在液化天然气（LNG）、液氧、液氮、液氢等低温介质的储存与运输领域，低温罐作为核心设备，其安全性直接关系到人员生命、财产安全与环境风险。低温环境下，材料会发生低温脆化（又称冷脆）——即在某一临界温度以下，材料的韧性急剧下降，受冲击或应力时易产生脆性断裂，而这种断裂往往无明显塑性变形征兆，极具隐蔽性与破坏性。历史上多起低温储罐泄漏、爆炸事故，均与材料耐低温脆化性能不足或选材不当密切相关。因此，如何在设计、制造、运行全周期科学选材，并配套检测与维护措施，是保障低温罐安全运行的关键。本文将围绕低温脆化机理、材料性能要求、选材原则、关键部件选材方案、检测与运行保障措施展开系统论述。
一、低温脆化的机理与影响因素
1. 机理概述
低温脆化源于材料显微组织的温度敏感性。对于体心立方（BCC）结构的铁素体钢、某些铝合金及非金属材料，在温度降低到某一临界值（韧脆转变温度，DBTT）以下时，位错运动受阻，晶界与缺陷处易萌生裂纹，裂纹扩展阻力降低，宏观表现为冲击韧性骤降、断裂模式由韧性转变为脆性。
2. 主要影响因素
材料晶体结构：BCC结构（如碳钢、低合金钢）对温度敏感，易发生脆化；面心立方（FCC）结构（如奥氏体不锈钢、铜、镍、铝合金）在低温下仍保持良好韧性。
化学成分：钢中磷、硫、砷、锡等杂质元素偏聚晶界，降低晶界结合力，显著提高DBTT；镍元素可提高钢的低温韧性。
晶粒尺寸与组织：细化晶粒可降低DBTT；热处理状态（淬火+回火）可改善韧性。
应力状态与加载速率：冲击载荷或快速加载易诱发脆断；三向拉应力状态（如缺口、裂纹尖端）会加剧脆化倾向。
介质与环境因素：某些低温介质（如液氢）可能引起氢脆，加速裂纹扩展。
二、低温罐材料性能要求
低温罐选材需同时满足力学性能、低温韧性、耐蚀性、可焊性、经济性五大要求：
力学性能
足够的强度（屈服强度、抗拉强度）以承受设计压力与液柱静压；
良好的塑性（延伸率≥20%）与韧性，防止脆性断裂。
低温韧性指标
夏比V型缺口冲击功（CVN）：在最低设计金属温度（MDMT）下，三个试样平均值≥27J（ASTM A320/A333要求），重要部位可提高至≥47J；
韧脆转变温度（DBTT）应低于MDMT，且留有足够裕度（一般低20℃以上）。
耐蚀性
抵抗低温介质腐蚀（如LNG中微量硫化物、液氧的强氧化性）；
防止应力腐蚀开裂（SCC）与氢致开裂（HIC）。
可焊性
焊接热影响区（HAZ）韧性不显著下降；
焊接工艺成熟，焊缝与母材性能匹配。
经济性
在满足安全要求前提下，兼顾材料成本与加工难度。
三、选材基本原则
按最低设计金属温度（MDMT）选材
根据储存介质的最低工作温度（如LNG约-162℃，液氢约-253℃），确定MDMT，再选择韧脆转变温度远低于MDMT的材料。
优先选用低温韧性优良的材料系列
奥氏体不锈钢（如304L、316L）：FCC结构，-196℃仍具良好韧性，耐蚀性好，但成本较高；
镍钢（如9%Ni钢）：BCC结构但通过镍合金化显著改善低温韧性，可用于-162℃ LNG储罐；
铝合金（5083、6061-T6）：低温韧性优异，密度低，适用于小型移动低温容器；
铜及铜合金：低温韧性好，导热性佳，常用于液氧等场合。
避免或慎用易脆化材料
普通碳钢（如Q235）在-20℃以下DBTT显著升高，不宜用于深冷设备；
未经低温性能评定的铸铁、非调质高碳钢严禁使用。
考虑材料在焊接与服役中的性能稳定性
选用经过低温冲击试验验证的钢板、锻件及焊材，避免使用杂质含量高的劣质材料。
四、关键部件选材方案
1. 罐体主体结构
大型固定式LNG储罐：内壁常用9%Ni钢（ASTM A553 Type I / A353），外壁用预应力混凝土或碳钢+保温层；9%Ni钢在-162℃ CVN冲击功可达100J以上，DBTT约-170℃。
中小型LNG罐/液氧罐：可采用奥氏体不锈钢（304L、316L）或铝合金（5083-O），前者耐蚀性更优，后者轻量化突出。
液氢储罐：因温度极低（-253℃），常用奥氏体不锈钢（304L、316L）或镍基合金（Invar合金，低热膨胀系数）。
2. 接管与法兰
材料应与罐体匹配，避免因成分差异导致接头脆化；
法兰密封面需考虑低温收缩变形，选用韧性好的锻件（如ASTM A182 F304L）。
3. 支撑与拉杆
支撑结构若暴露于低温环境，需选用低温韧性材料（如低温碳钢ASTM A516 Gr.70经正火处理，或镍钢）；
若支撑在常温区，需考虑热应力，采用绝热与补偿设计。
4. 焊接材料
焊材的低温冲击功应不低于母材要求；
镍钢焊接常用镍基焊条（如ERNiCrMo-3）或匹配的低氢焊条，防止HAZ脆化。
五、检测与认证保障
材料入厂检验
化学成分分析（光谱法），严格控制P、S等有害元素；
力学性能试验（拉伸、弯曲）；
低温冲击试验（在MDMT或更低温度下取样）。
焊接工艺评定（WPS/PQR）
按ASME IX或NB/T 47014进行，验证焊缝及HAZ在低温下的韧性。
无损检测（NDT）
超声检测（UT）、射线检测（RT）排查裂纹、未熔合；
表面磁粉或渗透检测（MT/PT）查找表面缺陷。
第三方认证
按压力容器规范（如ASME VIII Div.1、GB/T 150）进行设计审核与制造监督检验，取得使用登记证。
六、运行维护与风险防控
防冲击与防过载
避免低温罐受到意外撞击或地震载荷；
安全阀、爆破片等泄压装置定期校验，防止超压。
温度监控与报警
设置多点温度监测，异常升温可能预示泄漏或火灾；
低温报警联动应急响应。
定期复检
每5~10年对罐体进行开罐检验，检查材料韧性退化、腐蚀、裂纹；
对曾经历异常工况（如超温、地震）的罐体缩短检验周期。
应急预案
制定泄漏、火灾、爆炸应急程序；
配备个人防护装备与气体检测仪器。
七、典型案例与技术趋势
某LNG接收站曾因采用未经低温冲击验证的普通低温碳钢作罐体支撑，在寒潮中发生支撑脆断，导致罐体倾斜。事后分析表明，该材料在-40℃ DBTT高于实际环境温度，且存在焊接缺陷。整改后更换为9%Ni钢并严格按规范焊接与检测，安全运行至今。
技术趋势：
复合材料：碳纤维增强树脂基复合材料在低温下韧性好、重量轻，开始用于小型低温容器；
智能监测：植入式光纤传感器实时监测应力与温度变化，预警脆化风险；
新材料研发：高镍奥氏体钢、纳米晶合金等进一步提升低温韧性与强度。
结语
低温罐材料耐低温脆化风险的防控，始于科学严谨的选材，成于全流程的质量控制与运行管理。必须依据低设计金属温度，优选奥氏体不锈钢、镍钢、铝合金等低温韧性优良的材料，严控化学成分与杂质含量，确保焊接接头性能，并通过完善的检测认证与定期维护，形成“选材—制造—运行—监测—维护”的安全闭环。只有这样，才能有效抵御低温脆化威胁，保障低温罐在全生命周期内的安全可靠运行，为清洁能源与特种气体的安全储运保驾护航。
苏公网安备32102302010786号