專利名稱：用于加工、儲存和運(yùn)輸液化天然氣的改進(jìn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于加工、儲存和運(yùn)輸液化天然氣(LNG)的系統(tǒng)，更具體地講涉及在比通常的LNG系統(tǒng)顯著提高的壓力和溫度下用于加工、儲存和運(yùn)輸液化天然氣的的一個新系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在下面的說明中定義了許多術(shù)語。為了方便起見，直接在權(quán)利要求書的前面給出了一個術(shù)語表。
許多天然氣能源位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，它們離任何天然氣使用場所都相當(dāng)遠(yuǎn)。有時可利用輸送管路將生產(chǎn)的天然氣輸送到使用場所。當(dāng)通過管道將天然氣輸送到使用場所不可行時，此時經(jīng)常將生產(chǎn)出的天然氣加工成LNG以便運(yùn)輸?shù)绞袌?。LNG是典型通過特制油輪來運(yùn)輸?shù)模缓笤陔x使用場所附近的輸入端將其儲存和重新汽化。一般而言，用于將天然氣液化、運(yùn)輸、儲存和再次汽化的設(shè)備相當(dāng)昂貴，典型的普通LNG工程可能的成本在50～100億美元，其中包括場地開發(fā)費(fèi)。大型的“地表”LNG工程需要最小的天然氣資源約為280Gm3(10TCF(10萬億立方英尺))而且LNG客戶一般也使用大型設(shè)備。而經(jīng)常在偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)現(xiàn)的天然氣資源卻小于280Gm3(10TCF)。甚至對于滿足最小約為280Gm3(10TCF(10萬億立方米))天然氣資源而言，也要求各方例如LNG供應(yīng)商、LNG運(yùn)輸船和大型設(shè)備的LNG客戶簽訂20年或更多時間的長期合同以便將天然氣以LNG經(jīng)濟(jì)地加工、儲存、運(yùn)輸。只要潛在的LNG客戶具有可供選擇的氣體資源，諸如管道氣體，普通的LNG傳輸鏈經(jīng)常在經(jīng)濟(jì)上不具備競爭力。


圖1給出了一般的LNG工廠在溫度約為-162℃(-260°F)和大氣壓下生產(chǎn)LNG的示意圖。天然氣進(jìn)入一般的LNG廠時的典型壓力為在4830kPa(700psia)～7600kPa(1100psia)且溫度為21℃(70°F)～38℃(100°F)。在一般的兩級LNG廠中，最高約需要350,000制冷馬力才可將天然氣的溫度降到非常低約為-162℃(-260°F)的出口溫度。在一般的LNG生產(chǎn)過程中，必須充分地除去天然氣中的水、二氧化碳、含硫的化合物，如硫化氫，其它酸氣，正戊烷和包括苯的重質(zhì)烴，使其降低到百萬分之幾(ppm)的水平，否則這些混合物將凍結(jié)，從而在加工設(shè)備中引起堵塞。在一般的LNG廠，需要?dú)怏w處理設(shè)備以除去二氧化碳和酸性氣體，所述氣體處理設(shè)備典型采用化學(xué)和/或物理溶劑再生處理，而且這要求有相當(dāng)?shù)馁Y金投入。同時，只要涉及到那些廠中的其它設(shè)備，其實施費(fèi)用高。干床脫水機(jī)，如分子篩，用于脫水汽。洗滌塔和分餾設(shè)備用于去除能夠引起堵塞問題的烴。因為汞能夠?qū)τ射X構(gòu)成的設(shè)備產(chǎn)生破壞，因此在一般的LNG廠中也要將其去除。此外，在天然氣中可能存在的氮，其大部分在加工后都要去除，這是因為氮在一般的LNG運(yùn)輸過程中不會以液相存在，而且不希望在傳輸過程中LNG容器存在氣態(tài)的氮。
一般的LNG廠使用的容器、管路和其它設(shè)備典型至少部分地由鋁或含鎳的鋼(如9％(重量)鎳)制成，以便獲得極端冷加工溫度下的所需的斷裂韌性。除了它們在一般廠中的用途外，在LNG船和輸入端，典型采用具有良好低溫斷裂韌性的昂貴材料，如鋁和含鎳鋼(如9％(重量)鎳)來盛載LNG。
含鎳鋼通常用于低溫結(jié)構(gòu)用途，例如，鎳含量超過3％(重量)的鋼具有低的DBTTs(在這里定義韌性的一種度量方法)，但同時具有相對低的拉伸強(qiáng)度。典型的，通用的3.5％(重量)的鎳、5.5％鎳和9％鎳鋼分別具有-100℃(-140°F)，-155℃(-250°F)和-175℃(-280°F)的DBTTs，而且其拉伸強(qiáng)度最高分別為485MPa(70ksi)、620MPa(90ksi)和830MPa(120ksi)。為了獲得這些強(qiáng)度和韌性的組合，一般這些鋼都進(jìn)行了昂貴的處理，如雙退火處理。在低溫應(yīng)用情況下，目前工業(yè)上之所以采用這些工業(yè)含鎳鋼是因為它們好的低溫韌性，但設(shè)計必須圍繞著它們相對較低的拉伸強(qiáng)度來進(jìn)行。為了滿足承載、低溫用途，這種設(shè)計一般要求鋼的厚度過大。結(jié)合所要求的鋼的厚度而造成的高成本，因此在承載、低溫用途時這些含鎳鋼趨于昂貴。
在運(yùn)輸過程中，典型的一般LNG船使用通稱為Moss球的大型球形容器來儲存LNG。這些船各自的目前成本超過2.3億美元。在中東生產(chǎn)LNG并將其輸送到遠(yuǎn)東，這是一個典型的常規(guī)項目，它可能需要7～8艘這樣的船，其總費(fèi)用大約為16～20億元。
從以上敘述可以確定，仍存在著對于加工、儲存和運(yùn)輸LNG到貿(mào)易市場的更經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)的需求，這使得偏遠(yuǎn)地區(qū)的天然氣資源可與可供選擇的能源進(jìn)行更有效的競爭。而且，偏遠(yuǎn)地區(qū)的小型天然氣需要一個系統(tǒng)使其商業(yè)化，否則這些小型天然氣將因為經(jīng)濟(jì)原因開發(fā)不起來。除此之外，需要更經(jīng)濟(jì)的汽化和運(yùn)輸系統(tǒng)來經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)LNG，從而吸引小客戶。
因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種更經(jīng)濟(jì)的用于加工、儲存、從遙遠(yuǎn)的能源地將LNG運(yùn)輸?shù)劫Q(mào)易市場的系統(tǒng)，而且在于將儲備限度和所需的市場顯著地減少使LNG項目經(jīng)濟(jì)可行的程度。實現(xiàn)這些目標(biāo)的一種途徑是在比通常LNG廠更高的壓力和溫度下來生產(chǎn)LNG，例如在高于大氣壓且溫度高于-162℃(-260°F)。然而在增大的壓力和溫度下，加工、儲存和運(yùn)輸LNG的一般思想已經(jīng)在工業(yè)出版物中討論過了，這些出版物一般討論了用含鎳鋼(如9％(重量)鎳)或鋁制造的運(yùn)輸容器，而且二者均滿足設(shè)計要求，但材料造價極其昂貴。例如在由Witherby&Co.有限公司發(fā)行的1979年第一版、1993年第二版的“海上天然氣”，在其第162～164頁，題為“新技術(shù)的開發(fā)”一文中，Roger Ffooks討論了Liberty船Sigalpha在1380kPa(200psig)和-115℃(-175°F)下運(yùn)輸MLG(中等液化氣)或者在7935kPa(1150psig)和-60℃(-75°F)下運(yùn)輸CNG(壓縮天然氣)所進(jìn)行的變換。Ffooks指出盡管技術(shù)上已經(jīng)得到了證實，但這兩個思想都沒有遇到“買主”—主要由于儲存的費(fèi)用高。根據(jù)Ffooks所參考的一篇關(guān)于CNG用途的文章，例如在-60℃(-75°F)，設(shè)計目標(biāo)為低合金可焊接淬火并回火鋼，該鋼具有好的強(qiáng)度(760MPa(110ksi))和好的操作條件下的斷裂韌性。(參見R.J.Broeker的“運(yùn)輸天然氣的新方法”一文，International LNGConference，Chicago，1968)。這篇論文同時指出對于MLG用途，例如在相當(dāng)?shù)偷臏囟?115℃(-175°F)，鋁合金的成本最低。同時在第164頁的the Oeean Phoenix Transport design中，F(xiàn)fooks討論了對于由9％鎳鋼或鋁合金制成的罐在約為414kPa(60psig)這樣相當(dāng)?shù)偷膲毫ο碌墓ぷ髑闆r；而且再次指出這個思想并沒有顯現(xiàn)出提供商業(yè)化所需的足夠的技術(shù)或資金優(yōu)勢。同時可參見(i)美國專利3298805，該專利討論了使用9％鎳鋼或高強(qiáng)鋁合金來制造用于運(yùn)輸壓縮的天然氣的容器；(ii)美國專利4182254，該專利討論了由9％鎳或類似的鋼制成的油罐運(yùn)輸LNG，LNG處于-100℃(-148°F)～140℃(-220°F)溫度和4～10大氣壓下(例如407kPa(59psia)～1014kPa(147psia))；(iii)美國專利3232725，該專利討論了采用由含1-2％鎳的鋼構(gòu)造的容器運(yùn)輸天然氣，如在溫度為-62℃(-80°F)或某些情況下為-68℃(-90°F)而且壓力至少為345kPa(50psi)的情況下，天然氣處于濃相單一液體狀態(tài)，該壓力高于氣體操作溫度下的沸點(diǎn)壓力，而含1～2％鎳的鋼經(jīng)由如淬火并回火后確保其極限拉伸強(qiáng)度接近120,000psid；(iv)C.P.Bennett發(fā)表的“中溫下LNG的海上運(yùn)輸”，CME March 1979，該文討論了采用儲存油罐運(yùn)輸LNG的研究，LNG處于在3.1Mpa(450psi)和-100℃(-140°F)下，油罐由9％鎳鋼或3.5％鎳經(jīng)淬火并回火的鋼制成，其壁厚為9.5英寸。
盡管這些思想在工業(yè)出版物上進(jìn)行了討論，但據(jù)我們的了解，LNG目前沒有在壓力顯著高于大氣壓和溫度顯著高于-162℃(-260°F)下進(jìn)行商業(yè)化的加工、儲存和運(yùn)輸。這可能是因為迄今為止尚未構(gòu)思出在此壓力和溫度下加工、儲存、運(yùn)輸、配置LNG的經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。
因此，本發(fā)明的一個特殊目的在于提供在比通常的LNG系統(tǒng)顯著提高的壓力和溫度下用于加工、儲存和運(yùn)輸液化天然氣的經(jīng)濟(jì)的得到改善的新系統(tǒng)。
本發(fā)明概述與上面所述的本發(fā)明的目的相一致，提供用于儲存加壓液化天然氣(PLNG)的系統(tǒng)，該加壓液化天然氣處于約為1035kPa(150psia)～7590kPa(1100psia)寬的壓力范圍和約-123℃(-190°F)～-62℃(-80°F)大的溫度范圍下。所述容器由包含了含鎳低于9％的超高強(qiáng)度低合金鋼材料構(gòu)造，該材料具有足夠強(qiáng)度和斷裂韌性來盛載所述的加壓液化天然氣。該鋼具有超高強(qiáng)度，如拉伸強(qiáng)度(如本文所定義)大于830Mpa(120ksi)且DBTT(如本文定義)低于約-73℃(-100°F)。為了將成本減至最低程度，鋼優(yōu)選的鎳含量低于7％(重量)，更選的鎳含量低于5％(重量)。另外，提供用于加工和運(yùn)輸PLNG的系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)在約為1035kPa(150psia)～7590kPa(1100psia)大的壓力范圍和約-123℃(-190°F)～-62℃(-80°F)大的溫度范圍下生產(chǎn)PLNG，而且采用本發(fā)明的容器來儲存和運(yùn)輸PLNG。
本發(fā)明提供用于將天然氣處理加工成PLNG、儲存PLNG和將PLNG運(yùn)輸?shù)接脩粽军c(diǎn)的系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)包括(i)在約為1035kPa(150psia)～7590kPa(1100psia)的壓力范圍和約-123℃(-190°F)～-62℃(-80°F)的溫度范圍下用于將天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)镻LNG的加工廠，其中加工廠基本由下列構(gòu)成(a)接收設(shè)備，它用于接收天然氣流并除去天然氣中的液體烴；(b)脫水設(shè)備，它用于從天然氣中將足夠的水蒸汽除去以避免天然氣凍結(jié)在PLNG溫度和壓力下；(c)液化設(shè)備，它用于將天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)镻LNG；(ii)儲存容器，由含鎳低于9％而且拉伸強(qiáng)度大于830Mpa(120ksi)且DBTT低于約-73℃(-100°F)的超高強(qiáng)度低合金鋼構(gòu)成；(iii)輸出終端(a)包括用于儲存PLNG的儲存容器和用于將PLNG傳輸?shù)皆谶\(yùn)輸船上安裝的運(yùn)輸容器中的設(shè)備，或者可選擇的(b)基本由用于將PLNG傳輸?shù)皆谶\(yùn)輸船上安裝的運(yùn)輸容器中的設(shè)備組成；(iv)用于將PLNG運(yùn)輸?shù)捷斎虢K端的運(yùn)輸船，它包括運(yùn)輸儲存容器，和可選擇地包括安裝在船上的用于將PLNG轉(zhuǎn)換成氣體的汽化設(shè)備(v)輸入終端，(a)包括輸入儲存容器(其中輸入儲存容器為地面基地、或基于浮船或基于近海固定結(jié)構(gòu))用于將PLNG從運(yùn)輸儲存容器傳輸?shù)捷斎雰Υ嫒萜鞯脑O(shè)備和用于將PLNG汽化以便傳輸?shù)焦苈坊蛴脩粼O(shè)備中的設(shè)備，或可選擇的(b)基本由輸入設(shè)備組成(其中輸入設(shè)備為地面基地，或基于浮船或基于近海固定結(jié)構(gòu))，包括用于從運(yùn)輸儲存容器接收PLNG并用于將PLNG轉(zhuǎn)換成氣體并將氣體傳輸?shù)焦苈坊蛴脩粼O(shè)備中的汽化設(shè)備，或可選擇(c)基本由用于通過裝在船上的汽化設(shè)備將PLNG轉(zhuǎn)換成氣體并將所轉(zhuǎn)換的氣體傳輸?shù)皆诖a頭的管路或用戶設(shè)備的設(shè)備組成，或通過在近海處下錨連接例如單錨腿下錨(SALM)來完成。
附圖的簡要描述參照下列詳細(xì)描述和其中的相關(guān)附圖，可更好地了解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
圖1給出了(現(xiàn)有技術(shù))用于生產(chǎn)一般LNG的工廠示意圖。
圖2給出了用于生產(chǎn)本發(fā)明的PLNG的工廠示意圖。
圖3A說明了用于運(yùn)輸本發(fā)明PLNG的一艘示范船的端視圖。
圖3B說明了用于運(yùn)輸本發(fā)明PLNG的一艘示范船的側(cè)視圖。
圖3C說明了用于運(yùn)輸本發(fā)明PLNG的一艘示范船的俯視圖。
圖4A說明了用于運(yùn)輸本發(fā)明PLNG并在船上裝有PLNG汽化器的一艘示范船的端視圖。
圖4B說明了用于運(yùn)輸本發(fā)明PLNG在船上裝有PLNG汽化器的一艘示范船的側(cè)視圖。
圖4C說明了用于運(yùn)輸本發(fā)明PLNG在船上裝有PLNG汽化器的一艘示范船的俯視圖。
圖5A說明了在給定的缺陷長度下的臨界缺陷深度作為CTOD斷裂韌性和殘余應(yīng)力的函數(shù)的曲線。
圖5B說明了缺陷的幾何尺寸(長度和深度)。
同時本發(fā)明將結(jié)合優(yōu)選的實施方案進(jìn)行描述，應(yīng)該理解的是本發(fā)明沒有因此受到限制。相反，正如附上的權(quán)利要求書所述，本發(fā)明試圖覆蓋所有的替代物、修改和等效物，這都包含在本發(fā)明的實質(zhì)和范圍內(nèi)。
本發(fā)明的詳細(xì)描述PLNG儲存容器獲得PLNG工廠和本發(fā)明的運(yùn)輸船系統(tǒng)的關(guān)鍵是用于儲存和運(yùn)輸PLNG的儲存容器，此時的PLNG在約為1035kPa(150psia)～7590kPa(1100psia)的壓力范圍和-123℃(-190°F)～-62℃(-80°F)的溫度范圍下生產(chǎn)。用于PLNG的儲存容器由包含超高強(qiáng)度低合金鋼的材料構(gòu)成，該合金鋼有足夠強(qiáng)度和斷裂韌性來用于本發(fā)明的PLNG的操作條件，例如壓力和溫度。該合金鋼的拉伸強(qiáng)度大于830MPa(120kpsi)，優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度大于860MPa(125kpsi)，更優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度大于900MPa(130kpsi)。在一些應(yīng)用中，優(yōu)選的鋼的拉伸強(qiáng)度高于930MPa(135kpsi)，更優(yōu)選的鋼的拉伸強(qiáng)度高于965MPa(140kpsi)，甚至更優(yōu)選的鋼的拉伸強(qiáng)度約高于為1000MPa(145kpsi)。同時優(yōu)選的鋼的DBTT低于-73℃(-100°F)。此外，提供用于在1725kPa(250psia)～4830kPa(700psia)壓力范圍和-112℃(-170°F)～-79℃(-110°F)溫度范圍下儲存加壓液化天然氣的容器，其中所述的容器(i)由含鎳低于9％的超高強(qiáng)度低合金鋼材料構(gòu)成(ii)該儲存容器有足夠強(qiáng)度和斷裂韌性來盛載所述的加壓液化天然氣。
根據(jù)本發(fā)明用于構(gòu)造容器的超高強(qiáng)度低合金鋼優(yōu)選含有低含量的昂貴合金，例如鎳。優(yōu)選的鎳含量小于9％(重量)，更優(yōu)選的鎳含量小于7％(重量)，更優(yōu)選的鎳含量小于5％(重量)。更優(yōu)選這些鋼含有為提供所需斷裂韌性所必須的最低程度的鎳。優(yōu)選這樣超高強(qiáng)度低合金鋼的鎳含量小于3％(重量)，更優(yōu)選鎳含量小于2％(重量)，甚至更優(yōu)選鎳含量小于1％(重量)。
優(yōu)選地這種鋼可焊接。這些超高強(qiáng)度低合金鋼與當(dāng)前可利用的鋁和工業(yè)含鎳鋼(例如9％(重量))的替代物相比可以更顯著低的成本促進(jìn)用于運(yùn)輸PLNG的容器的構(gòu)成。用于構(gòu)造本發(fā)明儲存容器的鋼優(yōu)選沒有經(jīng)過回火。然而，具有必要的強(qiáng)度和斷裂韌性的回火鋼也可用于構(gòu)造本發(fā)明的儲存容器。
對于熟練的技術(shù)人員而言，這將是很熟悉的，在設(shè)計用于運(yùn)輸加壓的低溫液體，例如PLNG的容器時，采用卻貝V形切口(CVN)測試，更具體地講是通過采用韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)來估計斷裂韌性并控制斷裂。DBTT描述了結(jié)構(gòu)鋼中的兩個斷裂區(qū)域。當(dāng)溫度低于DBTT時，卻貝V形切口測試中的破壞趨向于以低能量解理(脆性)斷裂的形式發(fā)生；當(dāng)溫度高于DBTT時，破壞趨向于以高能量韌性斷裂的形式發(fā)生。由焊接鋼構(gòu)造的容器，該焊接鋼用于運(yùn)輸PLNG和其它承載、低溫使用，正如通過卻貝V形切口測試所確定的，該容器的DBTT必須低于結(jié)構(gòu)的使用溫度以避免發(fā)生脆性斷裂。根據(jù)設(shè)計、使用條件和/或可適用的分類協(xié)會的要求，所要求的DBTT溫度可在低于使用溫度5℃～30℃(9°F～54°F)之間變化。
對于熟練的技術(shù)人員而言，這將是很熟悉的，在設(shè)計由焊接鋼構(gòu)造供運(yùn)輸加壓低溫液體例如PLNG使用的容器時，應(yīng)考慮的操作條件包括操作壓力和溫度以及可能施加到鋼和焊接件(參見術(shù)語表)的附加應(yīng)力。標(biāo)準(zhǔn)的斷裂力學(xué)測試，例如(i)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子(KIC)，它用來測量平面應(yīng)變的斷裂韌性(ii)裂紋尖端張開位移(CTOD)，它可用于測量彈塑性的斷裂韌性，熟練的技術(shù)人員對二者是很熟悉的，二者可以用于鋼和焊接件的斷裂韌性。例如，正如在BSI出版物《熔焊結(jié)構(gòu)中裂紋評估方法的綜述》(“Guidance on methods for assessing theacceptability of flaws in fusion welded structures”)中所介紹的，一般適用于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計的工業(yè)代碼經(jīng)常指定為“PD 64931991”，根據(jù)鋼和焊接件(包括HAZ)和施加到容器上的應(yīng)力的斷裂韌性，它可用于確定容器的最大允許缺陷尺寸。熟練的技術(shù)人員可以通過以下內(nèi)容來開發(fā)斷裂控制程序從而減輕斷裂的發(fā)生，這些包括(i)合理設(shè)計容器以便使施加的應(yīng)力最小(ii)合理控制制造質(zhì)量以便使缺陷達(dá)到最小程度(iii)合理控制所施加的使用期限周期載荷和應(yīng)力(iv)合理的檢測程序以便用于可靠地檢測裂紋和缺陷。用于本發(fā)明系統(tǒng)的優(yōu)選設(shè)計原則是“失效前預(yù)知”，對于熟練的技術(shù)人員而言，這是很熟悉的。這里的這些考慮一般參考了“已知的斷裂力學(xué)原理”。
下列是的一個非限制實例，在一個程序中應(yīng)用這些已知的斷裂力學(xué)原理來計算給定的缺陷長度下的臨界缺陷深度，用于斷裂控制設(shè)計便于防止根據(jù)本發(fā)明的容器產(chǎn)生斷裂。
圖5B給出了一個長315深310的裂紋。根據(jù)下列用于壓力容器的設(shè)計條件，PD 6493用于計算圖5A給出的臨界缺陷尺寸曲線300的值
對于這個實例來說，假定表面缺陷長度為100毫米(4英寸)，例如位于滾焊中的軸向缺陷。參照圖41，對于殘余應(yīng)力水平為15，50和100％的屈服應(yīng)力而言，曲線300給出了臨界缺陷深度的值，它是CTOD斷裂韌性和殘余應(yīng)力的函數(shù)。殘余應(yīng)力可在制造和焊接時產(chǎn)生；而且除非采用例如后焊接熱處理(PWHT)或機(jī)械應(yīng)力釋放將焊接應(yīng)力減輕，PD6493推薦在焊縫中(包括焊接HAZ)采用屈服應(yīng)力100％的殘余應(yīng)力值。
根據(jù)鋼在最低適用溫度下的CTOD斷裂韌性，容器的制造應(yīng)適于降低殘余應(yīng)力，而且可執(zhí)行檢測程序(用于初始檢測和使用期檢測)來將探測并測定的缺陷與臨界缺陷尺寸進(jìn)行比較。在這個實例中，如果鋼在最低服役溫度下的CTOD韌性為0.025毫米(通過實驗試樣測定)而且殘余應(yīng)力減至鋼的屈服應(yīng)力的15％，那么臨界缺陷深度的值約為4毫米(見圖5A中的指向320)。根據(jù)相似的計算過程，這對于熟練的技術(shù)人員是非常熟悉的，臨界缺陷深度可根據(jù)不同的缺陷長度和幾何形狀來確定。通過這個信息，可以開發(fā)質(zhì)量控制程序和檢測程序(技術(shù)、可探測的缺陷尺寸、頻率)來確保缺陷在達(dá)到臨界缺陷深度或在達(dá)到設(shè)計意義的載荷之前將缺陷探測出并進(jìn)行補(bǔ)救。根據(jù)公開的CVN、KIC和CTOD斷裂韌性之間的經(jīng)驗關(guān)系，0.025毫米的CTOD斷裂韌性一般對應(yīng)于37J的CVN值。這個實例決沒有試圖限制這個發(fā)明。
本發(fā)明的容器和其它組件優(yōu)選由具有卓越低溫韌性的超高強(qiáng)度低合金鋼的不連續(xù)板構(gòu)造。這里，容器和其它組件的合適接縫優(yōu)選具有與超高強(qiáng)度低合金鋼板相同的強(qiáng)度和韌性。在一些情況下，強(qiáng)度的不足匹配在數(shù)量級為5％～10％時可認(rèn)為是低應(yīng)力部位。具有優(yōu)選性能的接縫可由任何合適的連接技術(shù)來完成。在此的實例部分描述了典型的連接技術(shù)。尤其優(yōu)選的連接技術(shù)包括氣保護(hù)熔化極電弧焊接(GMAW)和鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)。對于某些操作條件(正如由此實例部分所描述的)，可采用埋弧焊(SAW)、電子束焊(EBW)和激光焊接(LBW)。
PLNG廠上面所描述的儲存容器使本發(fā)明的PLNG生產(chǎn)方法切實可行，該方法在1035kPa(150psia)～7590kPa(1100psia)大的壓力范圍和-123℃(-190°F)～-62℃(-80°F)的大的溫度范圍下生產(chǎn)PLNG，生產(chǎn)和運(yùn)輸PLNG優(yōu)選壓力范圍約為1725kPa(250psia)～7590kPa(1100psia)和溫度范圍-112℃(-170°F)～-62℃(-80°F)。生產(chǎn)和運(yùn)輸PLNG更優(yōu)選壓力范圍約為2415kPa(350psia)～4830Pa(700psia)和溫度范圍-101℃(-150°F)～-79℃(-110°F)。甚至生產(chǎn)和運(yùn)輸PLNG更優(yōu)選壓力下限約為2760kPa(400psia)和溫度下限約為-96℃(-140°F)。在優(yōu)選的范圍內(nèi)，理想的溫度和壓力的組合依賴于正被液化的天然氣的成分和經(jīng)濟(jì)條件。熟練的技術(shù)人員可以通過參考標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)出版物和/或進(jìn)行氣泡溫度平衡計算來確定成分參數(shù)的影響。另外，熟練的技術(shù)人員通過參考標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)出版物來確定和分析不同經(jīng)濟(jì)條件的影響。例如，一個經(jīng)濟(jì)條件便是當(dāng)PLNG溫度變冷時，需要的制冷馬力增加；然而，PLNG增加壓力及降低溫度也使得PLNG密度增大，而且因此減少了必須運(yùn)輸?shù)捏w積。當(dāng)PLNG溫度變高而且壓力增加時，在儲存和運(yùn)輸容器中需要更多的鋼，但制冷成本降低而且工廠的效率提高了。
下面的描述主要集中在本發(fā)明系統(tǒng)與一般用于生產(chǎn)PLNG的系統(tǒng)相比在經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢差異。圖2給出了根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)PLNG的一個示范廠的示意圖。出于比較目的，圖1給出了生產(chǎn)普通LNG的一個示范廠的示意圖。如圖1所示，用于生產(chǎn)普通LNG的一個示范廠包括原料氣體接收設(shè)備62、氣體處理設(shè)備52、脫水/去除汞設(shè)備56、制冷設(shè)備63、原料洗滌塔設(shè)備64、分餾設(shè)備65、液化設(shè)備66和氮剔除設(shè)備54。而在用于本發(fā)明的加工廠中，可令人滿意地使用標(biāo)準(zhǔn)天然氣液化設(shè)備，可以去除普通LNG廠中的幾個步驟，而且大大降低了冷卻天然氣所需的能量。因此在PLNG生產(chǎn)中，在普通的LNG生產(chǎn)中用于提供能量的天然氣能轉(zhuǎn)變成適于銷售的PLNG。參照圖2，PLNG生產(chǎn)步驟優(yōu)選包括(i)用于去除液體烴的原料氣體接收設(shè)備10(ii)脫水設(shè)備12和(iii)液化設(shè)備14。驟冷設(shè)備16和分餾機(jī)組18可用于生產(chǎn)補(bǔ)充液化設(shè)備14使用的制冷劑。液化設(shè)備14所需的部分或全部制冷劑可選擇由其它渠道生產(chǎn)和/或提供。熟知的制冷方法可用于獲得所需的低溫PLNG。這些過程可以包括例如單一的制冷劑、多成分的制冷劑、串級制冷循環(huán)或這些制冷循環(huán)的組合。另外，在制冷過程中可以采用膨脹渦輪。與普通的LNG廠相比，根據(jù)本發(fā)明，在PLNG廠中所必須的制冷馬力的極大減少導(dǎo)致了資金成本的大幅度降低，操作費(fèi)用成比例降低，而且效率和可靠性提高了，這樣在經(jīng)濟(jì)上極大地促進(jìn)了液化天然氣的生產(chǎn)。
用于生產(chǎn)本發(fā)明的PLNG與普通的LNG加工廠生產(chǎn)的比較如下。參照圖1和圖2，因為在PLNG廠8中(圖2)的液化溫度要比普通LNG廠50(圖1)高(普通的LNG廠在約-162℃(-260°F)和大氣壓下生產(chǎn)普通LNG)，氣體處理設(shè)備52(圖1)用于除去可凍結(jié)成分例如二氧化碳、含硫的混合物、正戊烷以上的烴和苯，在普通的LNG廠50中需要有這個設(shè)備，而在PLNG廠中通常不需要有這個設(shè)備，這是因為這些自然產(chǎn)生的成分通常不會凍結(jié)而且由于高的操作溫度不會在PLNG廠的設(shè)備中引起堵塞問題。如果PLNG廠正在生產(chǎn)的天然氣中存在著相當(dāng)高含量的二氧化碳、含硫的混合物、正戊烷以上的烴和苯，如有需要這里可以增加一些氣體處理設(shè)備。另外，氮在普通LNG廠50(在剔除氮設(shè)備54中)中必須去除，因為在運(yùn)輸普通的LNG過程中氮將不保持為液相。在PLNG廠8中，中等程度的氮無需去除，這是因為在PLNG操作壓力和生產(chǎn)溫度下氮與液化的烴一起保持為液相。此外，在普通的LNG廠中50(在汞去除設(shè)備56中)需將汞去除。因為PLNG廠8是在比普通LNG廠50相當(dāng)高的溫度下操作的，而且因此在PLNG廠8的容器、管道和其它設(shè)備中不需要使用鋁，故在PLNG廠8一般不需要汞去除設(shè)備。在天然氣的成分所允許的情況下，這種將所需的氣體處理、氮剔除和汞去除的設(shè)備省略的能力在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上顯示出優(yōu)勢。
在本發(fā)明優(yōu)選的操作壓力和溫度下，可采用含鎳3.5％(重量)的鋼用于在最冷操作地區(qū)PLNG廠8生產(chǎn)管路和設(shè)備，而對于在普通LNG廠50中同樣的設(shè)備，一般需要更昂貴的9％鎳(重量)含量的鋼或鋁。與普通的LNG廠相比，這為PLNG廠8另外顯著降低成本創(chuàng)造了條件。為了在經(jīng)濟(jì)上獲得超過普通LNG廠的優(yōu)勢，優(yōu)選采用在PLNG廠8的操作條件下具有足夠強(qiáng)度和斷裂韌性的高強(qiáng)低合金鋼來構(gòu)造PLNG廠8的管路和相關(guān)組件(例如法蘭、閥門和接頭)、壓力容器和其它設(shè)備。
再次參照圖1，普通LNG廠50生產(chǎn)的LNG由位于輸出終端的一個或多個儲存容器51來儲存?，F(xiàn)在參照圖2，PLNG廠8生產(chǎn)的PLNG可由位于輸出終端一個或多個儲存容器9來儲存，而該儲存容器由本發(fā)明的超高強(qiáng)度低合金鋼構(gòu)造。在本發(fā)明的另外一個實施例中，，PLNG廠8生產(chǎn)的PLNG可傳輸?shù)絇LNG運(yùn)輸船上的一個或多個儲存容器9中，而該儲存容器9由本發(fā)明的超高強(qiáng)度低合金鋼構(gòu)造，對于PLNG運(yùn)輸船，下面將進(jìn)一步給予描述。
根據(jù)這個發(fā)明，PLNG廠可作為一個高峰修整廠來允許以PLNG形式儲存天然氣。例如，普通的LNG輸入終端接收船運(yùn)的LNG，儲存LNG并將LNG汽化以便將其傳輸?shù)綒怏w配置管道網(wǎng)。所儲存的LNG當(dāng)它溫度升高時產(chǎn)生蒸氣(“汽化”)。通常，汽化從LNG儲存容器中分離并伴隨著汽化的LNG傳輸?shù)綒怏w配置管道網(wǎng)。在氣體需求量低的期間，汽化可能超過所需用于傳輸?shù)焦艿谰W(wǎng)的蒸氣體積。在這種情況下，汽化一般進(jìn)行再次液化并以LNG形式儲存直到高峰期需要時為止。采用本發(fā)明，汽化能再次液化成PLNG并將其儲存直到高峰期需要時為止。在另外一個實例中，一家提供給客戶氣體用于家庭和商業(yè)加熱的公司典型在需求高峰期通過汽化LNG得到額外的天然氣以配置給客戶。在高峰修整廠，與其采用LNG不如采用PLNG可能更經(jīng)濟(jì)。
PLNG運(yùn)輸容器本發(fā)明的PLNG運(yùn)輸容器包含由上述超高強(qiáng)度低合金鋼構(gòu)造的儲存容器。PLNG運(yùn)輸容器優(yōu)選海上運(yùn)輸船，例如船，它從PLNG輸出終端到PLNG輸入終端是通過一片水域來進(jìn)行的。PLNG產(chǎn)品的密度低于普通LNG的密度。典型地，PLNG產(chǎn)品的密度約為(或低于)普通LNG的密度的75％。因此，本發(fā)明系統(tǒng)所需的船隊的總運(yùn)輸體積約為用于傳輸普通LNG的普通項目的船隊的125％或更高，這樣便可運(yùn)輸來自更高效率的工廠和來自由低密度所增加的體積而增加的產(chǎn)品。圖3A、3B、和3C給出了為攜帶PLNG而設(shè)計的高能力船的示范。該示范PLNG船30裝有48個頭部半球形的圓柱形儲存容器32。容器也可為球形。正如熟練技術(shù)人員所熟悉的，容器的數(shù)量和尺寸依賴于高強(qiáng)度低合金鋼的實際強(qiáng)度、容器的壁厚和設(shè)計壓力。
估計PLNG船的成本低于普通的LNG船，而且其運(yùn)輸能量顯著大于當(dāng)前運(yùn)輸普通LNG的最大的船。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施例中，容器在約-101℃(-150°F)～-79℃(-110°F)溫度下盛載PLNG，而且這要求采取一些形式的絕熱。目前可采用工業(yè)可得到的具有好的低溫絕熱性能的工業(yè)絕熱材料。
正如在下面輸入終端中所詳細(xì)討論的，PLNG船的設(shè)計在滿足客戶需要和使成本最低的選擇上呈現(xiàn)出靈活性。該船可通過裝載或卸載PLNG來滿足特殊的能力的設(shè)計。它可設(shè)計為在短期內(nèi)(典型為12小時)裝載/卸載或以不超過工廠的生產(chǎn)率的較低的速率裝載/卸載。如圖4A、4B、4C所示，如果客戶希望將它的輸入成本減至最低，PLNG船可設(shè)計為在船上裝有汽化設(shè)備來直接將氣體傳輸給客戶。示范PLNG船40裝有44個儲存容器42和裝在船上的汽化設(shè)備44。
PLNG船比普通的LNG船有許多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括顯著大的運(yùn)輸能力；較低的成本；使裝載能力更容易適于滿足客戶需要的能力；以液體形式傳輸PLNG或?qū)LNG在船上汽化成氣體以用于運(yùn)輸?shù)哪芰?；低的泵送成本，因為PLNG處于比普通LNG的大氣壓(約為100kPa(14.7psia))較高的壓力(2415kPa(350psia)～4830Pa(700psia))下；短的構(gòu)造時間，因為容器和相關(guān)的管路能預(yù)先制造并吊裝到位，因此將裝上船所需的勞動花費(fèi)減至最低。
PLNG輸入和輸出終端PLNG輸出終端可包括碼頭、儲存罐和轉(zhuǎn)運(yùn)泵。PLNG輸入終端可包括碼頭、儲存罐、轉(zhuǎn)運(yùn)泵和汽化設(shè)備。在輸出終端和輸入終端的PLNG儲存容器可優(yōu)選由超高強(qiáng)度低合金鋼構(gòu)造，該合金鋼在本發(fā)明的PLNG系統(tǒng)的包括壓力和溫度的操作條件下具有足夠的強(qiáng)度和韌性。任選地，在PLNG輸出終端和/或輸入終端可省去儲存罐。在輸出終端沒有儲存罐的PLNG系統(tǒng)，生產(chǎn)的PLNG直接從PLNG工廠運(yùn)輸?shù)絇LNG運(yùn)輸船上的運(yùn)輸儲存容器中。在輸入終端沒有儲存罐的PLNG系統(tǒng)，輸入終端基本由汽化設(shè)備組成，或可選擇PLNG船隊上的各個運(yùn)輸船在船上裝有標(biāo)準(zhǔn)的汽化設(shè)備來直接將PLNG轉(zhuǎn)變成管道質(zhì)量氣體。例如對于在輸入終端和輸出終端都沒有儲存容器的情況，需要在PLNG運(yùn)輸船隊中增加兩艘PLNG運(yùn)輸船以超過典型采用輸入和輸出終端運(yùn)輸和傳輸PLNG到市場所需要的船的數(shù)量。因此，當(dāng)其它PLNG運(yùn)輸船正在運(yùn)輸時，所增加的一艘PLNG運(yùn)輸船在輸出終端下錨，或這艘船正在注入或儲存PLNG，而所增加的另外一艘PLNG運(yùn)輸船停泊輸入終端直接將PLNG輸送到市場。在運(yùn)輸船上裝有汽化器時，這種下錨可以在近海，例如單個錨腿下錨(SALM)。這些替代比普通的LNG系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上更優(yōu)越，而且可顯著地降低輸出和輸入終端的成本。
實施例PLNG儲存容器實例正如上面所討論的，根據(jù)本發(fā)明，用于儲存和運(yùn)輸PLNG的容器優(yōu)選由其鎳含量低于9％而且拉伸強(qiáng)度高于830MPa(120ksi)的鋼板來構(gòu)造。根據(jù)上面所解釋的已知的斷裂力學(xué)原理，任何超高強(qiáng)度低合金鋼只要在操作條件下具有足夠的韌性來盛載PLNG，便可用于構(gòu)造本發(fā)明的用于儲存和運(yùn)輸PLNG的容器，優(yōu)選DBTT低于約-73℃(-100°F)的這種鋼。
在鋼鐵制造技術(shù)上的最近進(jìn)展使得制造新的具有卓越低溫韌性的超高強(qiáng)度低合金鋼成為可能。例如，授權(quán)給Koo等人的三個美國專利5531842、5545269和5545270，它們描述了新的鋼和用于加工這些鋼的方法來生產(chǎn)具有拉伸強(qiáng)度約為830MPa(120ksi)、965Mpa(140ksi)或更高的鋼板。為了所制造的超高強(qiáng)度低合金鋼在焊接時，不僅在基體鋼中而且在熱影響區(qū)(HAZ)都具有卓越低溫韌性，在上述文獻(xiàn)中所描述的鋼的和加工方法已經(jīng)得到改進(jìn)。這些超高強(qiáng)度低合金鋼同時具有超過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)可得到的超高強(qiáng)度低合金鋼的改善的韌性。在題為“具有優(yōu)良低溫韌性的超高強(qiáng)度鋼”的共同未決的臨時專利申請中，描述了這種改良鋼，其優(yōu)先權(quán)日為1997年12月19日，該申請被美國美國專利商標(biāo)局(USPTO)確定的申請?zhí)枮?0/068194；在題為“具有優(yōu)良低溫韌性的超高強(qiáng)度奧氏體時效鋼”的共同未決的臨時專利申請中，描述了這種改良鋼，其優(yōu)先權(quán)日為1997年12月19日，該申請被美國美國專利商標(biāo)局(USPTO)確定的申請?zhí)枮?0/068252；在題為“具有優(yōu)良低溫韌性的超高強(qiáng)度雙相鋼”的共同未決的臨時專利申請中，描述了這種改良鋼，其優(yōu)先權(quán)日為1997年12月19日，該申請被美國美國專利商標(biāo)局(USPTO)確定的申請?zhí)枮?0/068816。(以下它們將集體稱為“鋼鐵專利申請”)。
在鋼鐵專利申請中所描述的和下面的實例中所進(jìn)一步描述的新鋼尤其適于構(gòu)造本發(fā)明的用于儲存和運(yùn)輸PLNG的容器，其優(yōu)選厚度約為2.5厘米(1英寸)和更大尺寸的鋼板，因為這些鋼具有下列特性(i)在基體鋼和焊接的熱影響區(qū)，DBTT小于約-73℃(-100°F)，優(yōu)選的DBTT約低于約-107℃(-160°F)。(ii)拉伸強(qiáng)度大于830MPa(120kpsi)，優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度大于860MPa(125kpsi)，更優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度大于900MPa(130kpsi)。(iii)優(yōu)良的可焊性。(iv)沿厚度方向顯微組織和性能充分均勻(v)超過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)可得到的超高強(qiáng)度低合金鋼的韌性的改善的韌性。甚至更優(yōu)選的是，這些鋼的拉伸強(qiáng)度大于930MPa(135kpsi)，或約大于965MPa(140kpsi)或約大于1000MPa(145kpsi)。
第一個鋼實例正如上面所討論的，題為“具有優(yōu)良低溫韌性的超高強(qiáng)度鋼”的共同未決的美國臨時專利申請，其優(yōu)先權(quán)日為1997年12月19日，該申請被美國專利商標(biāo)局(USPTO)確定的申請?zhí)枮?0/068194，該申請?zhí)峁┝诉m于供本發(fā)明使用的鋼的描述。它提供了制備超高強(qiáng)度鋼板的一種方法，這種超高強(qiáng)度鋼板的顯微組織主要包括回火細(xì)晶板條馬氏體、回火細(xì)晶下貝氏體或其混合物，其中該方法包括以下步驟(a)將鋼坯加熱到足夠高的再加熱溫度，使(i)鋼坯充分均勻(ii)所有鈮和釩的碳化物、碳氮化物充分溶解(iii)鋼坯產(chǎn)生細(xì)化的初始奧氏體晶粒；(b)在第一個溫度范圍下，將鋼坯經(jīng)一個或多個道次的熱軋形成鋼板，此時奧氏體發(fā)生再結(jié)晶；(c)在高于Ar3轉(zhuǎn)變溫度且低于Tnr溫度的范圍下，經(jīng)一個或多個道次熱軋將鋼板進(jìn)一步軋制變形；(d)以10℃/秒～40℃/秒(18°F/秒～72°F/秒)的冷卻速率淬火鋼板，使其達(dá)到淬火停止溫度，該淬火停止溫度低于Ms轉(zhuǎn)變溫度加上200℃(360°F)的值；(e)停止淬火；(f)將鋼板回火處理，回火溫度約為400℃(752°F)～Ac1轉(zhuǎn)變溫度，優(yōu)選的回火溫度接近Ac1轉(zhuǎn)變溫度，但不包括Ac1轉(zhuǎn)變溫度，給定充足的回火時間以便產(chǎn)生硬化粒子的析出，例如這些硬化粒子可以是ε-銅，Mo2C，或鈮和釩的碳化物和碳氮化物。產(chǎn)生硬化粒子析出的充足時間主要依賴于鋼板的厚度、鋼板化學(xué)成分和回火溫度，而且這個時間可由熟練的技術(shù)人員來確定。(參見術(shù)語表中主要的有關(guān)硬化粒子、Tnr溫度、Ar3轉(zhuǎn)變溫度、Ms轉(zhuǎn)變溫度、Ac1轉(zhuǎn)變溫度和Mo2C的定義)為了確保在室溫和低溫下的韌性，根據(jù)這個第一個鋼實例，優(yōu)選具有這樣顯微組織的鋼，顯微組織主要包括回火細(xì)晶板條馬氏體、回火細(xì)晶下貝氏體或其混合物。優(yōu)選充分使形成的脆性成分如上貝氏體、孿生馬氏體和MA減至最小程度。正如這個第一個鋼實例所采用的，在權(quán)利要求書中，“主要”指的是至少為50％(體積)。更優(yōu)選的是，顯微組織至少包括60％～80％(體積)回火細(xì)晶板條馬氏體、回火細(xì)晶下貝氏體或其混合物。甚至更優(yōu)選的是顯微組織至少包括90％(體積)回火細(xì)晶板條馬氏體、回火細(xì)晶下貝氏體或其混合物。最優(yōu)選的是完全包括100％(體積)回火細(xì)晶板條馬氏體的顯微組織。
在一個實施例中，根據(jù)這個第一個鋼實例加工的鋼坯在通常方式下進(jìn)行制造，該鋼坯包含鐵和下列合金元素，優(yōu)選下列表I中給出的重量范圍
表I<
>有時在鋼中添加釩(V)，優(yōu)選的釩含量不超過約0.10％(重量)，更優(yōu)選的釩含量為0.02％(重量)～0.05％(重量)。
有時在鋼中添加鉻(Cr)，優(yōu)選的鉻含量不超過約1.0％(重量)，更優(yōu)選的鉻含量為0.2％(重量)～0.6％(重量)。
有時在鋼中添加硅(Si)，優(yōu)選的硅含量不超過約0.5％(重量)，更優(yōu)選的硅含量為0.01％(重量)～0.5％(重量)，甚至更優(yōu)選的硅含量為0.05％(重量)～0.1％(重量)。
有時在鋼中添加硼(B)，優(yōu)選的硼含量約高達(dá)0.0020％(重量)，更優(yōu)選的硼含量為0.0006％(重量)～0.0010％(重量)。
優(yōu)選至少包含1％(重量)鎳的鋼。如果期望提高焊接后的性能，鋼中的鎳含量可增加到約為3％以上。鎳的重量每增加1％，鋼的DBTT預(yù)計降低10℃(18°F)。鎳含量優(yōu)選低于9％(重量)，更優(yōu)選的鎳含量低于6％(重量)。為了降低鋼的成本，優(yōu)選的鎳含量為最低程度的含量。如果鎳含量增加到超過3％(重量)，錳含量可能降低到0.5％(重量)～0.0％(重量)。因此，從更廣的意義上而言，優(yōu)選的錳含量最高約為2.5％(重量)。
另外，在鋼中的剩余物的含量優(yōu)選為盡可能低。磷(P)的含量優(yōu)選為小于0.01％(重量)。硫(S)的含量優(yōu)選為小于0.004％(重量)。氧(O)的含量優(yōu)選為小于0.002％(重量)。
稍微更詳細(xì)一點(diǎn)，這里所描述根據(jù)這個第一個實例的鋼，它的制備過程為首先形成所需成分的坯料；然后將坯料加熱到約955℃～1065℃(1750°F～1950°F)；在第一個溫度范圍下，例如高于Tnr溫度，將鋼坯經(jīng)一個或多個道次的熱軋形成鋼板，其軋制壓縮比為30～70％，此時奧氏體發(fā)生再結(jié)晶；然后在高于Ar3轉(zhuǎn)變溫度且低于Tnr溫度的第二溫度范圍下，經(jīng)一個或多個道次將鋼板進(jìn)一步熱軋變形，其軋制壓縮比為40～80％。隨后以10℃/秒～40℃/秒(18°F/秒～-72°F/秒)的冷卻速率淬火熱軋鋼板，使其達(dá)到合適的QST(術(shù)語表中已定義)，該淬火停止溫度低于Ms轉(zhuǎn)變溫度加上200℃(360°F)的值，此時停止淬火。在這個第一個鋼實施例中，隨后將鋼板空冷至室溫。這個過程用于生產(chǎn)優(yōu)選主要包括細(xì)晶板條馬氏體、細(xì)晶下貝氏體或其混合物的顯微組織，或更優(yōu)選的完全包括100％細(xì)晶板條馬氏體的顯微組織。
根據(jù)這個第一個鋼實例，鋼中直接淬火得到的馬氏體具有高的強(qiáng)度，但在約為400℃(752°F)～Ac1轉(zhuǎn)變溫度之間進(jìn)行回火，可改善它的韌性。在這個溫度范圍內(nèi)對鋼進(jìn)行回火同時會減少淬火應(yīng)力，而淬火應(yīng)力的減少反過來會提高韌性。在回火能提高鋼的韌性的同時，通常會導(dǎo)致顯著損失鋼的強(qiáng)度。在本發(fā)明中，可通過析出強(qiáng)化來彌補(bǔ)回火所造成的強(qiáng)度損失。在馬氏體結(jié)構(gòu)的回火過程中，細(xì)化銅的沉淀和混合的碳化物和/或碳氮化合物產(chǎn)生的彌散強(qiáng)化用于優(yōu)化強(qiáng)度和韌性。這個第一個鋼實例的鋼的獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)允許回火在400℃～650℃(752°F～1200°F)大的溫度范圍下進(jìn)行，而此時淬火得到的強(qiáng)度并沒有任何明顯的損失。鋼板優(yōu)選在400℃(752°F)～低于Ac1轉(zhuǎn)變的溫度下回火足夠時間以便析出硬化粒子(如本文所定義)。這個處理促使鋼板的顯微組織轉(zhuǎn)變到主要為回火細(xì)晶板條馬氏體、回火細(xì)晶下貝氏體或其混合物。此外，引起析出硬化粒子的充足時間主要依賴于鋼板的厚度、化學(xué)成分和回火溫度，而且這個時間可由熟練的技術(shù)人員來確定。
第二個鋼實例正如上面所討論的，題為“具有優(yōu)良低溫韌性的超高強(qiáng)度馬氏體時效鋼”的共同未決的臨時專利申請，其優(yōu)先權(quán)日為1997年12月19日，被美國專利商標(biāo)局(USPTO)確定的申請?zhí)枮?0/068252，該申請?zhí)峁┝诉m于供本發(fā)明使用的鋼的描述。它提供了制備超高強(qiáng)度鋼板的一種方法，這種超高強(qiáng)度鋼板具有微觀層狀顯微組織，該顯微組織包括2％(體積)～10％(體積)的奧氏體薄膜層和90％(體積)～98％(體積)的主要細(xì)晶板條馬氏體和細(xì)晶下貝氏體，所述的方法包括以下步驟(a)將鋼坯加熱到足夠高的再加熱溫度，使(i)鋼坯充分均勻(ii)基本上所有鈮和釩的碳化物、碳氮化物充分溶解(iii)鋼坯產(chǎn)生細(xì)化的初始奧氏體晶粒；(b)在第一個溫度范圍下，將鋼坯經(jīng)一個或多個道次的熱軋形成鋼板，此時奧氏體發(fā)生再結(jié)晶；(c)在高于Ar3轉(zhuǎn)變溫度而低于Tnr溫度的第二個范圍下，經(jīng)一個或多個道次將鋼板進(jìn)一步熱軋變形；(d)以10℃/秒～40℃/秒(18°F/秒～72°F/秒)的冷卻速率淬火鋼板，使其達(dá)到淬火停止溫度(QST)，該淬火停止溫度低于Ms轉(zhuǎn)變溫度加上100℃(180°F)的值；(e)停止淬火。在一個實施例中，這個第二個鋼實例的方法而且包括將鋼板從QST空冷到室溫這個步驟。在另外一個實施例中，這個第二個鋼實例的方法而且包括在將鋼板空冷到室溫前要將鋼板保持在QST基本等溫高達(dá)5分鐘這個步驟。而在另外一個實施例中，這個第二個鋼實例的方法而且包括在將鋼板空冷到室溫前從QST開始以1.0℃/秒(1.8°F/秒)的速率緩慢冷卻鋼板，冷卻時間最高達(dá)5分鐘。而在另外一個實施例中，本發(fā)明的方法而且包括在將鋼板空冷到室溫前從QST開始以低于1.0℃/秒(1.8°F/秒)的速率緩慢冷卻鋼板最高達(dá)5分鐘。這種處理促使鋼板的微觀組織的轉(zhuǎn)變?yōu)?％(體積)～10％(體積)的奧氏體薄膜層和90％(體積)～98％(體積)的主要細(xì)晶板條馬氏體和細(xì)晶下貝氏體。(參見術(shù)語表中有關(guān)Tnr溫度、Ar3轉(zhuǎn)變溫度、Ms轉(zhuǎn)變溫度的定義)為了確保室溫和低溫下的韌性，微觀層狀顯微組織中的板條優(yōu)選主要包括下貝氏體和馬氏體。優(yōu)選充分使形成的脆性成分如上貝氏體、孿生馬氏體和MA減至最小程度。正如這個第二個鋼實例所采用的，在公開中，“主要”指的是至少為50％(體積)。微觀組織的剩余物可以包括額外的細(xì)晶板條馬氏體、額外的細(xì)晶下貝氏體或鐵素體。更優(yōu)選的是，顯微組織至少包括60％～80％(體積)板條馬氏體和下貝氏體。甚至更優(yōu)選的是顯微組織至少包括90％(體積)下貝氏體和板條馬氏體。
在一個實施例中，根據(jù)這個第二個鋼實例加工的鋼坯在通常方式下進(jìn)行制造，該鋼坯包含鐵和下列合金元素，優(yōu)選下列表II中給出的重量范圍表II
有時在鋼中添加釩(V)，優(yōu)選的釩含量不超過約1.0％(重量)，更優(yōu)選的釩含量為0.2％(重量)～0.6％(重量)。
有時在鋼中添加硅(Si)，優(yōu)選的硅含量不超過約0.5％(重量)，更優(yōu)選的硅含量為0.01％(重量)～0.5％(重量)，甚至更優(yōu)選的硅含量為0.05％(重量)～0.1％(重量)。
有時在鋼中添加硼(B)，優(yōu)選的硼含量不超過約0.0020％(重量)，更優(yōu)選的硼含量為0.0006％(重量)～0.0010％(重量)。
優(yōu)選至少包含1％(重量)鎳的鋼。如果想提高焊接后的性能，鋼中的鎳含量可增加到約為3％以上。鎳的重量每增加1％，鋼的DBTT預(yù)計降低10℃(18°F)。鎳含量優(yōu)選低于9％(重量)，更優(yōu)選的鎳含量低于6％(重量)。為了降低鋼的成本，優(yōu)選的鎳含量為最低程度的含量。如果鎳含量增加到超過3％(重量)，錳含量可以降低到0.5％(重量)～0.0％(重量)。因此，從更廣的意義上而言，優(yōu)選的錳含量最高約為2.5％(重量)。
另外，在鋼中的剩余物的含量優(yōu)選盡可能低。磷(P)的含量優(yōu)選為小于0.01％(重量)。硫(S)的含量優(yōu)選為小于0.004％(重量)。氧(O)的含量優(yōu)選為小于0.002％(重量)。
稍微更詳細(xì)一點(diǎn)，這里所描述根據(jù)這個第二個實例的鋼，它的制備過程為首先形成所需成分的坯料；然后將坯料加熱到955℃～1065℃(1750°F～1950°F)；在第一個溫度范圍下，例如高于Tnr溫度，將鋼坯經(jīng)一個或多個道次的熱軋形成鋼板，其軋制壓縮比為30～70％，此時奧氏體發(fā)生再結(jié)晶；然后在高于Ar3轉(zhuǎn)變溫度而低于Tnr溫度的范圍下，經(jīng)一個或多個道次將鋼板進(jìn)一步軋制變形，其軋制壓縮比為40～80％。隨后以10℃/秒～40℃/秒(18°F/秒～72°F/秒)的冷卻速率淬火熱軋鋼板，使其達(dá)到合適的QST，該淬火停止溫度低于Ms轉(zhuǎn)變溫度加上100℃(180°F)的值，此時停止淬火。在這個第二個鋼實例的一個實施例中，淬火停止后，可將鋼板從QST空冷至室溫。這個第二個鋼實例的另外一個實施例中，淬火停止后，在將鋼板空冷到室溫前要將鋼板保持在QST充分等溫一定時間，優(yōu)選等溫時間高達(dá)5分鐘，此后將鋼板空冷至室溫。而在這個第二個鋼實例的另外一個實施例中，以低于空冷的冷卻速率緩慢冷卻鋼板，例如低于1.0℃/秒(1.8°F/秒)的速率，優(yōu)選的冷卻時間最高達(dá)5分鐘。而在這個第二個鋼實例的另外一個實施例中，從QST開始以低于空冷的冷卻速率緩慢冷卻鋼板，例如低于1.0℃/秒(1.8°F/秒)的速率，優(yōu)選的冷卻時間最高達(dá)5分鐘。至少在這個第二個鋼實例的一個實施例中，Ms轉(zhuǎn)變溫度約為350℃(662°F)，而且因此Ms轉(zhuǎn)變溫度加上100℃(180°F)約等于450℃(842°F)。
可通過任何適合的方法將鋼板在QST充分等溫，例如在鋼板上放置一條熱毛氈，而這些方法是熟練的技術(shù)人員所熟知的。淬火停止后，可采用任何方法將鋼板進(jìn)行緩慢冷卻，例如在鋼板上放置一塊絕熱毛氈，而這些方法是熟練的技術(shù)人員所熟知的。
第三個鋼實例正如上面所討論的，題為“具有優(yōu)良低溫韌性的超高強(qiáng)度雙相鋼”的共同未決的臨時專利申請，其優(yōu)先權(quán)日為1997年12月19日，該申請被美國專利商標(biāo)局(USPTO)確定的申請?zhí)枮?0/068816，該申請?zhí)峁┝诉m于供本發(fā)明使用的鋼的描述。它提供了制備超高強(qiáng)度雙相鋼板的一種方法，這種超高強(qiáng)度鋼板的顯微組織包括10％(體積)～40％(體積)的基本為100％(體積)(充分純和“基本上”)鐵素體的第一相和60％(體積)～90％(體積)的主要為細(xì)晶板條馬氏體和細(xì)晶下貝氏體及其混合物的第二相，所述的方法包括以下步驟(a)將鋼坯加熱到足夠高的再加熱溫度，使(i)鋼坯充分均勻(ii)所有鈮和釩的碳化物、碳氮化物充分溶解(iii)鋼坯產(chǎn)生細(xì)化的初始奧氏體晶粒；(b)在第一個溫度范圍下，將鋼坯經(jīng)一個或多個道次的熱軋形成鋼板，此時奧氏體發(fā)生再結(jié)晶；(c)在高于Ar3轉(zhuǎn)變溫度而低于Tnr溫度的第二個范圍下，經(jīng)一個或多個道次將鋼板進(jìn)一步軋制變形；(d)在高于Ar1轉(zhuǎn)變溫度而低于Ar3轉(zhuǎn)變溫度的第三個范圍下(即，臨界溫度范圍)，經(jīng)一個或多個道次將所述的鋼板進(jìn)一步軋制變形；(e)以10℃/秒～40℃/秒(18°F/秒～72°F/秒)的冷卻速率淬火鋼板，使其達(dá)到淬火停止溫度(QST)，該淬火停止溫度低于Ms轉(zhuǎn)變溫度加上200℃(360F)的值；(f)停止淬火。在這個第三個鋼實例的一個實施例中，QST優(yōu)選低于Ms轉(zhuǎn)變溫度加上100℃(180°F)的值，而且更優(yōu)選低于350℃(662°F)的值。在這個第三個鋼實例的另外一個實施例中，在步驟(f)之后，可將鋼空冷至室溫。這種處理促使鋼板的微觀組織的轉(zhuǎn)變?yōu)?0％(體積)～40％(體積)的鐵素體的第一相和60％(體積)～90％(體積)的主要為細(xì)晶板條馬氏體和細(xì)晶下貝氏體及其混合物的第二相。(參見術(shù)語表中有關(guān)Tnr溫度、Ar3轉(zhuǎn)變溫度、Ms轉(zhuǎn)變溫度的定義)為了確保室溫和低溫下的韌性，這個第三個鋼實例的鋼的微觀顯微組織中第二相主要為細(xì)晶下貝氏體和細(xì)晶板條馬氏體。優(yōu)選充分使形成的脆性成分如上貝氏體、孿生馬氏體和MA減至最小程度。正如這個第三個鋼實例所采用的，在權(quán)利要求書中，“主要”指的是至少為50％(體積)。第二相微觀組織的剩余物可以包括額外的細(xì)晶板條馬氏體、額外的細(xì)晶下貝氏體或鐵素體。更優(yōu)選的是，第二相的顯微組織至少包括60％～80％(體積)細(xì)晶下貝氏體、細(xì)晶板條馬氏體或其混合物。甚至更優(yōu)選的是第二相的顯微組織至少包括90％(體積)細(xì)晶下貝氏體、細(xì)晶板條馬氏體或其混合物。
在一個實施例中，根據(jù)這個第三個鋼實例加工的鋼坯在通常方式下進(jìn)行制造，該鋼坯包含鐵和下列合金元素，優(yōu)選下列表III中給出的重量范圍表III
有時在鋼中添加鉻(Cr)，優(yōu)選的鉻含量不超過1.0％(重量)，更優(yōu)選的鉻含量為0.2％(重量)～0.6％(重量)。
有時在鋼中添加鉬(Mo)，優(yōu)選的鉬含量不超過約0.8％(重量)，更優(yōu)選的鉬含量為0.1％(重量)～0.3％(重量)。
有時在鋼中添加硅(Si)，優(yōu)選的硅含量不超過0.5％(重量)，更優(yōu)選的硅含量為0.01％(重量)～0.5％(重量)，甚至更優(yōu)選的硅含量為0.05％(重量)～0.1％(重量)。
有時在鋼中添加銅(Cu)，優(yōu)選的銅含量不超過0.1％(重量)～1.0％(重量)，更優(yōu)選的銅含量為0.2％(重量)～0.4％(重量)。
有時在鋼中添加硼(B)，優(yōu)選的硼含量不超過0.0020％(重量)，更優(yōu)選的硼含量為0.0006％(重量)～0.0010％(重量)。
優(yōu)選至少包含1％(重量)鎳的鋼。如果想提高焊接后的性能，鋼中的鎳含量可增加到約為3％以上。鎳的重量每增加1％，鋼的DBTT預(yù)計降低10℃(18°F)。鎳含量優(yōu)選低于9％(重量)，更優(yōu)選的鎳含量低于6％(重量)。為了降低鋼的成本，優(yōu)選的鎳含量為最低程度的含量。如果鎳含量增加到超過3％(重量)，錳含量可能降低到0.5％(重量)～0.0％(重量)。因此，從更廣的意義上而言，優(yōu)選的錳含量最高約為2.5％(重量)。
另外，在鋼中的剩余物的含量優(yōu)選盡可能低。磷(P)的含量優(yōu)選為小于0.01％(重量)。硫(S)的含量優(yōu)選為小于0.004％(重量)。氧(O)的含量優(yōu)選為小于0.002％(重量)。
稍微更詳細(xì)一點(diǎn)，這里所描述根據(jù)這個第三個實例的鋼，它的制備過程為首先形成所需成分的坯料；然后將坯料加熱到955℃～1065℃(1750°F～1950°F)；在第一個溫度范圍下，例如高于Tnr溫度，將鋼坯經(jīng)一個或多個道次的軋制形成鋼板，其軋制壓縮比為30～70％，此時奧氏體發(fā)生再結(jié)晶；然后在高于Ar3轉(zhuǎn)變溫度而低于Tnr溫度的第二個溫度范圍下，經(jīng)一個或多個道次完成鋼板的軋制變形，其軋制壓縮比為40-80％。在高于Ar1轉(zhuǎn)變溫度而低于Ar3轉(zhuǎn)變溫度的臨界溫度范圍，經(jīng)一個或多個道次的終軋，其軋制壓縮比為15-50％。在隨后以10℃/秒～40℃/秒(18°F/秒～72°F/秒)冷卻速率淬火熱軋鋼板，使其達(dá)到合適的QST，該淬火停止溫度低于Ms轉(zhuǎn)變溫度加上200℃(360°F)的值。在本發(fā)明的另一方案中，QST優(yōu)選低于Ms轉(zhuǎn)變溫度加上100℃(180°F)的值，而且更優(yōu)選低于350℃(662°F)的值。在這個第三個鋼實例的一個實施例中，在淬火停止后，可將鋼空冷至室溫。
在上面的三個實例鋼中，因為鎳(Ni)是一種昂貴的合金元素，所以為了充分將鋼的成本減至最低程度，鋼中的鎳含量優(yōu)選小于3.0％(重量)，更優(yōu)選的鎳含量為小于2.5％(重量)，更優(yōu)選的鎳含量為小于2.0％(重量)，甚至更優(yōu)選的鎳含量為小于1.8％。
其它根據(jù)本發(fā)明中使用的合適的鋼在其它出版物中給予了描述，這些出版物描述了鎳含量小于1％(重量)的超高強(qiáng)度度低合金鋼，該合金鋼的拉伸強(qiáng)度高于830MPa(120ksi)，同時具有卓越的低溫韌性。例如，在1997年2月5日公開的歐洲專利申請中所描述的鋼，該專利申請的國際申請?zhí)枮镻CT/JP96/00157，它的國際公開號為WO96/23909(08.08.1996 Gazette 1996/36)(這些鋼優(yōu)選的銅含量為0.1％(重量)～1.2％(重量))，以及在未決的美國臨時專利申請(優(yōu)先權(quán)日為1997年6月28日)中所描述的鋼，其標(biāo)題為“具有優(yōu)良超低溫韌性的超高強(qiáng)度可焊接鋼”，該申請被USPTO確定的申請?zhí)枮镹o.60/053915。
對于任何上面所參考的鋼，熟練的技術(shù)人員都明白，這里所采用的“厚度壓縮百分比”指的是在鋼坯厚度方向壓縮的百分比。在此僅是為了解釋，并沒有因此限制本發(fā)明，在第一個溫度范圍下，將一約為25.4厘米(10英寸)厚的鋼坯壓縮50％(50％壓縮)，則達(dá)到約12.7厘米(5英寸)厚度；隨后在第二個溫度范圍下，再壓縮約80％(80％的壓縮)，此時的厚度約為2.5厘米(1英寸)。此外，在此僅是為了解釋，并沒有因此限制本發(fā)明，在第一個溫度范圍下，將一約為25.4厘米(10英寸)厚的鋼坯壓縮30％(30％的壓縮)，則此時的厚度約為17.8厘米(7英寸)厚度；隨后在第二個溫度范圍下，再壓縮約80％(80％的壓縮)，此時的厚度約為3.6厘米(1.4英寸)；然后在第三個溫度范圍下，再壓縮約30％(30％的壓縮)，此時的厚度約為2.5厘米(1英寸)。正如這里所采用的，“板坯”指的是任意尺寸的鋼坯。
對于任何上面所參考的鋼，熟練的技術(shù)人員都明白，優(yōu)選采用合適的方法將基本上整個鋼坯、優(yōu)選整個鋼坯的溫度提高到所希望的再加熱溫度，例如在加熱爐中將鋼坯放置一定時間。用于任何上面所參考的鋼成分的特殊再加熱溫度可由熟練的技術(shù)人員快速確定，或者通過實驗來確定，或者通過合適的模型來計算該溫度。此外，用于將基本上整個鋼坯、優(yōu)選整個鋼坯提高到所希望的再加熱溫度所需的加熱爐溫度和再加熱時間，可由熟練的技術(shù)人員通過參考標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)出版物來快速確定。
對于任何上面所參考的鋼，熟練的技術(shù)人員都明白，定義再結(jié)晶范圍與未再結(jié)晶范圍的邊界-Tnr溫度依賴于鋼的化學(xué)成分，而且更具體的講，它依賴于軋制前的再加熱溫度、碳的濃度、鈮的濃度和在軋制道次中給定的壓縮量。熟練的技術(shù)人員可通過實驗和模型計算來確定各個鋼成分的這個溫度。同樣，這里所參考各個鋼成分的Ac1轉(zhuǎn)變溫度、Ar1轉(zhuǎn)變溫度、Ar3轉(zhuǎn)變溫度和Ms轉(zhuǎn)變溫度均可由熟練的技術(shù)人員來確定，或者通過實驗或模型計算來確定。
對于任何上面所參考的鋼，熟練的技術(shù)人員都明白，除了再加熱溫度以外，在描述本發(fā)明的處理方法中后來所參考的基本應(yīng)用于整個鋼坯的溫度為測定的鋼的表面溫度。例如，通過光學(xué)高溫計可測量鋼的表面溫度，或者采用適于測量鋼的表面溫度的任何其它合適的方法。冷卻速率這里指的是處于板厚度的中心或充分中心部位的冷卻速率；而且淬火停止溫度(QST)為淬火停止后，板的表面溫度達(dá)到最高值或基本為最高值，這是因為來自板厚度中間的熱傳導(dǎo)的緣故。例如根據(jù)這里所提供的實例，在處理一種鋼成分的實驗熱過程中，通過在板厚度的中心或大致中心放置熱電偶來測定中心溫度，而采用光學(xué)高溫計來測量鋼的表面溫度。于是可得到中心溫度和表面溫度之間的關(guān)系，從而用于處理后來的相同或基本相同的鋼成分，這樣通過直接測定表面溫度便可確定中心溫度。同時，達(dá)到所希望的加速冷卻速率所需的溫度和淬火液體的流動速率均可由熟練的技術(shù)人員通過參考標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)出版物來快速確定。
熟練的技術(shù)人員應(yīng)具有所需知識和技能，利用這里所提供的信息來生產(chǎn)超高強(qiáng)度低合金鋼板，該鋼板具有高的強(qiáng)度和韌性，可用于構(gòu)造本發(fā)明的容器和其它組件。今后可能存在或開發(fā)其它合適的鋼，但所有這些鋼均處于本發(fā)明發(fā)范圍之內(nèi)。
熟練的技術(shù)人員應(yīng)具有所需的知識和技能，利用這里所提供的信息來生產(chǎn)超高強(qiáng)度低合金鋼板，與根據(jù)這里所提供的實例而生產(chǎn)的鋼板厚度相比，該鋼板的厚度可以修改，同時生產(chǎn)的鋼板依然具有合適的高強(qiáng)度和合適的低溫韌性以供本發(fā)明的系統(tǒng)使用。例如，熟練的技術(shù)人員可利用這里所提供的信息來生產(chǎn)有合適的高強(qiáng)度和合適的低溫韌性的鋼板，該鋼板厚度約為2.54厘米(1英寸)，可用于構(gòu)造本發(fā)明的容器和其它組件。今后可能存在或開發(fā)其它合適的鋼。所有這些鋼均處于本發(fā)明發(fā)范圍之內(nèi)。
由任何合適的超高強(qiáng)度低合金，如本文所描述的，例如在這個實例中所描述的任何鋼，構(gòu)成的容器，其尺寸根據(jù)采用這個系統(tǒng)的PLNG項目的需要來確定。熟練的技術(shù)人員可以利用標(biāo)準(zhǔn)工程慣例和在工業(yè)中可利用的參考來確定有關(guān)容器和其它組件的必要尺寸、壁厚等等。
當(dāng)雙相鋼用于構(gòu)造本發(fā)明的容器時，雙相鋼優(yōu)選采用這樣的方式進(jìn)行處理為了在加速冷卻和淬火步驟前引起雙相的產(chǎn)生，將鋼在臨界溫度范圍內(nèi)保持一定時間。優(yōu)選的處理為鋼在Ar1轉(zhuǎn)變溫度～Ar3轉(zhuǎn)變溫度之間冷卻時形成雙相鋼結(jié)構(gòu)。用于構(gòu)造本發(fā)明容器的鋼的另外的優(yōu)選特征為在完成加速冷卻和淬火步驟時，無需任何額外的鋼再加熱所要求的處理，例如回火，鋼的拉伸強(qiáng)度高于830MPa(120ksi)而且DBTT小于約-73℃(-100°F)，優(yōu)選地，在完成加速冷卻和淬火步驟時，鋼的拉伸強(qiáng)度高于860MPa(125ksi)，更優(yōu)選高于900MPa(130ksi)。在一些申請中，在完成加速冷卻和淬火步驟時，鋼的拉伸強(qiáng)度優(yōu)選高于930MPa(135ksi)或高于965MPa(140ksi)或高于1000MPa(145ksi)。
對于容器和其它組件要求將鋼彎曲成用于容器的圓柱形狀或用于管道的管狀，鋼優(yōu)選在室溫下彎曲成所需形狀，以避免對鋼的卓越的低溫韌性造成不利影響。如果鋼彎曲后必須加熱才能獲得所需形狀，那么鋼優(yōu)選加熱到不高于600℃(1112°F)從而保證上述鋼的微觀組織的有益效果。
對于PLNG容器所需的變量，例如大小、幾何形狀、材料厚度等等，均依賴于操作條件，例如內(nèi)部壓力、操作溫度等等，這對于熟練的技術(shù)人員是熟知的。對于最苛刻的低溫設(shè)計，鋼和焊縫的DBTT相當(dāng)重要。在稍微高的操作溫度下的設(shè)計，韌性依然是一個重要的問題，當(dāng)對DBTT的要求可能不太苛刻。例如，當(dāng)操作溫度提高時，所需的DBTT也提高了。
為了構(gòu)造本發(fā)明的容器和其它組件，需要一種合適的連接鋼板的方法。正如上面所討論的，任何連接方法只要它能使用于本發(fā)明的接縫具有足夠的強(qiáng)度和韌性，該方法便可認(rèn)為是合適的。用于構(gòu)造本發(fā)明的容器和其它組件的焊接方法優(yōu)選適于提供足夠的強(qiáng)度和韌性來盛載所包含或運(yùn)輸?shù)囊后w。這樣的焊接方法優(yōu)選包括合適的自耗電線、合適的自耗氣體、合適的焊接方法及合適的焊接工藝過程。例如，氣保護(hù)熔化極電弧焊(GMAW)和鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)，二者在鋼制造工業(yè)中為人們所熟知，只要采用合適的自耗電線-氣體組合，二者均可用于連接鋼板。
在第一種例舉焊接方法中，采用了氣保護(hù)熔化極電弧焊接(GMAW)來生成焊縫，該焊縫的化學(xué)成分包括鐵、約0.07％(重量)的碳、約為2.05％(重量)的錳、約為0.32％(重量)的硅、約為2.20％(重量)的鎳、約為0.45％(重量)的鉻、約為0.56％(重量)的鉬、約小于110ppm的磷和約小于50ppm的硫。采用含小于1％(重量)的氧的氬基保護(hù)氣體來焊接鋼，例如上面所描述的任何鋼。焊接的熱輸入量處于0.3kJ/mm～1.5kJ/mm(7.6 kJ/inch～38kJ/inch)范圍之內(nèi)。采用這種方法進(jìn)行焊接使得焊接件(見術(shù)語表)的拉伸強(qiáng)度高于900MPa(1130kpsi)，優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度高于930MPa(135kpsi)，更優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度高于965MPa(140kpsi)，甚至更優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度至少約為1000MPa(145kpsi)。此外，采用這種方法進(jìn)行焊接使得焊接金屬的DBTT低于-73℃(-100°F)，優(yōu)選的DBTT低于-96℃(-140°F)，更優(yōu)選的DBTT低于-106℃(-160°F)，甚至更優(yōu)選的DBTT低于-115℃(-17°F)。
在第二個實例焊接方法中，采用了氣保護(hù)熔化極電弧焊接(GMAW)來制造焊接金屬，該焊接金屬的化學(xué)成分包括鐵、約0.10％(重量)的碳(優(yōu)選小于0.10％(重量)碳，更優(yōu)選的碳含量為0.07％(重量)～0.08％(重量))、約為1.60％(重量)的錳、約為0.25％(重量)的硅、約為1.87％(重量)的鎳、約為0.87％(重量)的鉻、約為0.51％(重量)的鉬、約小于75ppm的磷和約小于100ppm的硫。焊接的熱輸入量處于0.3kJ/mm～1.5kJ/mm(7.6kJ/inch～38kJ/inch)范圍之內(nèi)，而且采用100℃(212°F)的預(yù)熱。采用含小于1％(重量)氧的氬基保護(hù)氣來焊接鋼，例如上面所描述的任何鋼。采用這種方法進(jìn)行焊接使得焊接件(見術(shù)語表)的拉伸強(qiáng)度高于900MPa(1130kpsi)，優(yōu)選高于930MPa(135kpsi)，更優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度高于965MPa(140kpsi)，甚至更優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度至少約為1000MPa(145kpsi)。此外，采用這種方法進(jìn)行焊接使得焊縫的DBTT低于-73℃(-100°F)，優(yōu)選的DBTT低于-96℃(-140°F)，更優(yōu)選的DBTT低于-106℃(-160°F)，甚至更優(yōu)選的DBTT低于-115℃(-175°F)。
在另外一個實例焊接方法中，采用了鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)來生成焊縫，該焊縫的化學(xué)成分包括鐵、約0.07％(重量)的碳(優(yōu)選小于0.07％(重量)的碳)、約為1.80％(重量)的錳、約為0.20％(重量)的硅、約為4.00％(重量)的鎳、約為0.5％(重量)的鉻、約為0.40％(重量)的鉬、約為0.02％(重量)的銅、約為0.02％(重量)的鋁、約為0.010％(重量)的鈦、約為0.015％(重量)的鋯、約小于50ppm的磷和約小于30ppm的硫。焊接的熱輸入量處于0.3kJ/mm～1.5kJ/mm(7.6kJ/inch～38kJ/inch)范圍之內(nèi)，而且采用100℃(212°F)的預(yù)熱。采用含小于1％(重量)氧的氬基保護(hù)氣體來焊接鋼，例如上面所描述的任何鋼。采用這種方法進(jìn)行焊接使得焊接件的拉伸強(qiáng)度高于900MPa(1130kpsi)，優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度高于930MPa(135kpsi)，更優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度高于965MPa(140kpsi)，甚至更優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度至少約為1000MPa(145kpsi)。此外，采用這種方法進(jìn)行焊接使得焊縫的DBTT低于-73℃(-100°F)，優(yōu)選的DBTT低于-96℃(-140°F)，更優(yōu)選的DBTT低于-106℃(-160°F)，甚至更優(yōu)選的DBTT約低于-115℃(-175°F)。
采用GMAW或者采用TIG方法能夠獲得那些實例中所提到的相似的金屬化學(xué)成分。然而可以預(yù)料，TIG焊縫比GMAW焊縫的雜質(zhì)含量低而且顯微組織更高度細(xì)化，而且因此低溫韌性得到了改善。
在本發(fā)明的一個實施例中，埋弧焊(SAW)可作為一種連接技術(shù)。有關(guān)埋弧焊的詳細(xì)討論可參考焊接手冊第6章，第二卷，焊接工藝(第8版)，美國焊接協(xié)會，第191～232(1995)頁。
埋弧焊(SAW)是一種因為它的高金屬熔敷速度的優(yōu)點(diǎn)而經(jīng)常被采用的焊接技術(shù)。因為在每單位時間內(nèi)它比其它焊接技術(shù)能涂覆更多的焊接材料，所以對于某些申請它可能更經(jīng)濟(jì)。當(dāng)用于連接低溫使用的鐵素體鋼時，SAW的一個可能的缺點(diǎn)是韌性不足或變化不定。低韌性可由諸如大的晶粒尺寸和/或夾雜物比所需的含量高等因素所引起。大的晶粒尺寸由SAW高熱輸入情況引起，它也是使高金屬熔敷速度實現(xiàn)的特征。當(dāng)用于熱敏感高強(qiáng)鋼時，SAW的另一個可能的缺點(diǎn)是HAZ軟化，與氣保護(hù)熔化極電弧焊(GMAW)或鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)相比，SAW高熱輸入特征引起HAZ更大范圍的軟化。
對于一些PLNG容器設(shè)計，SAW技術(shù)可能是合適的。將主要依據(jù)經(jīng)濟(jì)(焊接熔敷速度)與所獲得的足夠的機(jī)械性能之間的平衡關(guān)系來決定采用SAW。可能使特殊的SAW焊接工藝過程滿足一個特殊的PLNG容器的設(shè)計要求。例如，如果想限制HAZ軟化和減少焊縫的晶粒尺寸，可開發(fā)利用一個中等熱輸入的SAW過程。熱輸入時使非常高的熔敷速度實現(xiàn)，可采用的熱輸入范圍為2kJ/mm～4kJ/mm(50kJ/inch～100kJ/inch)，而不是在約高于4kJ/mm(100kJ/inch)。當(dāng)值低于這個中等范圍時，SAW可能比GMAW或TIG焊更不令人滿意。
SAW也可用于奧氏體焊縫。由于面心立方奧氏體的高延展性，焊接韌性稍微容易實現(xiàn)。奧氏體焊接材料的一個缺點(diǎn)是費(fèi)用比大多數(shù)的鐵素體焊接材料高。奧氏體材料含有相當(dāng)數(shù)量的貴重合金，例如Cr和Ni。然而，對于特殊的PLNG容器設(shè)計，可通過由SAW所提供的較高的熔敷速度來彌補(bǔ)奧氏體焊接材料的費(fèi)用。
在本發(fā)明的另外一個實施例中，電子束焊(EBW)可作為一種連接技術(shù)。有關(guān)電子束焊的詳細(xì)討論可參考《焊接手冊》的第22章，第二卷，焊接工藝(第8版)，美國焊接協(xié)會，第672～713頁(1995)。EBW的幾個內(nèi)在特點(diǎn)尤其適于高強(qiáng)度和低溫韌性的使用條件。
大多數(shù)高強(qiáng)鋼，例如屈服強(qiáng)度高于550MPa(80ksi)的鋼，涉及它們的焊接的一個問題是由許多通常的焊接方法引起在熱影響區(qū)(HAZ)內(nèi)的金屬軟化，這些方法例如焊條手工焊(SMAW)，埋弧焊(SAW)，任何氣體保護(hù)焊，例如氣保護(hù)熔化極電弧焊接(GMAW)。在焊接引起的熱循環(huán)中，HAZ可能經(jīng)歷了局部相變或退火，與先前暴露在焊接熱中的基體金屬相比，產(chǎn)生了顯著的例如高達(dá)15％或更高的HAZ軟化。而且已經(jīng)生產(chǎn)出了屈服強(qiáng)度為830MPa(120ksi)或更高的超高強(qiáng)鋼，許多這些鋼不能滿足用于極端低溫使用所必須的可焊性條件，例如那些要求用于供這里所公開的方法中所使用的管路和壓力容器。這些材料典型具有相對高的Pcm(熟知的用于描述可焊接性的工業(yè)術(shù)語)一般大于0.30，而且有時超過0.35。
EBW減少了由一些普通焊接技術(shù)例如SMAW和SAW所引起的問題?？偟臒彷斎朊黠@低于電弧焊接方法。在連接過程中，在熱輸入上的減少降低了鋼板的許多性能的變化。在許多情況下，EBW生成的焊接接頭比由電弧焊生成的接頭更強(qiáng)和或更能抵抗寒冷溫度使用中的脆性斷裂。
與電弧焊接相比，當(dāng)焊接相同的接頭時，EBW使HAZ韌性得到改善的同時，會導(dǎo)致殘余應(yīng)力、HAZ寬度和接頭的機(jī)械變形的減少。EBW的高能量密度同時使得單面焊接容易進(jìn)行，因此同時使得連接過程中鋼的基體金屬暴露于高溫下的時間減至最小。對于將焊接熱敏感合金的有害影響將到最小程度而言，EBW的這些特征是重要的。
而且，采用降低的壓力或高的真空焊接條件的EBW系統(tǒng)導(dǎo)致高純環(huán)境從而減少焊接熔池的污染。在電子束焊接接頭中的雜質(zhì)的減少導(dǎo)致由填隙元素和夾雜物的含量的減少而產(chǎn)生的焊縫金屬韌性的提高。
EBW同時非常適于那種大量的過程控制變量(例如真空度、工作距離、加速電壓、電子束電流、焊接速度、電子束光點(diǎn)大小，、電子束的偏斜等等)可以單獨(dú)控制的情況。假定準(zhǔn)備了適當(dāng)?shù)慕宇^，EBW無需填充金屬，這樣導(dǎo)致焊縫的均勻的冶金性能。然而，填充金屬的填隙片能用于有目的的改變EBW接頭的冶金性能并提高力學(xué)性能。光束參數(shù)和采用/忽略填隙片的戰(zhàn)略結(jié)合將使焊縫的顯微結(jié)構(gòu)適合生產(chǎn)所需要的強(qiáng)度和韌性的組合成為可能。
卓越的機(jī)械性能和低的殘余應(yīng)力的全面組合同時使得減少許多場合下的后焊接熱處理成為可能，甚至當(dāng)焊接的板厚為1～2英寸和更厚時也是如此。
EBW可在高真空(HV)、中等真空(MV)或無真空(NV)下進(jìn)行。HV-EBW系統(tǒng)生成具有最低雜質(zhì)的焊縫。然而，當(dāng)金屬處于熔融狀態(tài)時，高真空條件能引起關(guān)鍵性的揮發(fā)性元素(例如鉻和錳)的損失。依據(jù)所焊接的鋼的成分，某些元素的部分損失可以影響焊縫的機(jī)械性能。此外，這些系統(tǒng)往往大而笨重，而且不易使用。NV-EBW系統(tǒng)機(jī)械上不太復(fù)雜、更緊湊，而且一般容易使用。NV-EBW方法更限制使用于當(dāng)暴露于空氣中時，光束趨于漫射發(fā)散，分散，而且光束聚焦不足和效果較差。這往往會限制在單面可焊接的鋼板厚度。NV-EBWT同時對焊縫雜質(zhì)更敏感，焊縫雜質(zhì)會導(dǎo)致焊縫具有比較高真空EBW低的強(qiáng)度和韌性。因此，MV-EBW優(yōu)選用于構(gòu)造本公開的發(fā)明的容器。MV-EBW提供了性能和焊縫質(zhì)量之間的最佳平衡。
在本發(fā)明的另外一個實施例中，激光焊(LBW)可作為一種連接技術(shù)。有關(guān)激光焊的詳細(xì)討論可參考《焊接手冊》的第22章，第2卷，焊接工藝(第8版)，美國焊接協(xié)會，第714～738頁(1995)。LBW提供了與EBW相同的許多優(yōu)點(diǎn)，但是在目前可利用EBW能夠進(jìn)行單面焊接更大的板厚范圍的應(yīng)用中，LBW更受到限制。
熟練的技術(shù)人員應(yīng)具有所需的知識和技能，利用這里所提供的信息來焊接超高強(qiáng)度、低合金鋼板，使其產(chǎn)生的接縫具有合適的高強(qiáng)度和合適的低溫韌性以便供構(gòu)造本發(fā)明的容器和其它組件使用。今后可能存在或開發(fā)其它合適的連接或焊接方法，但所有這些連接或焊接方法均處于本發(fā)明發(fā)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.用于儲存加壓液化天然氣的容器，該液化天然氣處于約1035kPa(150psia)～7590kPa(1100psia)的壓力和約-123℃(-190°F)～-62℃(-80°F)的溫度下，其中所述的容器由含小于9％(重量)鎳的超高強(qiáng)度低合金鋼構(gòu)造，該合金鋼的拉伸強(qiáng)度高于830MPa(120ksi)而且DBTT低于約-73℃(-100°F)。
2.用于儲存加壓液化天然氣的容器，該加壓液化天然氣處于約為1725kPa(250psia)～7590kPa(1100psia)的壓力范圍和-112℃(-170°F)～-62℃(-80°F)的溫度范圍下，其中所述的容器由含鎳低于9％的超高強(qiáng)度低合金鋼制成，該合金鋼的拉伸強(qiáng)度高于830MPa(120ksi)而且DBTT低于約-73℃(-100°F)。
3.用于儲存加壓液化天然氣的容器，該加壓液化天然氣處于約為1725kPa(250psia)～4830kPa(700psia)的壓力范圍和-112℃(-170°F)～-79℃(-110°F)的溫度范圍下，其中所述的容器(i)由含鎳低于9％的超高強(qiáng)度低合金鋼制成(ii)有足夠強(qiáng)度和斷裂韌性來盛載所述的加壓液化天然氣。
4.用于儲存加壓的液化天然氣的容器，該加壓液化天然氣處于約為1725kPa(250psia)～7590kPa(1100psia)的壓力范圍和-112℃(-170°F)～-62℃(-80°F)的溫度范圍下，其中所述的容器由含鎳低于9％的超高強(qiáng)度低合金鋼制成，該合金鋼的拉伸強(qiáng)度至少為1000MPa(145ksi)而且DBTT低于約-73℃(-100°F)。
5.權(quán)利要求1，2，3或4中的任何一項的容器，其中所述的超高強(qiáng)度低合金鋼的鎳含量低于約5％(重量)。
6.用于儲存加壓液化天然氣的容器，該加壓液化天然氣處于約為1725kPa(250psia)～7590kPa(1100psia)的壓力范圍和-112℃(-170°F)～-62℃(-80°F)的溫度范圍下，其中所述的容器由含鎳低于6％(重量)的超高強(qiáng)度低合金鋼制成，該合金鋼的拉伸強(qiáng)度高于830MPa(120ksi)而且DBTT低于約-73℃(-100°F)。
7.用于儲存加壓液化天然氣的容器，該加壓液化天然氣處于約為1725kPa(250psia)～7590kPa(1100psia)的壓力范圍和-112℃(-170°F)～-62℃(-80°F)的溫度范圍下，其中所述的容器由含鎳低于3％(重量)的超高強(qiáng)度低合金鋼制成，該合金鋼的拉伸強(qiáng)度至少約為1000MPa(145ksi)且DBTT低于約-73℃(-100°F)。
8.權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7中的任何一項的容器，是通過將所述的超高強(qiáng)度低合金鋼的許多不連續(xù)板連接構(gòu)成的，其中所述容器的接頭的拉伸強(qiáng)度高于900MPa(130ksi)且DBTT低于約-73℃(-100°F)。
9.權(quán)利要求8的容器，其中采用GMAW來形成所述不連續(xù)板之間的接頭。
10.權(quán)利要求8的容器，其中采用TIG焊接來形成所述不連續(xù)板之間的接頭。
11.用于運(yùn)輸加壓液化天然氣的海上運(yùn)輸船，該液化天然氣處于1035kPa(150psia)～7590kPa(1100psia)的壓力和-123℃(-190°F)～-62℃(-80°F)的溫度下，其中所述的海上運(yùn)輸船至少有一個儲存容器由含小于9％(重量)鎳的超高強(qiáng)度低合金鋼材料構(gòu)造，該合金鋼材料的拉伸強(qiáng)度高于830MPa(120ksi)而且DBTT低于約-73℃(-100°F)。
12.權(quán)利要求11的海上運(yùn)輸船，其中所述的超高強(qiáng)度低合金鋼的鎳含量小于5％(重量)。
13.權(quán)利要求11的海上運(yùn)輸船，在船上裝有用于將所述的加壓液化天然氣轉(zhuǎn)換為氣體的汽化設(shè)備。
14.將加壓液化天然氣運(yùn)輸?shù)捷斎虢K端的方法，其中所述的加壓液化天然氣的壓力約為1035kPa(150psia)～7590kPa(1100psia)而且其溫度為-123℃(-190°F)～-62℃(-80°F)，其中所述的方法包括步驟(a)將所述的加壓液化天然氣傳輸?shù)胶Ｉ线\(yùn)輸船中，其中所述的海上運(yùn)輸船至少有一個儲存容器由含小于9％(重量)鎳的超高強(qiáng)度低合金鋼材料構(gòu)造，該合金鋼材料的拉伸強(qiáng)度高于830MPa(120ksi)而且DBTT低于約-73℃(-100°F)；和(b)推動所述海上運(yùn)輸船穿過一片水域到達(dá)所述的輸入終端。
15.權(quán)利要求14的方法，另外包括步驟(c)將所述的加壓液化天然氣傳輸?shù)揭粋€輸入終端，該輸入終端至少有一個輸入儲存容器由含小于9％(重量)鎳的超高強(qiáng)度低合金鋼構(gòu)造，該合金鋼的拉伸強(qiáng)度高于830MPa(120ksi)而且DBTT低于約-73℃(-100°F)。
16.權(quán)利要求14的方法，其中所述的海上運(yùn)輸船在船上裝有用于將所述的加壓液化天然氣轉(zhuǎn)換為氣體的汽化設(shè)備。
17.權(quán)利要求14的方法，另外包括步驟(d)將所述的加壓液化天然氣傳輸?shù)揭粋€輸入終端，該輸入終端裝有用于將所述的加壓液化天然氣轉(zhuǎn)換為氣體的汽化設(shè)備。
18.用于處理天然氣以獲得在1035kPa(150psia)～7590kPa(1100psia)的壓力而且-123℃(-190°F)～-62℃(-80°F)溫度下的加壓液化天然氣的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括(a)用于將所述的天然氣轉(zhuǎn)換為加壓液化天然氣的加工廠；(b)用于從所述加工廠接收所述的加壓液化天然氣的多個儲存容器，其中所述的多個儲存容器由含小于9％(重量)鎳的超高強(qiáng)度低合金鋼材料構(gòu)造，該合金鋼材料的拉伸強(qiáng)度高于830MPa(120ksi)而且DBTT低于約-73℃(-100°F)。
19.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述的加工廠的基本組成為(a)用于接收所述的天然氣流并除去所述天然氣中的液體烴的接收設(shè)備；(b)用于從天然氣中將足夠的水蒸氣除去以避免在所述加工廠的操作溫度和壓力下所述天然氣凍結(jié)的脫水設(shè)備；(c)用于將所述天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)樗黾訅阂夯烊粴獾囊夯O(shè)備。
20.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中所述的加工廠另外包括(d)用于除去選自二氧化碳、含硫的化合物、正戊烷以上的烴和苯的至少一種的處理設(shè)備。
21.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，還包括(c)至少有一個海上運(yùn)輸船用于運(yùn)輸所述加壓液化天然氣，其中所述的至少一個海上運(yùn)輸船在船上裝有所述多個儲存容器的至少一個，和(d)一個基本由傳輸設(shè)備組成的輸出終端，它用于將所述加壓液化天然氣從所述的加工廠運(yùn)輸?shù)皆谒龊Ｉ线\(yùn)輸船上裝備的所述的多個儲存容器中的至少一個容器中。
22.權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述至少一個海上運(yùn)輸船各個裝有用于將所述的加壓液化天然氣轉(zhuǎn)換為氣體的汽化設(shè)備。
23.權(quán)利要求22的系統(tǒng)，其中所述的系統(tǒng)還包括一個基本上由用于將所述氣體傳輸?shù)焦苈返膫鬏斣O(shè)備組成的輸入終端。
24.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中在所述的加工廠中的管路和相關(guān)的組件和壓力容器由含鎳低于約2％的超高強(qiáng)度低合金鋼制成，該合金鋼有足夠強(qiáng)度和斷裂韌性來盛載所述的加壓液化天然氣。
25.用于儲存加壓液化天然氣的容器，該加壓液化天然氣處于約為1725kPa(250psia)～7590kPa(1100psia)的壓力范圍和-112℃(-170°F)～-62℃(-80°F)的溫度范圍下，其中所述的容器由含鎳低于約2％的超高強(qiáng)度低合金鋼制成，該合金鋼有足夠強(qiáng)度和斷裂韌性來盛載所述的加壓液化天然氣。
全文摘要
用于儲存處于約1035kPa(150psia)～7590kPa(1100psia)的壓力范圍和－123℃(－190°F)～－62℃(－80°F)的溫度范圍下的加壓液化天然氣的容器,該容器由含小于9%(重量)鎳而且拉伸強(qiáng)度高于830MPa(120ksi)且DBTT低于約－73℃(－100°F)的超高強(qiáng)度低合金鋼構(gòu)造。
文檔編號F25J1/02GK1261925SQ9880678
公開日2000年8月2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·M·伍達(dá)爾, R·R·伯溫, D·P·法爾其爾德 申請人:埃克森生產(chǎn)研究公司