gòu)中的有利影響。
與這些管道和其它部分相聯(lián)系的獨特優(yōu)點在下面得到了詳細(xì)的描述。管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)參見圖1，用于PLNG配送的根據(jù)本發(fā)明的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)10優(yōu)選包括至少一個儲存容器12、至少一條一級配送管道14、以及至少一個目的地16。僅為舉例，并不能限制本發(fā)明，目的地16可以是機動車加油站、生產(chǎn)工廠或位于天然氣管道之上的LNG蒸發(fā)點。圖1中所示的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還具有至少一條二級配送管道18，以及至少一條三級配送管道15。
管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)10被優(yōu)選地設(shè)計，以控制熱滲透進(jìn)入系統(tǒng)，目的是控制PLNG的蒸發(fā)。用本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的方法就可以控制熱滲透，例如用適當(dāng)?shù)谋夭牧虾捅夭牧虾穸葋戆T如第一配送管道14的管道，以及包裹儲存容器12。另外，包括一個再液化器的蒸氣處理設(shè)備(沒有示于圖1中)可被包括在管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)10之中，或者多余的蒸氣可被用于為氣體發(fā)動機帶動的裝置提供燃料。
優(yōu)選通過一個低溫泵(沒有示于圖1中)來泵送PLNG。另外，優(yōu)選在整個管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)10的各個位置使用低溫泵，從而將在系統(tǒng)中泵送的PLNG的壓力-同樣還有溫度-保持在所需的范圍內(nèi)。適宜的低溫泵可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員選擇。優(yōu)選地，在目的地16和系統(tǒng)中的管道例如二級配送管道18之間的單向閥(沒有示于圖1中)防止從目的地16回到管道的逆向流動。本發(fā)明的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個優(yōu)點是PLNG(一種液體)可以被泵送至目的地，從而避免了由壓縮而增加費用，該壓縮與典型天然氣配送系統(tǒng)有關(guān)。
一個典型的PLNG接收終點位于從PLNG油船接收PLNG的海岸。該終點優(yōu)選具有至少一個PLNG儲存容器12和用于蒸發(fā)PLNG的設(shè)備(沒有示于圖1中)。例如，用于具有100個PLNG用戶/配送商(每個一天需要大約3,000加侖PLNG)的典型都市網(wǎng)絡(luò)的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)10包括一條10″一級配送管道14、大約十條3″二級配送管道18以及大約一百條1.5″三級配送管道15。
用于PLNG輸送的上面描述的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的管道和其它部分優(yōu)選由本發(fā)明所描述的任何適宜的超高強度、低合金鋼制成，例如在上面描述的小標(biāo)題為“用于制造管道和其它部分的鋼”中的任何鋼。根據(jù)使用管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的PLNG項目的需要來確定管道和其它部分的尺寸。除了本說明書所提供的信息之外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可使用標(biāo)準(zhǔn)的工程實踐和工業(yè)中可獲得的文獻(xiàn)，用來確定管道和其它部分所需要的尺寸、壁厚等，以及用來制造和操作本發(fā)明的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
本發(fā)明的系統(tǒng)被有利地用于配送/輸送PLNG。另外，本發(fā)明的系統(tǒng)被有利地用于(i)配送/輸送其它加壓的、低溫的流體，(ii)配送/輸送加壓的、非低溫的流體，或(iii)在環(huán)境壓力下配送/輸送低溫的流體。
盡管上面的發(fā)明被以一個或多個優(yōu)選的實施方案的形式描述，應(yīng)該理解的是可以進(jìn)行其它的改動而不背離本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍在下面的權(quán)利要求書中得到了闡明。術(shù)語表Ac1轉(zhuǎn)化溫度 加熱過程中奧氏體開始形成時的溫度；Ac3轉(zhuǎn)化溫度 加熱過程中鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)化完成時的溫度；Ar1轉(zhuǎn)化溫度 冷卻過程中奧氏體向鐵素體或向鐵素體加滲碳體轉(zhuǎn)化完成時的溫度；Ar3轉(zhuǎn)化溫度 冷卻過程中奧氏體開始轉(zhuǎn)化成鐵素體時的溫度；低溫 低于大約-40℃(-40°F)的溫度；CTOD 裂縫尖端擴(kuò)張位移；CVN 夏比V型缺口DBTT(韌脆性描述結(jié)構(gòu)鋼中的兩種斷裂狀態(tài)；在低于DBTT的溫度下，轉(zhuǎn)變溫度)破壞傾向于由低能量解理(脆性)斷裂引起，而在高于DBTT的溫度下，破壞傾向于由高能量韌性斷裂引起；基本上 實質(zhì)上100vol％；Gm3 十億立方米；GMAW 氣體保護(hù)金屬極電弧焊淬火顆粒 ε-銅、Mo2C、或鈮和釩的碳化物和碳氮化物的一種或更多種；HAZ 熱影響區(qū)；內(nèi)臨界溫度 加熱時從大約Ac1轉(zhuǎn)化溫度至大約Ac3轉(zhuǎn)化溫度，冷卻時范圍 從大約Ar3轉(zhuǎn)化溫度至大約Ar1轉(zhuǎn)化溫度；KIC 臨界應(yīng)力強度因子；kJ千焦?fàn)?；kPa 千帕斯卡；ksi 千磅/平方英寸；低合金鋼 一種含有鐵和總量低于大約10wt％的合金添加劑的鋼；MA馬氏體-奧氏體；最大允許臨界裂縫長度和寬度；裂縫尺寸Mo2C 碳化二鉬的一種形態(tài)；MPa 兆帕斯卡；MS轉(zhuǎn)化溫度 冷卻過程中奧氏體開始向馬氏體轉(zhuǎn)化時的溫度；PLNG 加壓液化天然氣；占主體的 至少大約50vol％；ppm 百萬分之一份；psia 磅/平方英寸(絕壓)；淬火 與空氣冷卻相對的任何方式的加速冷卻，借此使用了一種流體，選擇該流體是因為它具有提高鋼的冷卻速率的傾向；淬火(冷卻) 位于板厚度中央或大致中央處的冷卻速率；速率淬火停止 由于熱量從板中間厚度傳導(dǎo)，停止淬火后，板表面處達(dá)溫度 到的最高或基本上最高的溫度；QST 淬火停止溫度；板坯 一塊具有任何尺寸的鋼；TCF 萬億立方英尺；抗張強度 在抗張試驗中，最大負(fù)載與初始橫斷面面積的比值；TIG焊接鎢惰性氣體焊接；Tnr溫度 低于該溫度時，奧氏體不會再結(jié)晶；USPTO 美國專利和商標(biāo)局；以及焊接結(jié)構(gòu) 焊接接頭或焊縫，包括(i)焊接金屬，(ii)熱影響區(qū)(HAZ)，以及(iii)HAZ“鄰近區(qū)域”的母體金屬。被認(rèn)為處于HAZ“鄰近區(qū)域”內(nèi)的母體金屬部分(因而是焊接結(jié)構(gòu)的一部分)隨本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的因素而變化，例如，這些因素有焊接結(jié)構(gòu)的寬度、被焊接物品的尺寸、制造該物品所需的焊接結(jié)構(gòu)的數(shù)目、以及焊接結(jié)構(gòu)之間的距離，但并不限于這些因素。
權(quán)利要求
1.一種適用于管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管道，所述系統(tǒng)用于在大約1035kPa(150psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力下以及在大約-123℃(-190°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下輸送加壓液化天然氣，其中所述管道由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳并具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。
2.一種適用于管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管道，所述系統(tǒng)用于在大約1725kPa(250psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力下以及在大約-112℃(-170°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下輸送加壓液化天然氣，其中所述管道由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳并具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。
3.一種適用于管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管道，所述系統(tǒng)用于在大約1725kPa(250psia)至大約4830kPa(700psia)的壓力下以及在大約-112℃(-170°F)至大約-79℃(-110°F)的溫度下輸送加壓液化天然氣，其中所述管道(i)由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳，并且(ii)具有足夠的強度和斷裂韌性以容納所述加壓液化天然氣。
4.一種適用于管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管道，所述系統(tǒng)用于在大約1725kPa(250psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力下以及在大約-112℃(-170°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下輸送加壓液化天然氣，其中所述管道由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳并具有至少大約1000MPa(145ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4中任一項權(quán)利要求所述的管道，其中所述超高強度、低合金含有低于大約5wt％的鎳。
6.一種適用于管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管道，所述系統(tǒng)用于在大約1725kPa(250psia)至大約7590kpa(1100psia)的壓力下以及在大約-112℃(-170°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下輸送加壓液化天然氣，其中所述管道由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于大約6wt％的鎳并具有高于830MPa(120ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。
7.一種適用于管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管道，所述系統(tǒng)用于在大約1725kPa(250psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力下以及在大約-112℃(-170°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下輸送加壓液化天然氣，其中所述管道由包括一種超高強度、低合金的材料制成，所述鋼含有低于大約3wt％的鎳并具有至少大約1000MPa(145ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。
8.如權(quán)利要求1、2、3、4、5(權(quán)利要求5是一項多項從屬權(quán)利要求)、6或7中任一項所述的管道，它是通過將所述超高強度、低合金鋼的至少一塊獨立的鋼板彎曲和連接在一起而制成的，其中所述管道的焊縫具有高于大約900MPa(130ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。
9.一種管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于在大約1035kPa(150psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力下以及在大約-123℃(-190°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下輸送加壓液化天然氣，其中所述管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有至少一條管道，該管道由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳并具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。
10.權(quán)利要求9的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中所述超高強度、低合金含有低于大約5wt％的鎳。
11.用于將加壓液化天然氣從儲存地輸送到目的地的方法，其中所述加壓液化天然氣具有大約1035kPa(150psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力以及大約-123℃(-190°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度，所述方法包括下列步驟(a)將所述加壓液化天然氣輸送到位于所述儲存地的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的入口，其中所述管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有至少一條管道，該管道由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳并具有大于830Mpa(120ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。(b)將所述加壓液化天然氣用泵輸送到位于所述目的地的所述管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出口。
12.權(quán)利要求11的方法，其中用于把所述加壓液化天然氣轉(zhuǎn)化成氣體的蒸發(fā)設(shè)備與所述管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的所述出口相連。
13.權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括下列步驟(c)將所述氣體輸送到氣體管道。
14.一種系統(tǒng)，用于在大約1035kPa(150psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力下以及在大約-123℃(-190°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下配送加壓液化天然氣，所述系統(tǒng)包括一種具有接收所述加壓液化天然氣的入口的管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中所述管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有至少一條管道，該管道由包括一種超高強度、低合金鋼的材料制成，所述鋼含有低于9wt％的鎳并具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度和低于大約-73℃(-100°F)的DBTT。
15.一種容器，用于在大約1725kPa(250psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力下以及在大約-112℃(-170°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下儲存加壓液化天然氣，所述容器由一種低合金、高強度的鋼制成，所述鋼含有低于大約2wt％的鎳并且具有足夠的強度和斷裂韌性以容納所述加壓液化天然氣。
16.一種適用于管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容器，所述系統(tǒng)用于在大約1725kPa(250psia)至大約7590kPa(1100psia)的壓力下以及在大約-112℃(-170°F)至大約-62℃(-80°F)的溫度下輸送加壓液化天然氣，所述容器由一種低合金、高強度的鋼制成，所述鋼含有低于大約2wt％的鎳并且具有足夠的強度和斷裂韌性以容納所述加壓液化天然氣。
全文摘要
提供了管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),用于在大約1035kpa(150psia)至大約7590kpa(1100psia)的壓力下以及在大約－123℃(－190°F)至大約－62℃(－80°F)的溫度下輸送加壓液化天然氣。管道配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管道和其它部分由一種超高強度、低合金鋼制成,所述鋼含有低于9wt%的鎳并具有大于830MPa(120ksi)的抗張強度和低于大約－73℃(－100°F)的DBTT。
文檔編號F25J1/00GK1270639SQ98806767
公開日2000年10月18日 申請日期1998年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月20日
發(fā)明者R·R·伯溫, M·明塔, J·R·瑞格比 申請人:?？松a(chǎn)研究公司