大型LNG储罐用5083铝板热轧工艺设计特点_刘永腾.pdf

化学工程与装备 2023 年 第 2 期 134 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 2 月 大型 LNG 储罐用 5083 铝板热轧工艺设计特点 大型 LNG 储罐用 5083 铝板热轧工艺设计特点 刘永腾，张喜强，卢 晶，张赵君，杨 涛（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）摘 要：摘 要：近年来，随着国家一系列清洁能源政策的推出，我国天然气市场仍有较大增长空间。以国内某大型高精度铝板热轧生产线为例，从工艺流程、设备性能、执行标准、供货规格等方面对 LNG 储罐用 5083铝板热轧工艺特点进行研究分析，为 5083 铝板在 LNG 储罐中的应用推广提供借鉴经验。关键词：关键词：5083 铝板；热轧铝板；铝吊顶结构 引 言 引 言 近年来，受全球疫情的影响，国内乃至海外各个国家的经济增长受到严重影响，但在清洁能源领域，随着国家在沿海战略布局的深入不断加速，天然气市场仍有较大增长空间，这也是未来 20 年我国一次能源方面最主要的增长点，相应铝板的需求量还将不断攀升。同时，国内铝加工技术不断发展壮大，也为铝板在 LNG 储罐的应用提供更好的技术支持。5083 铝板由于具有较好的耐低温、质轻、高韧性、强度高的特点，被广泛应用于 LNG 储罐吊顶结构。吊顶结构的主要功能是支撑罐内绝热系统，形成内罐密闭空间，通过绝热系统控制内罐 BOG 蒸发气量，同时避免因低温结冰造成罐顶荷载现象的发生3。目前国内 LNG 储罐设计中，吊顶板结构材料一般选用5083 铝板，吊顶拉杆采用不锈钢材质。吊顶结构最外缘采用密封封板构造保证保冷材料（珍珠岩粉末）与内罐分隔开，同样在最外侧拉杆处设置挡板以防止外侧保冷材料（珍珠岩粉末）随时间推移被挤压移动到吊顶上，从而造成吊顶的破坏风险。大型 LNG 储罐吊顶结构 1/2 截面示意图见图 1。图 1 大型 LNG 储罐吊顶结构 1/2 截面示意图 图 1 大型 LNG 储罐吊顶结构 1/2 截面示意图 1 热轧生产线 1 热轧生产线 综合分析国内 LNG 项目设计特点，LNG 储罐用吊顶铝板执行标准为EN 485中EN AW-5083等级O或标准ASTM B-209M中 5083 类型 O，目前国内较大规模铝厂均可生产，不存在市场垄断现象，可充分利用投标竞价优选生产厂商，目前国内生产 LNG 储罐用 5083 铝板中较先进的热轧供坯方案为热粗轧机+多机架热连轧精轧机配置形式，该形式不仅可生产全品种铝板，并且产品质量较为稳定，效率高，成本低，产品精度高，经济性较好，年产量可在 300kt 以上，并且容易控制终轧温度，这一点是其他形式热轧方案做不到的。1.1 工艺流程 以国内大型高精度铝板热轧生产线为例，通过实地调研，并结合实际生产项目，对 LNG 储罐用铝板生产工艺特点进行分析。铝板热轧生产工艺流程图见图 2。图 2 铝板热轧生产工艺流程图 图 2 铝板热轧生产工艺流程图 1.2 生产工艺特点 该生产线供坯方式较为灵活，合金品种、范围的生产不受限制，成品的表面质量、机械性能及加工性能较好，主要特点：（1）铸锭在加热炉中均匀化处理，可单独控制各区加热温度，加热周期可得到合理有效的压缩，铸锭均匀化效果更好精度更高；（2）铸锭表面清洗装置可有效去除板坯表面氧化物等不利物质，确保板坯热轧前纯度；（3）热轧自动化控制系统的引进确保了板坯轧制过程中可达到高几何精度、优良的表面质量和板材性能。热轧自DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.085 刘永腾：大型 LNG 储罐用 5083 铝板热轧工艺设计特点 135 动化控制系统包括了温度自动化控制系统、厚度自动化控制系统、自动化轧制自适应系统等。（4）引进全自动化管理系统智能平面库，具有定位精度高，系统稳定可靠等优点，最大化利用厂房空间，能高效处理板材的存放管理和提取运输，提高生产线整体工作效率。1.3 主要设备参数 该生产线设备选型采用科学先进、可靠稳定的原则，综合国内供需情况，考虑生产组织方便和工艺流程合理等因素建设，该生产线主要设备性能参数见表 1：表 1 主要设备性能参数 表 1 主要设备性能参数 设备名称 主要技术性能 数量 单位 熔炼炉 效率高、能耗低、安全性能高；最大容量 120t 12 台 铸造机 配套电磁搅拌技术及深床过滤技术；可生产 1xxx8xxx系的全部合金牌号及超大规格的铝合金铸锭 8 台 保温炉 倾动式工作方式，可实现铝熔体流速平稳、温度均匀进入结晶器，保证铸锭高质量 4 台 均热炉 一级炉（符合 AMS2750 航空热处理标准），可消除内力；可消除铸造引起的微观偏析，达到均匀化铸锭化学成分的效果；提高变形加工性能 4 台 热轧机组 4500mm 粗轧机，工作辊弯辊力 max 45000kN；3350mm 精轧机组，轧制压力 max 40000kN；1 套 横剪机组 2800mm*240000mm，机组速度 max 60m/min 1 套 板材精密锯（12250mm）*4500mm 1 台 板材拉伸机 挤压压力：40MN100MN 2 台 Vollert 智能平面库 全自动化管理系统 1 套 1.4 供货规格 LNG 储罐用铝板主要为吊顶结构，吊顶结构根据软件计算分析设计可分为中幅区、异形区、密封区等不同区域，不同区域铝板规格不同，通过精简规格种类，汇总板材规格，供货规格涉及 5mm30mm 厚度范围，板幅宽度主要为2200mm，板幅长度最长可达 9500mm，以 20 万方 LNG 储罐为例，单罐用量超过四百张，具体见表 2。表 2 某 20 万方 LNG 储罐 5083 铝板供货规格汇总 表 2 某 20 万方 LNG 储罐 5083 铝板供货规格汇总 规格 序号 名称 厚/mm 宽/mm 长/mm 单罐量/张 1 5083-O 铝板 5 2200 60009500 295 2 5083-O 铝板 5 2200 60009000 40 3 5083-O 铝板 512 15002200 50007000 26 4 5083-O 铝板 1530 15002200 50007000 75 sum 436 2 工艺技术分析 2 工艺技术分析 在生产 LNG 储罐用 5083 铝板时，依据特定技术要求，交货状态、轧制温度、UT 检测等技术状态的确定是关键，更是保证铝板符合质量的重点环节。2.1 交货状态分析 LNG 储罐用铝板，一般要求铝板在交货时要经过退火、回火达到指定“等级 O”才能交货。在实际生产中，厚度在 5mm30mm 之间的铝板只需要经过退火即可达到相关要求进行交货，无须进行回火程序；厚度小于 5mm 或大于 30mm 的板是不需要经过退火工序。厚度小于 5mm 的铝板如果进行退火等热处理工序容易引起板面不平度甚至塌陷等问题的出现，而 30mm 厚的窄板，由于板面较厚，可以通过提高轧制温度即可达到满足要求的交货状态。2.2 铸锭均匀化处理 从抗腐蚀的角度来说，铸锭是需要做均匀化处理，一般136 刘永腾：大型 LNG 储罐用 5083 铝板热轧工艺设计特点 是在 460470下保温 24h。2.3 轧制温度控制 开轧温度一般控制在 480左右，终轧温度在 320上下。研究表明，铝板铸态塑性最佳温度范围为 450480，并在此温度区间内随着温度的升高原料的热加工性能增强，所形成的产品质地均匀，晶粒排列致密，铝板质量更高，同时，还可以有效降低热轧裂边现象的发展，边部质量有所增加，表 3 反映了最佳温控区试验结果。对于终轧温度，过高的终轧温度反而使铝板屈服强度降低，不必严格控制终轧温度。表 3 5083 铸锭热轧温控区试验 表 3 5083 铸锭热轧温控区试验 温控范围 410430 450480 520540 开裂程度 存在铸锭碎裂现象，开裂率较高，稳定性差 几乎无开裂，个别有边部轻微裂纹情况 铸锭碎裂，尤其边部更严重 2.4 100%UT 检测 针对厚度大于10mm的铝板，需要进行100%超声波检验，以保证铝板 100%质量合格应用到工程当中，规避因小问题引起大质量事故的不利性。同时，要求具有第三方检测资质的公司进行铝板 UT 检测并出具具有有效盖章的检测报告或聘请国际认可的第三方认证人员驻厂认证，最大限度保证业主权益。2.5 避免“钠脆”现象 热处理过程中 Na 含量过高容易引起“钠脆”现象，一般要求 Na 含量小于等于 5ppm。这是由于 Na 的熔点较低，使其不容易溶解在铝中，主要以游离态形式富集于晶界上，相比于晶粒内的原子具有更高的能量，更容易产生应力集中，是金属产生破坏的源点，当 Na 元素集聚到一定值，产生的应力集中力大于临界应力时，金属开始出现开裂现象，并随着集中力的逐渐增大开裂程度加强，钠含量对 5083 铸锭热轧开裂的影响见图 3。图 3 钠含量对 5083 铸锭热轧开裂的影响 图 3 钠含量对 5083 铸锭热轧开裂的影响 因此，要采取措施降低 Na 含量，可以使用无钠型溶剂进行铝板的熔炼工序，可通过添加金属元素（铋、锑等）与钠元素反应形成难容化合物方式除钠，另外熔炼时，可通过注入氩一氯混合气体或惰性气体方式，使其与金属熔体在流动中充分接触，不仅除钠效果理想，还可以将熔体氢含量减少。可以通过向熔体通人氩一氯混合气体，加强炉内精炼和在线除气精炼，有效除渣除钠，并降低熔体氢含量，同时还能防止扁锭疏松当。2.6 Mg、Mn 元素控制 合金元素 Mg 是 5083 中的主要强化元素，能够显著提高铝板在加工中的硬化敏感性，从而增强铝板的应变强化度，具有一定的固溶强化作用。标准中要求 Mg 含量控制在0.4%1.0%，控制 Mg 含量接近上限，可得到较好屈服强度指标，同时铝板的性能较为稳定。合金元素 Mn 可以起到补充强化作用，将铝板的再结晶温度提升，减弱晶粒粗化效应，增加 Mn 元素含量，可有效增强合金强度性能，比等量 Mg 效果会更好些，同时铝板的热裂倾向性可以得到有效降低，因此 Mn 元素含量控制在偏上限处为宜。3 结 论 3 结 论 本文针对大型 LNG 储罐用 5083 铝板热轧工艺设计特点进行分析，并得出了适用性结论：（1）实际生产中，厚度在 5mm30mm 之间的铝板只需要经过退火即可达到交货状态要求。（2）铸锭宜在 460470下保温 24h。（3）Na 含量不超过 5ppm。（4）开轧温度一般控制在 480左右，终轧温度在 320上下。（5）Mg、Mn 元素含量尽量控制在标准要求上限处。参考文献 参考文献 1 Standard Specification for Aluminum and Aluminum-Alloy Sheet and Plate:ASTM B209MS.2 Design and manufacture of site built,vertical,cylindrical,flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated,liquefied gases with operating temperatures between 0 and-165:EN14620S.3 扬帆,张超,李牧,等.大型液化天然气储罐吊顶结构设计浅析J.石油化工设备,2015(03).