用於將加壓液化天然氣從儲存地輸送到目的地的方法

2023-05-02 15:20:36

專利名稱：用於將加壓液化天然氣從儲存地輸送到目的地的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於輸送加壓液化天然氣(PLNG)的管道配送網絡系統，更特別地，本發明涉及具有管道和其它部分的上述系統，所述管道和其它部分由一種超高強度、低合金鋼製成，所述鋼含有低於9wt％的鎳並具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度和低於大約-73℃(-100°F)的DBTT。
本發明還涉及一種用於將加壓液化天然氣從儲存地輸送到目的地的方法。
背景技術：
下面的說明書中定義了多種術語。為方便起見，在緊靠權利要求書之前提供了一個術語表。
許多天然氣源位於邊遠地區，距任何天然氣的商業市場都很遠。有時可利用管道將所生產的天然氣輸送到商業市場。當到商業市場的管道輸送不可行時，所生產的天然氣通常被處理成用於輸送到市場的LNG。LNG一般通過特別建造的油輪來輸送，然後在一個靠近市場的輸入終點儲存和再蒸發。用於液化、輸送、儲存和再蒸發天然氣的設備通常十分昂貴；包括場地開發費用，一個典型的常規LNG項目可耗資五十億至一百億美元。一個典型的「基礎」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施。通常，在邊遠地區發現的天然氣資源小於280Gm3(10TCF)。即使對於符合280Gm3(10TCF)這一最低要求的天然氣資源基地，為了經濟地處理、儲存和輸送LNG形式的天然氣，還是要求所有的參與者，即LNG供應商、LNG輸送商以及大型公用設施LNG用戶進行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，常規LNG傳輸鏈通常不具有經濟競爭力。
常規LNG工廠在大約-162℃(-260°F)的溫度下和在大氣壓下生產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)的溫度進入常規LNG工廠。在一個常規兩機組LNG工廠中，需要達大約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烴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，在處理設備中造成堵塞問題。在常規LNG工廠中，需要氣體處理設備以除去二氧化碳和酸性氣體。氣體處理設備通常使用化學和/或物理溶劑回收過程並需要大量的資金投入。而且，與工廠中其它設備的操作費用相比，其操作費用較高。需要諸如分子篩的乾燥床脫水劑來除去水蒸氣。洗滌塔和分餾設備被用來除去容易導致堵塞問題的烴。在常規LNG工廠中還要除去汞，因為它會導致鋁製設備的破壞。另外，可能存在於天然氣中的大部分的氮經過處理後被除去，因為在常規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、管道和其它設備通常至少是部分由鋁或含鎳鋼(例如，9wt％的鎳)製成。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)，除了用在常規工廠中外，還通常被用於在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於大約2.3億美元。一個在中東生產LNG並將其輸送到遠東的典型的常規項目可能需要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，為了使邊遠地區的天然氣資源與可替代能源儲備有效地競爭，需要一種用於處理、儲存以及輸送LNG至商業市場的更為經濟的系統。此外，需要一種使邊遠地區較小的天然氣資源商品化的系統，在其它情況下對該資源的開發可能是不經濟的。另外，需要一種更為經濟的氣化和配送系統，該系統能夠使LNG對較小的用戶有經濟上的吸引力。
因此，本發明的主要目的是提供一種用於處理、儲存LNG和將其從邊遠來源輸送至商業市場的更經濟的系統，以及顯著地減少儲藏量和市場的臨界規模，從而使LNG項目經濟上可行。達到上述目的的一種方法是在與常規LNG工廠相比更高的壓力和溫度下處理LNG，即在高於大氣壓的壓力下和高於-162℃(-260°F)的溫度下處理LNG。儘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文獻中進行了討論，這些文獻通常討論用含鎳鋼(例如，9wt％的鎳)或鋁製造輸送容器，這兩種材料可以符合設計要求，但都十分昂貴。例如，在witherby Co.Ltd.出版的《經過海洋的天然氣一種新技術的開發》(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 ship Sigalpha)的改裝，以輸送處於1380kPa(200psig)和-115℃(-175°F)的MLG(中等狀態液化氣)，或在7935kPa(1150psig)和-60℃(-75°F)下處理的CNG(壓縮天然氣)。Ffooks先生指出，儘管技術上得到了證實，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Ffooks先生所參考的一篇關於此題目的論文，對於CNG服務，即在-60℃(-75°F)下，設計目標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(International LNGConference)上發表的「一種用於天然氣輸送的新方法」(A newprocess for the transportation of natural gas))。這篇論文還提出，對於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，Ffooks先生在164頁討論了OceanPhoenix Transport設計，它在大約414kPa(60psig)這一更低的壓力下工作，其中的儲罐可由9％鎳鋼或鋁合金製造；Ffooks先生再一次指出，該方案好象不能提供使其商業化的足夠的技術或經濟優勢。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製造用於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))的壓力下用於LNG輸送的由含9％鎳或類似的鋼製成的儲罐；(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，使用容器來輸送處於密相單流體狀態的天然氣，其中的容器由諸如1到2％鎳鋼的材料製成，所述鎳鋼經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於1979年三月在CME上發表的「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％鎳的經過淬火和回火的鋼製成並具有9.5英寸的壁厚。
儘管這些概念在工業文獻中得到了討論，但據我們所知，目前並沒有在顯著高於大氣壓的壓力下和在顯著高於-162℃(-260°F)的溫度下將LNG商業化地處理、儲存和輸送。這一現象可能基於的事實是，在上述壓力和溫度下，用於通過海洋或通過陸地來處理、儲存、輸送、以及配送LNG的經濟的系統迄今還沒有被商業化。
通常被用於低溫結構應用中的含鎳鋼-例如鎳含量高於大約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％鎳鋼在DBTTs分別大約為-100℃(-150°F)、-155℃(-250°F)和-175℃(-280°F)，抗張強度可分別達到大約485MPa(70ksi)、620MPa(90ksi)和830MPa(120ksi)。為達到這種強度與韌性的組合，這些鋼通常經過昂貴的處理，例如雙退火處理。在低溫應用的情況下，工業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範圍內設計。這些設計通常需要過大的鋼厚度以用於負載支承、低溫應用。因此，在負載支承、低溫應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「用於處理、儲存和輸送液化天然氣的改進的系統」，它們描述了在大約1035kPa(150psia)至大約7590kPa(1100psia)這一寬廣範圍內的壓力下，以及在大約-123℃(-190°F)至大約-62℃(-80°F)這一寬廣範圍內的溫度下，用於加壓液化天然氣(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先權日是1998年5月14日，申請人的案卷號是No.97006P4，美國專利和商標局(「USPTO」)給予的申請號是60/085467。所述第一個PLNG專利申請的優先權日是1997年6月20日，USPTO給予的申請號是60/050280。所述第二個PLNG專利申請的優先權日是1997年7月28日，USPTO給予的申請號是60/053966。所述第三個PLNG專利申請的優先權日是1997年12月19日，USPTO給予的申請號是60/068226。所述第四個PLNG專利申請的優先權日是1998年3月30日，USPTO給予的申請號是60/079904。然而PLNG專利申請並沒有描述用於PLNG輸送的管道配送網絡系統。
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施輸送到最終用戶處。液氮被輸送穿過大學校園和設施，例如通過管道配送網絡系統輸送。特別的是，由於天然氣清潔燃燒的特點，近幾年LNG的市場增長了。儘管天然氣通常通過一個管道配送網絡系統來供應，但據我們所知，目前還沒有用於PLNG的商用管道配送網絡系統。如果可以用一種更加經濟的方式來輸送和傳送PLNG的話，與LNG相比，以PLNG的形式傳送生產出的天然氣對最終用戶來說是有利的，原因是PLNG被更加經濟地處理過。另外，與CNG相比，PLNG更高的液體密度被轉化為在給定體積下更高的產品質量或能量。
在低溫下，即在比大約-40℃(-40°F)更低的溫度下，通常用於製造諸如天然氣的流體的商用管道配送網絡系統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)或不鏽鋼，通常被用於製造承受低溫條件的管道配送網絡系統。而且還可以使用特殊材料，例如鈦合金和特殊的環氧浸漬的織造玻璃纖維複合物。這些材料比較昂貴，因此通常使項目在經濟上沒有吸引力。這些缺點使目前在市場上可購得的材料對製造用於PLNG輸送的管道配送網絡系統而言在經濟上沒有吸引力。如PLNG專利申請中所討論的，對適用於PLNG海運的容器的發現，再結合目前處理PLNG的能力，使得對於管道配送網絡系統的需求變得十分突出，該系統用於經濟上有吸引力的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勢。下面是對已經存在和正在出現的使用天然氣以得到能源的應用的簡短描述，而且所述應用將從為了天然氣的陸地輸送和傳送的更為經濟的系統-例如管道配送網絡系統-的存在中明顯地獲益。
在用於天然氣配送的基礎設施不存在的邊遠地區，通常用卡車輸送LNG以滿足燃料需求。另外，對於幾個重要能源項目來說，當地的條件正日益使輸送的LNG成為天然氣管道之外的另一個具有經濟競爭性的選擇。為了在阿拉斯加東南部的十七個社區的遠距離LNG基本負載系統，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英裡之外的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來說，遠距離基本負載LNG供應設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-特別是以改進了的輸送系統的經濟情況-為大規模LNG的輸送和使用提供了新的趨勢。如果存在一種更加經濟的PLNG的陸地輸送方式，例如管道配送網絡系統，在上述和其它類似的陸地應用中，正在出現的PLNG技術可以使將PLNG用作燃料在經濟上可行。
另外，為保持連續不間斷的天然氣供應，對「可移動管道」-可輸送的LNG/蒸發器-系統的使用正日益增長。這可以幫助天然氣公司避免服務中斷並在需求高峰時期，例如寒冷的冬日、地下管道破裂的緊急情況下、天然氣系統的維護期間，使天然氣持續流向用戶。取決於具體的應用，可將一個LNG蒸發器安裝或放置在天然氣配送系統上的一個關鍵地點，當操作條件有保證時，將LNG罐車開到此處以提供蒸發的LNG。據我們所知，為了在需求高峰時提供附加的天然氣，目前還沒有用於將PLNG-而不是LNG-輸送到上述蒸發器的商用PLNG管道配送網絡系統。
最後，據預測，許多亞洲的目前和將來主要的LNG進口商將提供最大的潛力以將LNG用作機動車燃料(達到進口量的20％)。根據當地的情況，用管道配送網絡系統將LNG輸送到燃料補給站將是最具吸引力的經濟選擇。特別地，當不存在現有的用於天然氣配送的基礎設施時，具有成本效益的管道配送系統設計將使PLNG輸送成為一種更具吸引力和經濟的選擇。
存在對有經濟性的系統的需求，該系統用於PLNG的管道配送網絡輸送，從而使遠距離的天然氣資源與其它可選擇的能源供應更有效地競爭。

發明內容
因此，本發明的一個特別的目的是提供一種在比常規LNG系統顯著提高的壓力和溫度下，用於LNG輸送的經濟的管道配送網絡系統。本發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絡系統，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製成以容納所述加壓液化天然氣。本發明的又一個目的是提供一種用於將加壓液化天然氣從儲存地輸送到目的地的方法。
與上述本發明的目的一致，提供了管道配送網絡系統，用於在大約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)。本發明的管道配送網絡系統具有管道和其它部分，它們由包括一種超高強度、低合金鋼的材料製成，所述鋼含有低於9wt％的鎳並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，例如具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度(見本發明的定義)和低於大約-73℃(-100°F)的DBTT(見本發明的定義)。此外，本發明提供了用於將加壓液化天然氣從儲存地輸送到目的地的方法。


通過參考下面的詳細描述和附圖，將對本發明的優點有更好的理解，附圖中圖1簡要顯示了一個本發明的管道配送網絡系統。
圖2A顯示了在給定的裂縫長度下，臨界裂縫深度與CTOD斷裂韌性以及與殘餘應力的關係曲線；以及圖2B顯示了一個裂縫的幾何形狀(長度和深度)。
具體實施例方式
儘管結合優選的實施方案對本發明進行描述，應該理解的是本發明並不限於此。相反地，本發明意圖包括所有的改動、改進以及等同形式，如所附權利要求書中的定義，它們被包括在本發明的實質和範圍之中。
本發明涉及用於輸送PLNG的管道配送網絡系統。提供了管道配送網絡系統，用於在大約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)，其中管道配送網絡系統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、低合金鋼的材料製成，所述鋼含有低於9wt％的鎳並具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度和低於大約-73℃(-100°F)的DBTT。另外，提供了管道配送網絡系統，用於在大約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，其中管道配送網絡系統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、低合金鋼的材料製成，所述鋼含有低於9wt％的鎳，並且(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。
此外，本發明提供了用於將加壓液化天然氣從儲存地輸送到目的地的方法，所述方法包括下列步驟(a)將具有1035kPa(150psia)至7590kPa(1100psia)的壓力以及-123℃(-190°F)至-62℃(-80°F)的溫度的所述加壓液化天然氣輸送到位於所述儲存地的管道配送網絡系統的入口，其中所述管道配送網絡系統具有至少一條管道，該管道通過把包括一種超高強度、低合金鋼的材料的至少一塊分離的板彎曲並連接在一起而製成，所述鋼含有低於9重量％的鎳並具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度和低於-73℃(-100°F)的DBTT，並且其中通過所述連接而形成的任何接縫在所述壓力和溫度條件下具有足夠的強度和韌性以容納所述加壓液化天然氣；和(b)將所述加壓液化天然氣用泵輸送到位於所述目的地的所述管道配送網絡系統的出口。在一個優選的方法中，所述管道配送網絡系統具有至少一個儲存容器，其中所述儲存容器通過把包括一種超高強度、低合金鋼的材料的多塊分離的板連接在一起而製成，所述鋼含有低於9重量％的鎳並具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度和低於-73℃(-100°F)的DBTT，並且其中所述分離的板之間的連接處在所述壓力和溫度條件下具有足夠的強度和韌性以容納所述加壓液化天然氣。在另一個優選的方法中，用於把所述加壓液化天然氣轉化成氣體並且把所述氣體輸送到用戶或配送商的蒸發設備與所述管道配送網絡系統的所述出口相連；更優選的是，該方法進一步包括下列步驟(c)將所述氣體輸送到氣體管道。
PLNG輸送管道實現本發明的管道配送網絡系統的關鍵，是適於在大約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)的溫度下生產和輸送PLNG。更優選地，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)的溫度下生產和輸送PLNG。進一步優選地，PLNG的壓力和溫度範圍的下限是大約2760kPa(400psia)和大約-96℃(-140°F)。提供了一種用於容納和輸送PLNG的管道，其中所述管道由包括一種超高強度、低合金鋼的材料製成，所述鋼含有低於9wt％的鎳並具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度和低於大約-73℃(-100°F)的DBTT。另外，提供了諸如配件的系統的其它部分，其中所述配件由包括一種超高強度、低合金鋼的材料製成，所述鋼含有低於9wt％的鎳並具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度和低於大約-73℃(-100°F)的DBTT。適用於本發明的管道配送網絡系統的存儲容器在PLNG專利申請中得到了更為詳細的描述。
用於製造管道和其它部分的鋼根據如本發明所述的已知斷裂力學原理，用於容納在操作條件下的低溫流體例如PLNG的任何超高強度、低合金鋼可被用於製造本發明的管道和其它部分，所述鋼含有低於9wt％的鎳並且具有足夠的韌性。用於本發明的鋼的一個實例(並不因此限制本發明)是一種可焊接的、超高強度、低合金鋼，它含有低於9wt％的鎳並具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度和足以防止在低溫操作條件下發生斷裂(即一種破壞現象)的韌性。用於本發明的鋼的另一個實例(並不因此限制本發明)是一種可焊接的、超高強度、低合金鋼，它含有低於大約3wt％的鎳並具有至少大約1000MPa(145ksi)的抗張強度和足以防止在低溫操作條件下發生斷裂(即一種破壞現象)的韌性。優選地，這些鋼的實例具有低於大約-73℃(-100°F)的DBTT。
鋼製造技術的最近進展使得生產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於處理這些鋼的方法，以用來生產具有大約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被改進和變動，以提供組合的鋼的化學性質和用於生產超高強度、低合金鋼的方法，當被焊接時，所述鋼在基底鋼和在熱影響區(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準的、市場上可購得的、超高強度、低合金鋼改進了的韌性。在優先權日為1997年12月19日、美國專利和商標局(「USPTO」)給予的申請號是60/068194、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，在優先權日為1997年12月19日、USPTO給予的申請號是60/068252、題為「具有極好低溫韌性的超高強度的經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，以及在優先權日為1997年12月19日、USPTO給予的申請號是60/068816、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」)，對改進的鋼進行了描述。
在鋼專利申請中描述的並在下面的實施例中進一步描述的新型鋼，特別適合於製造本發明的用於儲存和輸送PLNG的容器，因為所述鋼具有下面的特性，優選地，對於厚度大約為2.5cm(1英寸)或更厚的鋼板(i)在基底鋼以及在焊接HAZ中，低於大約-73℃(-100°F)、優選低於大約-107℃(-160°F)的DBTT；(ii)高於830MPa(120ksi)、優選高於大約860MPa(125ksi)、更優選高於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構和性質基本一致；以及(v)比標準的、市場上可購得的、超高強度、低合金鋼改進了的韌性。更為優選地，這些鋼具有高於大約930MPa(135ksi)、或高於大約965MPa(140ksi)、或高於大約1000MPa(145ksi)的抗張強度。
第一個鋼的實例如上面所討論的，優先權日為1997年12月19日、題為「具有極好低溫韌性的超高強度的鋼」、USPTO給予的申請號是60/068194的共同未決的美國臨時專利申請提供了對適用於本發明的鋼的描述。提供了用於製備超高強度鋼板的方法，所述鋼板具有的微觀結構包括佔主體的經過回火的細晶粒的板條狀馬氏體、經過回火的細晶粒的下貝氏體、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)在鋼板坯中形成細密的初始奧氏體晶粒；(b)在奧氏體再結晶的第一溫度範圍內，在一個或多個熱軋道次中壓縮鋼板坯以形成鋼板；(c)在低於大約Tnr溫度和高於大約Ar3轉化溫度的第二溫度範圍內，在一個或多個熱軋道次中進一步壓縮鋼板坯；(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轉化溫度，優選至多(但不包括)Ac1轉化溫度，這段時間足以導致淬火顆粒的沉澱，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。足以導致淬火顆粒的沉澱的時間段主要取決於鋼板的厚度、鋼板的化學性質以及回火溫度，而且可以被本領域的技術人員所確定。(參見術語表對佔主體的、淬火顆粒、Tnr溫度、Ar3、MS和Ac1轉化溫度以及Mo2C的定義。)為確保環境和低溫溫度下的韌性，該第一鋼實例優選具有一種微觀結構，該微觀結構包括佔主體的經過回火的細晶粒的下貝氏體、經過回火的細晶粒的板條狀馬氏體、或它們的混合物。優選地儘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利要求書中，「佔主體的」意思是指至少大約50vol％。更優選地，該微觀結構包括至少大約60vol％至大約80vol％的經過回火的細晶粒的下貝氏體、經過回火的細晶粒的板條狀馬氏體、或它們的混合物。進一步優選地，該微觀結構包括至少大約90vol％的經過回火的細晶粒的下貝氏體、經過回火的細晶粒的板條狀馬氏體、或它們的混合物。最優選地，該微觀結構包括基本上100％的經過回火的細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製造，而且在一個實施方案中，該鋼板坯含有鐵和下述合金元素，優選以重量範圍顯示在下面的表I中表I合金元素範圍(wt％)碳(C) 0.04-0.12，更優選0.04-0.07錳(Mn)0.5-2.5，更優選1.0-1.8
鎳(Ni)1.0-3.0，更優選1.5-2.5銅(Cu)0.1-1.5，更優選0.5-1.0鉬(Mo)0.1-0.8，更優選0.2-0.5鈮(Nb)0.02-0.1，更優選0.03-0.05鈦(Ti)0.008-0.03，更優選0.01-0.02鋁(Al)0.001-0.05，更優選0.005-0.03氮(N) 0.002-0.005，更優選0.002-0.003有時將釩(V)加入鋼中，優選至多大約0.10wt％，更優選為大約0.02wt％至大約0.05wt％。
有時將鉻(Cr)加入鋼中，優選至多大約1.0wt％，更優選為大約0.2wt％至大約0.6wt％。
有時將矽(Si)加入鋼中，優選至多大約0.5wt％，更優選為大約0.01wt％至大約0.5wt％，進一步優選為大約0.05wt％至大約0.1wt％。
有時將硼(B)加入鋼中，優選至多大約0.0020wt％，更優選為大約0.0006wt％至大約0.0010wt％。
鋼中優選含有至少大約1wt％的鎳。如需要的話，鋼中的鎳成分可被增至大約3wt％以上以提高其焊接後的性能。每增加1wt％的鎳含量預期會使鋼的DBTT降低大約10℃(18°F)。鎳含量優選低於9wt％，更優選低於大約6wt％。優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於大約0.5wt％至0.0wt％。因此，廣義地說，至多大約2.5wt％的錳是優選的。
另外，優選將鋼中的殘渣基本上減到最少。磷(P)成分優選低於大約0.01wt％。硫(S)成分優選低於大約0.004wt％。氧(O)成分優選低於大約0.002wt％。
稍微詳細一點，根據該第一鋼實例的鋼的製備方法是形成板坯，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；在奧氏體再結晶的第一溫度範圍內，即高於大約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，進一步在低於大約Tnr溫度和高於大約Ar3轉化溫度的第二溫度範圍內，在一個或多個道次中熱軋鋼板，將其壓縮大約40％至大約80％。然後以大約10℃/秒至大約40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷卻速率使經過熱軋的鋼板淬火到適宜的QST(見術語表中的定義)，該溫度大約在MS轉化溫度加上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，鋼板隨後被空氣冷卻到環境溫度。該方法被用來產生一種微觀結構，該微觀結構優選包括佔主體的細晶粒的板條狀馬氏體、細晶粒的下貝氏體、或它們的混合物，或者，更優選地包括基本上100％的細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轉化溫度這一合適的溫度下進行回火，可以改進它的韌性。在這個溫度範圍內鋼的回火還導致淬火應力的降低，隨之導致韌性的增加。儘管回火可增加鋼的韌性，但通常導致相當大的強度損失。在本發明中，由回火導致的通常的強度損失通過引發沉澱彌散硬化來彌補。在馬氏體結構的回火過程中，由細密的銅沉澱和混合的碳化物和/或碳氮化物引起的彌散硬化可被用來優化強度和韌性。該第一鋼實例的鋼的獨特的化學性質，使得可以在大約400℃至大約650℃(750°F-1200°F)這一寬範圍內進行回火而不導致淬火狀態強度任何明顯的損失。優選在回火溫度下使鋼板回火一段時間，該溫度從高於大約400℃(752°F)到低於Ac1轉化溫度，這段時間足以導致淬火顆粒(見本發明的定義)的沉澱。該方法促進了鋼板的微觀結構轉化成佔主體的經過回火的細晶粒的板條狀馬氏體、經過回火的細晶粒的下貝氏體、或它們的混合物。另外，足以導致淬火顆粒的沉澱的時間段主要取決於鋼板的厚度、鋼板的化學性質以及回火溫度，而且可以被本領域的技術人員所確定。
第二個鋼的實例如上面所討論的，優先權日為1997年12月19日、題為「具有極好低溫韌性的超高強度的經過奧氏體時效處理的鋼」、USPTO給予的申請號是60/068252的共同未決的美國臨時專利申請提供了對適用於本發明的其它鋼的描述。提供了用於製備超高強度鋼板的方法，所述鋼板具有微層狀的微觀結構，該結構包括大約2vol％到大約10vol％的奧氏體薄層以及大約90vol％到大約98vol％的佔主體的細晶粒的馬氏體和細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)在鋼板坯中形成細密的初始奧氏體晶粒；(b)在奧氏體再結晶的第一溫度範圍內，在一個或多個熱軋道次中壓縮鋼板坯以形成鋼板；(c)在低於大約Tnr溫度和高於大約Ar3轉化溫度的第二溫度範圍內，在一個或多個熱軋道次中進一步壓縮鋼板；(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轉化溫度加上100℃(180°F)以下、在大約MS轉化溫度以上；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一步包括使鋼板從QST空氣冷卻到環境溫度的步驟。在另一個實施方案中，該第二鋼實例的方法進一步包括的步驟是將鋼板空氣冷卻至環境溫度之前，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境溫度之前，使鋼板以低於大約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，本發明的方法還包括的步驟是將鋼板空氣冷卻至環境溫度之前，使鋼板以低於大約1.0℃/秒(1.8°F/秒)的速率從QST緩慢地冷卻至多大約5分鐘。該方法促進了鋼板的微觀結構轉化成大約2vol％到大約10vol％的奧氏體薄層以及大約90vol％到大約98vol％的佔主體的細晶粒的馬氏體和細晶粒的下貝氏體的板條(參見術語表對Tnr溫度、Ar3和MS轉化溫度的定義。)為確保環境和低溫溫度下的韌性，在微層狀微觀結構中的板條優選包括佔主體的下貝氏體或馬氏體。優選地儘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利要求書中，「佔主體的」意思是指至少大約50vol％。剩餘的微觀結構可以包括附加的細晶粒的下貝氏體、附加的細晶粒的板條狀馬氏體、或鐵素體。更優選地，該微觀結構包括至少大約60vol％至大約80vol％的下貝氏體或板條狀馬氏體。進一步優選地，該微觀結構包括至少大約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製造，而且在一個實施方案中，該鋼板坯含有鐵和下述合金元素，優選以重量範圍顯示在下面的表II中表II合金元素 範圍(wt％)碳(C) 0.04-0.12，更優選0.04-0.07錳(Mn)0.5-2.5，更優選1.0-1.8鎳(Ni)1.0-3.0，更優選1.5-2.5銅(Cu)0.1-1.0，更優選0.2-0.5鉬(Mo)0.1-0.8，更優選0.2-0.4鈮(Nb)0.02-0.1，更優選0.02-0.05鈦(Ti)0.008-0.03，更優選0.01-0.02鋁(Al)0.001-0.05，更優選0.005-0.03氮(N) 0.002-0.005，更優選0.002-0.003有時將鉻(Cr)加入鋼中，優選至多大約1.0wt％，更優選為大約0.2wt％至大約0.6wt％。
有時將矽(Si)加入鋼中，優選至多大約0.5wt％，更優選為大約0.01wt％至大約0.5wt％，更加優選為大約0.05wt％至大約0.1wt％。
有時將硼(B)加入鋼中，優選至多大約0.0020wt％，更優選為大約0.0006wt％至大約0.0010wt％。
鋼中優選含有至少大約1wt％的鎳。如需要的話，鋼中的鎳成分可被增至大約3wt％以上以提高其焊接後的性能。每增加1wt％的鎳含量預期會使鋼的DBTT降低大約10℃(18°F)。鎳含量優選低於9wt％，更優選低於大約6wt％。優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於大約0.5wt％至0.0wt％。因此，廣義地說，至多大約2.5wt％的錳是優選的。
另外，優選將鋼中的殘渣基本上減到最少。磷(P)成分優選低於大約0.01wt％。硫(S)成分優選低於大約0.004wt％。氧(O)成分優選低於大約0.002wt％。
稍微詳細一點，根據該第二鋼實例的鋼的製備方法是形成板坯，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；在奧氏體再結晶的第一溫度範圍內，即高於大約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，進一步在低於大約Tnr溫度和高於大約Ar3轉化溫度的第二溫度範圍內，在一個或多個道次中熱軋鋼板，將其壓縮大約40％至大約80％。然後以大約10℃/秒至大約40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷卻速率使經過熱軋的鋼板淬火到適宜的QST，該溫度在大約MS轉化溫度加上100℃(180°F)以下而在MS轉化溫度以上，此時淬火被終止。在該第二鋼實例的一個實施方案中，在淬火終止後，使鋼板從QST空氣冷卻到環境溫度。在該第二鋼實例的另一個實施方案中，在淬火終止後，使鋼板在QST基本上等溫地保持一段時間，優選至多大約5分鐘，然後空氣冷卻到環境溫度。在又一個實施方案中，鋼板被以低於空氣冷卻的速率，即以低於大約1℃/秒(1.8°F/秒)的速率，緩慢冷卻，優選冷卻至多大約5分鐘。在又一個實施方案中，鋼板被以低於空氣冷卻的速率，即以低於大約1℃/秒(1.8°F/秒)的速率，從QST緩慢冷卻，優選冷卻至多大約5分鐘。在該第二鋼實例的至少一個實施方案中，MS轉化溫度大約是350℃(662°F)，因此，MS轉化溫度加上100℃(180°F)是大約450℃(842°F)。
如本領域的技術人員所知，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。如本領域的技術人員所知，可以通過任何合適的方法使鋼板在淬火被終止後緩慢冷卻，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，優先權日為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給予的申請號是60/068816的共同未決的美國臨時專利申請提供了對適用於本發明的其它鋼的描述。提供了用於製備超高強度雙相鋼板的方法，所述鋼板具有一種微觀結構，該結構包括大約10vol％到大約40vol％的第一相，該相是基本上100vol％(即基本上純淨的或「實質上的」)的鐵素體，以及大約60vol％到大約90vol％的第二相，該相是佔主體的細晶粒的板條狀馬氏體、細晶粒的下貝氏體、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)在鋼板坯中形成細密的初始奧氏體晶粒；(b)在奧氏體再結晶的第一溫度範圍內，在一個或多個熱軋道次中壓縮鋼板坯以形成鋼板；(c)在低於大約Tnr溫度和高於大約Ar3轉化溫度的第二溫度範圍內，在一個或多個熱軋道次中進一步壓縮鋼板；(d)在低於大約Ar3轉化溫度和高於大約Ar1轉化溫度的第三溫度範圍(即內臨界溫度(intercritical temperature)範圍)內，在一個或多個熱軋道次中進一步壓縮所述鋼板；(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優選在大約MS轉化溫度加上100℃(180°F)以下，更優選低於大約350℃(662°F)。在該第三鋼實例的一個實施方案中，在步驟(f)之後使鋼板空氣冷卻到環境溫度。該方法有利於鋼板的微觀結構轉化成大約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，該相是佔主體的細晶粒的板條狀馬氏體、細晶粒的下貝氏體、或它們的混合物(參見術語表對Tnr溫度、Ar3和Ar1轉化溫度的定義。)為確保環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構包括佔主體的細晶粒的下貝氏體、細晶粒的板條狀馬貝氏體、或它們的混合物。優選地儘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利要求書中，「佔主體的」意思是指至少大約50vol％。剩餘的第二相的微觀結構可以包括附加的細晶粒的下貝氏體、附加的細晶粒的板條狀馬氏體、或鐵素體。更優選地，第二相的微觀結構包括至少大約60vol％至大約80vol％的細晶粒的下貝氏體、細晶粒的板條狀馬氏體、或它們的混合物。進一步優選地，第二相的微觀結構包括至少大約90vol％的細晶粒的下貝氏體、細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製造，而且在一個實施方案中，該鋼板坯含有鐵和下述合金元素，優選以重量範圍顯示在下面的表III中表III合金元素範圍(wt％)
碳(C) 0.04-0.12，更優選0.04-0.07錳(Mn)0.5-2.5，更優選1.0-1.8鎳(Ni)1.0-3.0，更優選1.5-2.5鈮(Nb)0.02-0.1，更優選0.02-0.05鈦(Ti)0.008-0.03，更優選0.01-0.02鋁(Al)0.001-0.05，更優選0.005-0.03氮(N) 0.002-0.005，更優選0.002-0.003有時將鉻(Cr)加入鋼中，優選至多大約1.0wt％，更優選為大約0.2wt％至大約0.6wt％。
有時將鉬(Mo)加入鋼中，優選至多大約0.8wt％，更優選為大約0.1wt％至大約0.3wt％。
有時將矽(Si)加入鋼中，優選至多大約0.5wt％，更優選為大約0.01wt％至大約0.5wt％，更加優選為大約0.05wt％至大約0.1wt％。
有時將銅(Cu)加入鋼中，優選範圍為大約0.1wt％至大約1.0wt％，更優選範圍為大約0.2wt％至大約0.4wt％。
有時將硼(B)加入鋼中，優選至多大約0.0020wt％，更優選為大約0.0006wt％至大約0.0010wt％。
鋼中優選含有至少大約1wt％的鎳。如需要的話，鋼中的鎳成分可被增至大約3wt％以上以提高其焊接後的性能。每增加1wt％的鎳含量預期會使鋼的DBTT降低大約10℃(18°F)。鎳含量優選低於9wt％，更優選低於大約6wt％。優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於大約0.5wt％至0.0wt％。因此，廣義地說，至多大約2.5wt％的錳是優選的。
另外，優選將鋼中的殘渣基本上減到最少。磷(P)成分優選低於大約0.01wt％。硫(S)成分優選低於大約0.004wt％。氧(O)成分優選低於大約0.002wt％。
稍微詳細一點，根據該第三鋼實例的鋼的製備方法是形成板坯，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；在奧氏體再結晶的第一溫度範圍內，即高於大約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，進一步在低於大約Tnr溫度和高於大約Ar3轉化溫度的第二溫度範圍內，在一個或多個道次中熱軋鋼板，將其壓縮大約40％至大約80％，並且在低於大約Ar3轉化溫度和高於大約Ar1轉化溫度的內臨界溫度範圍內，在一個或多個道次中精軋鋼板，將其壓縮大約15％至大約50％。然後以大約10℃/秒至大約40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷卻速率使經過熱軋的鋼板淬火到適當的淬火停止溫度(QST)，該溫度優選在大約MS轉化溫度加上200℃(360°F)以下，此時淬火被終止。在本發明的另一個實施方案中，QST優選在大約MS轉化溫度加上100℃(180°F)以下，更優選低於大約350℃(662°F)。在該第三鋼實例的一個實施方案中，在淬火終止後，使鋼板空氣冷卻到環境溫度。
在上面三個鋼的實例中，由於Ni是一種昂貴的合金元素，鋼中的鎳成分優選低於大約3.0wt％，更優選低於大約2.5wt％，更優選低於大約2.0wt％，進一步優選低於大約1.8wt％，以使鋼的成本儘量減小。
與本發明一起應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，所述鋼含有低於大約1wt％的鎳，具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度，並具有極好的低溫韌性。例如，這些鋼被描述於出版於1997年2月5日、國際申請號為PCT/JP96/00157、國際公開號為WO 96/23909(08.08.1996Gazette 1996/36)(所述鋼優選具有0.1wt％至1.2wt％的銅成分)的歐洲專利申請，優先權日為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給予的申請號為No.60/053915的未決的美國臨時專利申請。
對於任何上面提到的鋼，如本領域的技術人員所知，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。僅出於解釋的目的，而不由此限制本發明，大約25.4cm(10英寸)厚的鋼板坯在第一溫度範圍內可以被壓縮大約50％(壓縮率是50％)，達到大約12.7cm(5英寸)的厚度，然後在第二溫度範圍內壓縮大約80％(壓縮率是80％)，達到大約2.5cm(1英寸)的厚度。此外，僅出於解釋的目的，而不由此限制本發明，大約25.4cm(10英寸)的鋼板坯在第一溫度範圍內可以被壓縮大約30％(壓縮率是30％)，達到大約17.8cm(7英寸)的厚度，然後在第二溫度範圍內壓縮大約80％(壓縮率是80％)，達到大約3.6cm(1.4英寸)的厚度，然後在第三溫度範圍內壓縮大約30％(壓縮率是30％)，達到大約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。
對於任何上面提到的鋼，如本領域的技術人員所知，為了將基本上整個鋼板坯、優選將整個鋼板坯的溫度升高到所希望的再加熱溫度，優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，應該用於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域的技術人員所確定。另外，通過參考標準工業文獻，將基本上整個鋼板坯、優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域的技術人員所確定。
對於任何上面提到的鋼，如本領域的技術人員所知，定義再結晶範圍和非再結晶範圍之間界限的溫度，即Tnr溫度，取決於鋼的化學性質，更具體地，取決於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。本領域的技術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，本領域的技術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轉化溫度。
對於任何上面提到的鋼，如本領域的技術人員所知，除了用於基本上整個鋼板坯的再加熱溫度以外，隨後在描述本發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於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)是由於熱量從板的中間厚度傳導，停止淬火後，板表面處達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行實驗性熱處理時，一個熱電偶被置於鋼板厚度的中心或基本上中心處以用於中心溫度測定，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係被研究出來，以便用於隨後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，通過參考標準工業文獻，為達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域的技術人員確定。
本領域的技術人員具有必要的知識和技能來使用本發明所提供的信息生產超高強度、低合金鋼板，所述鋼板具有合適的高強度和韌性以用於製造本發明的管道和其它部分。其它合適的鋼可能存在，或者在今後被研究出來。所有這些鋼都在本發明的範圍之內。
本領域的技術人員具有必要的知識和技能來使用本發明所提供的信息生產超高強度、低合金鋼板，與按照本發明所提供的實施例生產的鋼板的厚度相比，所述鋼板具有改動了的厚度，同時仍能生產用於本發明的系統中的具有合適高強度和合適低溫韌性的鋼板。例如，本領域的技術人員可利用本發明提供的信息來生產一種鋼板，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，以用於製造本發明的管道和其它部分。其它合適的鋼可能存在，或者在今後被研究出來。所有這些鋼都在本發明的範圍之內。
當一種雙相鋼被用於製造本發明的管道時，優選以下述方式處理雙相鋼，即為了產生雙相結構，將鋼在內臨界溫度範圍內保持一段時間，這時間發生在加速的冷卻或淬火步驟之前。優選地，處理過程是這樣的，即雙相鋼在鋼的冷卻過程中形成，範圍在Ar3轉化溫度到大約Ar1轉化溫度之間。用於製造本發明的管道的鋼另一個優選之處是，當加速的冷卻或淬火步驟剛完成時，即不經過任何諸如回火的需要鋼的再加熱的附加處理，鋼具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度和低於大約-73℃(-100°F)的DBTT。更優選地，當淬火或冷卻步驟剛完成時，鋼的抗張強度高於大約860MPa(125ksi)，更優選高於大約900MPa(130ksi)。在一些應用中，優選當淬火或冷卻步驟剛完成時，鋼具有高於大約930MPa(135ksi)、或高於大約965MPa(140ksi)、或高於大約1000MPa(145ksi)的抗張強度。用於製造管道和其它部分的連接方法為了製造本發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為是合適的。優選地，為製造本發明的管道和其它部分使用了焊接方法，該方法適於提供足夠的強度和斷裂韌性以容納被容納或運輸的流體。這種焊接方法優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，在鋼製造工業中為人熟知的氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)以及鎢惰性氣體(TIG)焊都可被用於連接鋼板。
在第一個焊接方法的實施例中，氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)方法被用於生產一種焊接金屬化學物質，它包括鐵和大約0.07wt％的碳、大約2.05wt％的錳、大約0.32wt％的矽、大約2.20wt％的鎳、大約0.45wt％的鉻、大約0.56wt％的鉬、低於大約110ppm的磷以及低於大約50ppm的硫。焊接在鋼上進行，例如上述任何一種鋼，使用一種含有低於大約1wt％的氧的氬基保護氣。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)的範圍內。通過這種方法的焊接提供了一種焊接結構(參見術語表)，該結構具有高於大約900MPa(130ksi)、優選高於大約930MPa(135ksi)、更優選高於大約965MPa(140ksi)、進一步優選至少大約為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，該金屬具有低於大約-73℃(-100°F)、優選低於大約-96℃(-140°F)、更優選低於大約-106℃(-160°F)、進一步優選低於大約-115℃(-175°F)的DBTT。
在另一個焊接方法的實施例中，GMAW方法被用於生產一種焊接金屬化學物質，它包括鐵和大約0.10wt％的碳(優選小於大約0.10wt％的碳，更優選從大約0.07到大約0.08wt％的碳)、大約1.60wt％的錳、大約0.25wt％的矽、大約1.87wt％的鎳、大約0.87wt％的鉻、大約0.51wt％的鉬、低於大約75ppm的磷以及低於大約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)的範圍內並使用了大約100℃(212°F)的預熱。焊接在鋼上進行，例如上述任何一種鋼，使用一種含有低於大約1wt％的氧的氬基保護氣。通過這種方法的焊接提供了一種焊接結構，該結構具有高於大約900MPa(130ksi)、優選高於大約930MPa(135ksi)、更優選高於大約965MPa(140ksi)、進一步優選至少大約是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，該金屬具有低於大約-73℃(-100°F)、優選低於大約-96℃(-140°F)、更優選低於大約-106℃(-160°F)、進一步優選低於大約-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)方法被用於生產一種焊接金屬化學物質，它包括鐵和大約0.07wt％的碳(優選小於大約0.07wt％的碳)、大約1.80wt％的錳、大約0.20wt％的矽、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)、低於大約50ppm的磷以及低於大約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)的範圍內並使用了大約100℃(212°F)的預熱。焊接在鋼上進行，例如上述任何一種鋼，使用一種含有低於大約1wt％的氧的氬基保護氣。通過這種方法的焊接提供了一種焊接結構，該結構具有高於大約900MPa(130ksi)、優選高於大約930MPa(135ksi)、更優選高於大約965MPa(140ksi)、進一步優選至少大約為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，該金屬具有低於大約-73℃(-100°F)、優選低於大約-96℃(-140°F)、更優選低於大約-106℃(-160°F)、進一步優選低於大約-115℃(-175°F)的DBTT。
通過使用GMAW或TIG焊接方法，可以製造與上面實施例中提到的化學物質類似的焊接金屬化學物質。然而，與GMAW焊接相比，TIG焊接將會有更低的雜質含量和更高的精緻的微觀結構，從而改進了低溫韌性。
本領域的技術人員具有使用本發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，所產生的焊縫具有合適的高強度和斷裂韌性以用於製造本發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，或者在今後被研究出來。所有這些連接或焊接方法都在本發明的範圍之內。
管道和其它部分的製造並不由此限制本發明提供了管道和其它部分，它們(i)由包括超高強度、低合金鋼的材料製成，所述鋼含有低於9wt％的鎳，並且(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、低合金鋼的材料製成，所述鋼含有低於9wt％的鎳，並且具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度和低於大約-73℃(-100°F)的DBTT；進一步地，提供了管道和其它部分，它們(i)由包括超高強度、低合金鋼的材料製成，所述鋼含有低於大約3wt％的鎳，並且(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、低合金鋼的材料製成，所述鋼含有低於大約3wt％的鎳，並且(ii)具有超過大約1000MPa(145ksi)的抗張強度和低於大約-73℃(-100°F)的DBTT。這些管道和其它部分優選由具有本發明所描述的極好低溫韌性的超高強度、低合金鋼製造。
本發明的管道和其它部分優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製造。在適宜的地方，適宜的管道和其它部分的焊縫優選具有與超高強度、低合金鋼板大致相同的強度和韌性。在一些情況下，相當於大約5％至大約10％的強度不匹配就可被認為是有更低應力的位置。具有優選性質的焊縫可通過任何合適的連接方法來形成。在小標題為「用於管道和其它部分製造的連接方法」中，本發明描述了示範性的連接方法。
如本領域的技術人員所熟悉的，在用於輸送加壓的、低溫流體諸如PNG的管道的設計中，夏比V型缺口(Charpy V-notch，CVN)試驗可被用於斷裂韌性評估和斷裂控制，尤其是通過使用韌脆性轉變溫度(DBTT)。DBTT描述了結構鋼中的兩種斷裂狀態。在低於DBTT的溫度下，夏比V型缺口試驗中的破壞傾向於由低能量解理(脆性)斷裂引起，而在高於DBTT的溫度下，破壞傾向於由高能量韌性斷裂引起。用於PLNG的運輸以及用於其它的負載支承、低溫服務的由焊接的鋼製造的管道，必須具有適當低於結構的服務溫度的DBTTs以避免脆性破壞，該DBTTs由夏比V型缺口試驗確定。取決於設計、服務條件和/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溫度以下的5℃至30℃(9°F至54°F)。
如本領域的技術人員所熟悉的，在用於輸送加壓的、低溫流體諸如PLNG的由焊接的鋼製造的管道的設計中，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構(參見術語表)上的附加的應力。標準的斷裂力學量度，例如(i)被定義為平面-應變斷裂韌性的一種量度的臨界應力強度因子(KIC)，以及(ii)可用於測定彈塑性斷裂韌性的裂縫尖端擴張位移(CTOD)，它們兩者都為本領域的技術人員所熟悉，可被用於確定鋼和焊接結構的斷裂韌性。將鋼結構設計中通常可以接受的工業規範，例如，根據鋼和焊接結構(包括HAZ)的斷裂韌性以及施加在管道上的應力，BSI出版物「評估熔焊結構中的可接受裂縫的方法指南」，通常被稱作「PD 64931991」，可被用於確定管道的最大允許裂縫尺寸。本領域的技術人員能開發一種斷裂控制程序以減少斷裂形成，通過(i)適當的管道設計以儘量減小施加的應力；(ii)適當的生產質量控制以儘量減少缺陷；(iii)適當控制壽命周期負載和施加在管道上的壓力，以及(iv)適當的檢查程序以可靠地檢測管道中的裂縫和缺陷。如本領域的技術人員所熟悉的，用於本發明的系統的優選的設計原則是「先漏後壞(leak before failure)」。這些考慮因素在本發明中通常被稱為「斷裂力學的已知原理」。
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，將這些斷裂力學的已知原理應用於一個斷裂控制計劃以防止在本發明的管道中發生斷裂。
圖2B顯示了一個裂縫長度為315、裂縫深度為310的裂縫。根據下面的管道的設計條件，使用了PD6493來計算示於圖2A中的臨界裂縫尺寸曲線300中的數值管道直徑 914mm(36in)管道壁厚 20mm(0.787in.)操作軸向應力 0.80(乘以)SMYS＝662MPa(96ksi)為了本實施例的目的，假設有一個長度為100mm(4英寸)的表面裂縫，例如位於一個環形焊縫中的環形裂縫。現在參考圖2A，曲線300顯示了在殘餘應力水平為屈服應力的15％、25％、50％、75％以及100％時，臨界裂縫深度與CTOD斷裂韌性以及與殘餘應力的關係。殘餘應力可以由製造和焊接產生；除非通過使用諸如焊後熱處理(PWHT)或機械性應力消除的技術使焊縫的應力消除之外，PD6493推薦使用的殘餘應力值是焊縫(包括焊接HAZ)中屈服應力的100％。
根據在最低服務溫度下的鋼的CTOD斷裂韌性，可以調整管道的焊接過程來減少殘餘應力，可以實行一個檢查程序(對初始檢查和服務中檢查都可)來檢查和測量裂縫以用於與臨界裂縫尺寸相比較。在本實施例中，如果在最低服務溫度下鋼的CTOD韌性是0.030mm(使用實驗室樣品測定得到)，而且殘餘應力被減少至鋼屈服強度的15％，那麼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，如本領域的技術人員所熟知的，可以確定對應於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，可以開發一個質量控制程序和檢查程序(技術、可檢測的裂縫尺寸、頻率)，以保證在達到臨界裂縫深度之前或在設計負載的應用之前檢測出並補救裂縫。根據已出版的CVN、KIC和CTOD斷裂韌性之間的經驗關係，0.030mm的CTOD韌性通常對應的CVN值為大約44J。本實施例不是意圖以任何方式限制本發明。
對於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，優選在環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。如果在彎曲後為了得到所需的形狀必須將鋼加熱，則優選將鋼加熱到不高於大約600℃(1112°F)的溫度，目的是保持如上所述的鋼的微觀結構中的有利影響。
與這些管道和其它部分相聯繫的獨特優點在下面得到了詳細的描述。
管道配送網絡系統參見圖1，用於PLNG配送的根據本發明的管道配送網絡系統10優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，並不能限制本發明，目的地16可以是機動車加油站、生產工廠或位於天然氣管道之上的LNG蒸發點。圖1中所示的管道配送網絡系統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。
管道配送網絡系統10被優選地設計，以控制熱滲透進入系統，目的是控制PLNG的蒸發。用本領域的技術人員已知的方法就可以控制熱滲透，例如用適當的保溫材料和保溫材料厚度來包裹諸如第一配送管道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備(沒有示於圖1中)可被包括在管道配送網絡系統10之中，或者多餘的蒸氣可被用於為氣體發動機帶動的裝置提供燃料。
優選通過一個低溫泵(沒有示於圖1中)來泵送PLNG。另外，優選在整個管道配送網絡系統10的各個位置使用低溫泵，從而將在系統中泵送的PLNG的壓力-同樣還有溫度-保持在所需的範圍內。適宜的低溫泵可由本領域的技術人員選擇。優選地，在目的地16和系統中的管道例如二級配送管道18之間的單向閥(沒有示於圖1中)防止從目的地16回到管道的逆向流動。本發明的管道配送網絡系統的一個優點是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有關。
一個典型的PLNG接收終點位於從PLNG油船接收PLNG的海岸。該終點優選具有至少一個PLNG儲存容器12和用於蒸發PLNG的設備(沒有示於圖1中)。例如，用於具有100個PLNG用戶/配送商(每個一天需要大約3,000加侖PLNG)的典型都市網絡的管道配送網絡系統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。
用於PLNG輸送的上面描述的管道配送網絡系統中的管道和其它部分優選由本發明所描述的任何適宜的超高強度、低合金鋼製成，例如在上面描述的小標題為「用於製造管道和其它部分的鋼」中的任何鋼。根據使用管道配送網絡系統的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，本領域的技術人員可使用標準的工程實踐和工業中可獲得的文獻，用來確定管道和其它部分所需要的尺寸、壁厚等，以及用來製造和操作本發明的管道配送網絡系統。
本發明的系統被有利地用於配送/輸送PLNG。另外，本發明的系統被有利地用於(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)在環境壓力下配送/輸送低溫的流體。
儘管上面的發明被以一個或多個優選的實施方案的形式描述，應該理解的是可以進行其它的改動而不背離本發明的範圍，本發明的範圍在下面的權利要求書中得到了闡明。
術語表wt％ 重量％vol％ 體積％Ac1轉化溫度 加熱過程中奧氏體開始形成時的溫度；Ac3轉化溫度 加熱過程中鐵素體向奧氏體的轉化完成時的溫度；Ar1轉化溫度 冷卻過程中奧氏體向鐵素體或向鐵素體加滲碳體轉化完成時的溫度；Ar3轉化溫度 冷卻過程中奧氏體開始轉化成鐵素體時的溫度；低溫 低於大約-40℃(-40°F)的溫度；CTOD 裂縫尖端擴張位移；CVN夏比V型缺口DBTT(韌脆性轉變 描述結構鋼中的兩種斷裂狀態；在低於溫度) DBTT的溫度下，破壞傾向於由低能量解理(脆性)斷裂引起，而在高於DBTT的溫度下，破壞傾向於由高能量韌性斷裂引起；基本上 實質上100vol％；Gm3 十億立方米；GMAW 氣體保護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；內臨界溫度範圍 加熱時從大約Ac1轉化溫度至大約Ac3轉化溫度，冷卻時從大約Ar3轉化溫度至大約Ar1轉化溫度；KIC臨界應力強度因子；kJ 千焦爾；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於大約10wt％的合金添加劑的鋼；MA 馬氏體-奧氏體；最大允許裂縫尺寸臨界裂縫長度和寬度；Mo2C 碳化二鉬的一種形態；MPa 兆帕斯卡；MS轉化溫度 冷卻過程中奧氏體開始向馬氏體轉化時的溫度；PLNG加壓液化天然氣；佔主體的至少大約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，藉此使用了一種流體，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)速率 位於板厚度中央或大致中央處的冷卻速率；淬火停止溫度由於熱量從板中間厚度傳導，停止淬火後，板表面處達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 低於該溫度時，奧氏體不會再結晶；USPTO 美國專利和商標局；以及焊接結構 焊接接頭或焊縫，包括(i)焊接金屬，(ii)熱影響區(HAZ)，以及(iii)HAZ「鄰近區域」的母體金屬。被認為處於HAZ「鄰近區域」內的母體金屬部分(因而是焊接結構的一部分)隨本領域技術人員已知的因素而變化，例如，這些因素有焊接結構的寬度、被焊接物品的尺寸、製造該物品所需的焊接結構的數目、以及焊接結構之間的距離，但並不限於這些因素。
權利要求
1.用於將加壓液化天然氣從儲存地輸送到目的地的方法，所述方法包括下列步驟(a)將具有1035kPa(150psia)至7590kPa(1100psia)的壓力以及-123℃(-190°F)至-62℃(-80°F)的溫度的所述加壓液化天然氣輸送到位於所述儲存地的管道配送網絡系統的入口，其中所述管道配送網絡系統具有至少一條管道，該管道通過把包括一種超高強度、低合金鋼的材料的至少一塊分離的板彎曲並連接在一起而製成，所述鋼含有低於9重量％的鎳並具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度和低於-73℃(-100°F)的DBTT，並且其中通過所述連接而形成的任何接縫在所述壓力和溫度條件下具有足夠的強度和韌性以容納所述加壓液化天然氣；和(b)將所述加壓液化天然氣用泵輸送到位於所述目的地的所述管道配送網絡系統的出口。
2.權利要求1的方法，其中用於把所述加壓液化天然氣轉化成氣體並且把所述氣體輸送到用戶或配送商的蒸發設備與所述管道配送網絡系統的所述出口相連。
3.權利要求2的方法，進一步包括下列步驟(c)將所述氣體輸送到氣體管道。
4.權利要求1的方法，其中所述管道配送網絡系統具有至少一個儲存容器，其中所述儲存容器通過把包括一種超高強度、低合金鋼的材料的多塊分離的板連接在一起而製成，所述鋼含有低於9重量％的鎳並具有大於830MPa(120ksi)的抗張強度和低於-73℃(-100°F)的DBTT，並且其中所述分離的板之間的連接處在所述壓力和溫度條件下具有足夠的強度和韌性以容納所述加壓液化天然氣。
全文摘要
將加壓液化天然氣從儲存地輸送到目的地的方法，該方法包括(a)將具有1035kPa(150psia)至7590kPa(1100psia)的壓力和－123℃(－190°F)至－62℃(－80°F)的溫度的該加壓液化天然氣輸送到位於該儲存地的管道配送網絡系統的入口，其中該管道配送網絡系統具有至少一條管道，該管道通過把包括一種超高強度、低合金鋼的材料的至少一塊分離的板彎曲並連接在一起而製成，該鋼含有低於9重量％的鎳並具有大於830Mpa(120ksi)的抗張強度和低於－73℃(－100°F)的DBTT，並且其中通過該連接而形成的任何接縫在該壓力和溫度條件下具有足夠的強度和韌性以容納該加壓液化天然氣；和(b)將該加壓液化天然氣用泵輸送到位於該目的地的該管道配送網絡系統的出口。
文檔編號F25B19/00GK1495379SQ03120609
公開日2004年5月12日 申請日期1998年6月18日 優先權日1997年6月20日
發明者R·R·伯溫, M·明塔, J·R·瑞格比, R R 伯溫, 瑞格比 申請人:埃克森美孚上遊研究公司