专利名称：用于将加压液化天然气从储存地输送到目的地的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于输送加压液化天然气(PLNG)的管道配送网络系统，更特别地，本发明涉及具有管道和其它部分的上述系统，所述管道和其它部分由一种超高强度、低合金钢制成，所述钢含有低于9wt％的镍并具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度和低于大约-73℃(-100°F)的DBTT。
本发明还涉及一种用于将加压液化天然气从储存地输送到目的地的方法。
背景技术：
下面的说明书中定义了多种术语。为方便起见，在紧靠权利要求书之前提供了一个术语表。
许多天然气源位于边远地区，距任何天然气的商业市场都很远。有时可利用管道将所生产的天然气输送到商业市场。当到商业市场的管道输送不可行时，所生产的天然气通常被处理成用于输送到市场的LNG。LNG一般通过特别建造的油轮来输送，然后在一个靠近市场的输入终点储存和再蒸发。用于液化、输送、储存和再蒸发天然气的设备通常十分昂贵；包括场地开发费用，一个典型的常规LNG项目可耗资五十亿至一百亿美元。一个典型的“基础”LNG项目需要的天然气资源至少为大约280Gm3(10TCF(万亿平方英尺))，而且LNG用户主要是大型公用设施。通常，在边远地区发现的天然气资源小于280Gm3(10TCF)。即使对于符合280Gm3(10TCF)这一最低要求的天然气资源基地，为了经济地处理、储存和输送LNG形式的天然气，还是要求所有的参与者，即LNG供应商、LNG输送商以及大型公用设施LNG用户进行20年或更长时间的十分长期的投资。在潜在LNG用户有诸如管道天然气的可替代气源的地区，常规LNG传输链通常不具有经济竞争力。
常规LNG工厂在大约-162℃(-260°F)的温度下和在大气压下生产LNG。典型的天然气气流以从大约4830kPa(700psia)至大约7600kPa(1100psia)的压力和从大约21℃(70°F)至大约38℃(100°F)的温度进入常规LNG工厂。在一个常规两机组LNG工厂中，需要达大约350,000的致冷马力来使天然气的温度降低至大约-162℃(-260°F)这一非常低的出口温度。在常规的LNG处理过程中，必须将水、二氧化碳、诸如硫化氢的含硫化合物、其它酸性气体、正戊烷以及包括苯的较重烃从天然气中充分除去，使它们低至百万分之一份(ppm)的水平，否则这些化合物将会冻结，在处理设备中造成堵塞问题。在常规LNG工厂中，需要气体处理设备以除去二氧化碳和酸性气体。气体处理设备通常使用化学和/或物理溶剂回收过程并需要大量的资金投入。而且，与工厂中其它设备的操作费用相比，其操作费用较高。需要诸如分子筛的干燥床脱水剂来除去水蒸气。洗涤塔和分馏设备被用来除去容易导致堵塞问题的烃。在常规LNG工厂中还要除去汞，因为它会导致铝制设备的破坏。另外，可能存在于天然气中的大部分的氮经过处理后被除去，因为在常规LNG的输送过程中氮不会保留在液相中，而且在输送时LNG容器中含有氮蒸气是不符合要求的。
在常规LNG工厂中，为了在极冷的处理温度下提供必要的断裂韧性，所使用的容器、管道和其它设备通常至少是部分由铝或含镍钢(例如，9wt％的镍)制成。在低温下具有良好断裂韧性的昂贵材料，包括铝和商用含镍钢(例如，9wt％的镍)，除了用在常规工厂中外，还通常被用于在LNG船中以及在输入终点容纳LNG。
在输送过程中，典型的常规LNG船使用被称为Moss球的巨大的球形容器来储存LNG。目前这种船每艘的造价高于大约2.3亿美元。一个在中东生产LNG并将其输送到远东的典型的常规项目可能需要7至8艘这样的船，其总费用大约为16亿美元至20亿美元。
从上面的讨论中可以确定，为了使边远地区的天然气资源与可替代能源储备有效地竞争，需要一种用于处理、储存以及输送LNG至商业市场的更为经济的系统。此外，需要一种使边远地区较小的天然气资源商品化的系统，在其它情况下对该资源的开发可能是不经济的。另外，需要一种更为经济的气化和配送系统，该系统能够使LNG对较小的用户有经济上的吸引力。
因此，本发明的主要目的是提供一种用于处理、储存LNG和将其从边远来源输送至商业市场的更经济的系统，以及显著地减少储藏量和市场的临界规模，从而使LNG项目经济上可行。达到上述目的的一种方法是在与常规LNG工厂相比更高的压力和温度下处理LNG，即在高于大气压的压力下和高于-162℃(-260°F)的温度下处理LNG。尽管在升高的压力和温度下处理、储存和输送LNG的一般概念已在工业文献中进行了讨论，这些文献通常讨论用含镍钢(例如，9wt％的镍)或铝制造输送容器，这两种材料可以符合设计要求，但都十分昂贵。例如，在witherby & Co.Ltd.出版的《经过海洋的天然气一种新技术的开发》(NATURAL GAS BY SEA TheDevelopment of a New Technology)1979年第一版、1993年第二版的第162-164页中，Roger Ffooks讨论了对自由轮Sigalpha(Liberty ship Sigalpha)的改装，以输送处于1380kPa(200psig)和-115℃(-175°F)的MLG(中等状态液化气)，或在7935kPa(1150psig)和-60℃(-75°F)下处理的CNG(压缩天然气)。Ffooks先生指出，尽管技术上得到了证实，上述两种方案都找不到“买主”-主要原因是存储的高额费用。根据Ffooks先生所参考的一篇关于此题目的论文，对于CNG服务，即在-60℃(-75°F)下，设计目标是在操作条件下具有良好强度(760MPa(110ksi))和良好断裂韧性的一种低合金的、可焊接的、经过淬火和回火处理的钢。(参见R.J.Broeker在1968年芝加哥国际LNG会议(International LNGConference)上发表的“一种用于天然气输送的新方法”(A newprocess for the transportation of natural gas))。这篇论文还提出，对于MLG操作，即在-115℃(-175°F)这一更低的温度下，铝合金是成本最低的合金。而且，Ffooks先生在164页讨论了OceanPhoenix Transport设计，它在大约414kPa(60psig)这一更低的压力下工作，其中的储罐可由9％镍钢或铝合金制造；Ffooks先生再一次指出，该方案好象不能提供使其商业化的足够的技术或经济优势。还可以参见(i)美国专利3,298,805，它讨论了使用一种9％镍含量的钢或高强度铝合金来制造用于输送压缩天然气的容器；以及(ii)美国专利4,182,254，它讨论在从-100℃(-148°F)至-140℃(-220°F)的温度下和4至10个大气压(即407kPa(59psia)至1014kPa(147psia))的压力下用于LNG输送的由含9％镍或类似的钢制成的储罐；(iii)美国专利3,232,725，它讨论在低至-62℃(-80°F)或在某些情况下-68℃(-90°F)的温度下，以及比在操作温度下气体的沸点压力至少高345kPa(50psi)的压力下，使用容器来输送处于密相单流体状态的天然气，其中的容器由诸如1到2％镍钢的材料制成，所述镍钢经过淬火与回火以保证其最终的抗张强度接近120,000psi；以及(iv)由C.P.Bennett于1979年三月在CME上发表的“在中温下LNG的海运”，它讨论在3.1MPa(450psi)的压力下以及在-100℃(-140°F)的温度下，使用储罐来输送LNG的个案研究，其中的储罐由含有9％或3.5％镍的经过淬火和回火的钢制成并具有9.5英寸的壁厚。
尽管这些概念在工业文献中得到了讨论，但据我们所知，目前并没有在显著高于大气压的压力下和在显著高于-162℃(-260°F)的温度下将LNG商业化地处理、储存和输送。这一现象可能基于的事实是，在上述压力和温度下，用于通过海洋或通过陆地来处理、储存、输送、以及配送LNG的经济的系统迄今还没有被商业化。
通常被用于低温结构应用中的含镍钢-例如镍含量高于大约3wt％的钢-具有低的DBTTs(此处被定义成一种韧性的量度)，但也具有相对低的抗张强度。典型地，市场上可购得的3.5wt％镍钢、5.5wt％镍钢和9wt％镍钢在DBTTs分别大约为-100℃(-150°F)、-155℃(-250°F)和-175℃(-280°F)，抗张强度可分别达到大约485MPa(70ksi)、620MPa(90ksi)和830MPa(120ksi)。为达到这种强度与韧性的组合，这些钢通常经过昂贵的处理，例如双退火处理。在低温应用的情况下，工业界目前使用这些商品化的含镍钢，原因是它们在低温下有良好的韧性，但必须在它们较低的抗张强度范围内设计。这些设计通常需要过大的钢厚度以用于负载支承、低温应用。因此，在负载支承、低温应用中使用这些含镍钢可能是昂贵的，原因是钢的高额费用与所需钢的厚度组合在一起。
五个共同未决的美国临时专利申请(“PLNG专利申请”)都题为“用于处理、储存和输送液化天然气的改进的系统”，它们描述了在大约1035kPa(150psia)至大约7590kPa(1100psia)这一宽广范围内的压力下，以及在大约-123℃(-190°F)至大约-62℃(-80°F)这一宽广范围内的温度下，用于加压液化天然气(PLNG)的储存和海运的容器和油轮。所述PLNG专利申请的最近的优先权日是1998年5月14日，申请人的案卷号是No.97006P4，美国专利和商标局(“USPTO”)给予的申请号是60/085467。所述第一个PLNG专利申请的优先权日是1997年6月20日，USPTO给予的申请号是60/050280。所述第二个PLNG专利申请的优先权日是1997年7月28日，USPTO给予的申请号是60/053966。所述第三个PLNG专利申请的优先权日是1997年12月19日，USPTO给予的申请号是60/068226。所述第四个PLNG专利申请的优先权日是1998年3月30日，USPTO给予的申请号是60/079904。然而PLNG专利申请并没有描述用于PLNG输送的管道配送网络系统。
LNG和其它低温液体，例如液氧、液氢和液氦，通常用卡车从中央处理设施输送到最终用户处。液氮被输送穿过大学校园和设施，例如通过管道配送网络系统输送。特别的是，由于天然气清洁燃烧的特点，近几年LNG的市场增长了。尽管天然气通常通过一个管道配送网络系统来供应，但据我们所知，目前还没有用于PLNG的商用管道配送网络系统。如果可以用一种更加经济的方式来输送和传送PLNG的话，与LNG相比，以PLNG的形式传送生产出的天然气对最终用户来说是有利的，原因是PLNG被更加经济地处理过。另外，与CNG相比，PLNG更高的液体密度被转化为在给定体积下更高的产品质量或能量。
在低温下，即在比大约-40℃(-40°F)更低的温度下，通常用于制造诸如天然气的流体的商用管道配送网络系统的碳钢没有足够的断裂韧性。具有比碳钢好的低温断裂韧性的其它材料，例如上面提到的抗张强度达大约830MPa(120ksi)的商用含镍钢(含3.5wt％至9wt％的Ni)、铝(Al-5083或Al-5085)或不锈钢，通常被用于制造承受低温条件的管道配送网络系统。而且还可以使用特殊材料，例如钛合金和特殊的环氧浸渍的织造玻璃纤维复合物。这些材料比较昂贵，因此通常使项目在经济上没有吸引力。这些缺点使目前在市场上可购得的材料对制造用于PLNG输送的管道配送网络系统而言在经济上没有吸引力。如PLNG专利申请中所讨论的，对适用于PLNG海运的容器的发现，再结合目前处理PLNG的能力，使得对于管道配送网络系统的需求变得十分突出，该系统用于经济上有吸引力的PLNG和LNG以及其它低温流体的陆地输送。
更有成本效益的被以液体形式输送和配送的天然气气源的存在，将在利用天然气作为燃料来源的能力方面提供明显的优势。下面是对已经存在和正在出现的使用天然气以得到能源的应用的简短描述，而且所述应用将从为了天然气的陆地输送和传送的更为经济的系统-例如管道配送网络系统-的存在中明显地获益。
在用于天然气配送的基础设施不存在的边远地区，通常用卡车输送LNG以满足燃料需求。另外，对于几个重要能源项目来说，当地的条件正日益使输送的LNG成为天然气管道之外的另一个具有经济竞争性的选择。为了在阿拉斯加东南部的十七个社区的远距离LNG基本负载系统，一个阿拉斯加天然气公司曾提出一个两亿美元的项目。该公司还希望从1997年11月起将LNG用卡车从Cook Inlet上的液化工厂输送到300英里之外的Fairbanks。在东亚利桑那，一个最近的可行性研究显示，对许多目前无法使用天然气管道的单独的社区来说，远距离基本负载LNG供应设施可以提供一种有吸引力的花费更低的能源解决方案。这些方案以显著增长的潜力-特别是以改进了的输送系统的经济情况-为大规模LNG的输送和使用提供了新的趋势。如果存在一种更加经济的PLNG的陆地输送方式，例如管道配送网络系统，在上述和其它类似的陆地应用中，正在出现的PLNG技术可以使将PLNG用作燃料在经济上可行。
另外，为保持连续不间断的天然气供应，对“可移动管道”-可输送的LNG/蒸发器-系统的使用正日益增长。这可以帮助天然气公司避免服务中断并在需求高峰时期，例如寒冷的冬日、地下管道破裂的紧急情况下、天然气系统的维护期间，使天然气持续流向用户。取决于具体的应用，可将一个LNG蒸发器安装或放置在天然气配送系统上的一个关键地点，当操作条件有保证时，将LNG罐车开到此处以提供蒸发的LNG。据我们所知，为了在需求高峰时提供附加的天然气，目前还没有用于将PLNG-而不是LNG-输送到上述蒸发器的商用PLNG管道配送网络系统。
最后，据预测，许多亚洲的目前和将来主要的LNG进口商将提供最大的潜力以将LNG用作机动车燃料(达到进口量的20％)。根据当地的情况，用管道配送网络系统将LNG输送到燃料补给站将是最具吸引力的经济选择。特别地，当不存在现有的用于天然气配送的基础设施时，具有成本效益的管道配送系统设计将使PLNG输送成为一种更具吸引力和经济的选择。
存在对有经济性的系统的需求，该系统用于PLNG的管道配送网络输送，从而使远距离的天然气资源与其它可选择的能源供应更有效地竞争。
发明内容
因此，本发明的一个特别的目的是提供一种在比常规LNG系统显著提高的压力和温度下，用于LNG输送的经济的管道配送网络系统。本发明的另一个目的是提供具有管道和其它部分的上述管道配送网络系统，所述管道和其它部分由具有足够的强度和断裂韧性的材料制成以容纳所述加压液化天然气。本发明的又一个目的是提供一种用于将加压液化天然气从储存地输送到目的地的方法。
与上述本发明的目的一致，提供了管道配送网络系统，用于在大约1035kPa(150psia)至大约7590kPa(1100psia)的压力下以及在大约-123℃(-190°F)至大约-62℃(-80°F)的温度下输送加压液化天然气(PLNG)。本发明的管道配送网络系统具有管道和其它部分，它们由包括一种超高强度、低合金钢的材料制成，所述钢含有低于9wt％的镍并具有足够的强度和断裂韧性以容纳所述加压液化天然气。上述钢具有超高强度，例如具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度(见本发明的定义)和低于大约-73℃(-100°F)的DBTT(见本发明的定义)。此外，本发明提供了用于将加压液化天然气从储存地输送到目的地的方法。
通过参考下面的详细描述和附图，将对本发明的优点有更好的理解，附图中图1简要显示了一个本发明的管道配送网络系统。
图2A显示了在给定的裂缝长度下，临界裂缝深度与CTOD断裂韧性以及与残余应力的关系曲线；以及图2B显示了一个裂缝的几何形状(长度和深度)。
具体实施例方式
尽管结合优选的实施方案对本发明进行描述，应该理解的是本发明并不限于此。相反地，本发明意图包括所有的改动、改进以及等同形式，如所附权利要求书中的定义，它们被包括在本发明的实质和范围之中。
本发明涉及用于输送PLNG的管道配送网络系统。提供了管道配送网络系统，用于在大约1035kPa(150psia)至大约7590kPa(1100psia)的压力下以及在大约-123℃(-190°F)至大约-62℃(-80°F)的温度下输送加压液化天然气(PLNG)，其中管道配送网络系统具有管道和其它部分，所述管道和其它部分由包括一种超高强度、低合金钢的材料制成，所述钢含有低于9wt％的镍并具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度和低于大约-73℃(-100°F)的DBTT。另外，提供了管道配送网络系统，用于在大约1725kPa(250psia)至大约4830kPa(700psia)的压力下以及在大约-112℃(-170°F)至大约-79℃(-110°F)的温度下输送加压液化天然气，其中管道配送网络系统具有管道和其它部分，所述管道和其它部分(i)由包括一种超高强度、低合金钢的材料制成，所述钢含有低于9wt％的镍，并且(ii)具有足够的强度和断裂韧性以容纳所述加压液化天然气。
此外，本发明提供了用于将加压液化天然气从储存地输送到目的地的方法，所述方法包括下列步骤(a)将具有1035kPa(150psia)至7590kPa(1100psia)的压力以及-123℃(-190°F)至-62℃(-80°F)的温度的所述加压液化天然气输送到位于所述储存地的管道配送网络系统的入口，其中所述管道配送网络系统具有至少一条管道，该管道通过把包括一种超高强度、低合金钢的材料的至少一块分离的板弯曲并连接在一起而制成，所述钢含有低于9重量％的镍并具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度和低于-73℃(-100°F)的DBTT，并且其中通过所述连接而形成的任何接缝在所述压力和温度条件下具有足够的强度和韧性以容纳所述加压液化天然气；和(b)将所述加压液化天然气用泵输送到位于所述目的地的所述管道配送网络系统的出口。在一个优选的方法中，所述管道配送网络系统具有至少一个储存容器，其中所述储存容器通过把包括一种超高强度、低合金钢的材料的多块分离的板连接在一起而制成，所述钢含有低于9重量％的镍并具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度和低于-73℃(-100°F)的DBTT，并且其中所述分离的板之间的连接处在所述压力和温度条件下具有足够的强度和韧性以容纳所述加压液化天然气。在另一个优选的方法中，用于把所述加压液化天然气转化成气体并且把所述气体输送到用户或配送商的蒸发设备与所述管道配送网络系统的所述出口相连；更优选的是，该方法进一步包括下列步骤(c)将所述气体输送到气体管道。
PLNG输送管道实现本发明的管道配送网络系统的关键，是适于在大约1035kPa(150psia)至大约7590kPa(1100psia)的压力下以及在大约-123℃(-190°F)至大约-62℃(-80°F)的温度下容纳和输送PLNG的管道。优选地，在大约1725kPa(250psia)至大约7590kPa(1100psia)的压力下以及在大约-112℃(-170°F)至大约-62℃(-80°F)的温度下生产和输送PLNG。更优选地，在大约2415kPa(350psia)至大约4830kPa(700psia)的压力下以及在大约-101℃(-150°F)至大约-79℃(-110°F)的温度下生产和输送PLNG。进一步优选地，PLNG的压力和温度范围的下限是大约2760kPa(400psia)和大约-96℃(-140°F)。提供了一种用于容纳和输送PLNG的管道，其中所述管道由包括一种超高强度、低合金钢的材料制成，所述钢含有低于9wt％的镍并具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度和低于大约-73℃(-100°F)的DBTT。另外，提供了诸如配件的系统的其它部分，其中所述配件由包括一种超高强度、低合金钢的材料制成，所述钢含有低于9wt％的镍并具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度和低于大约-73℃(-100°F)的DBTT。适用于本发明的管道配送网络系统的存储容器在PLNG专利申请中得到了更为详细的描述。
用于制造管道和其它部分的钢根据如本发明所述的已知断裂力学原理，用于容纳在操作条件下的低温流体例如PLNG的任何超高强度、低合金钢可被用于制造本发明的管道和其它部分，所述钢含有低于9wt％的镍并且具有足够的韧性。用于本发明的钢的一个实例(并不因此限制本发明)是一种可焊接的、超高强度、低合金钢，它含有低于9wt％的镍并具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度和足以防止在低温操作条件下发生断裂(即一种破坏现象)的韧性。用于本发明的钢的另一个实例(并不因此限制本发明)是一种可焊接的、超高强度、低合金钢，它含有低于大约3wt％的镍并具有至少大约1000MPa(145ksi)的抗张强度和足以防止在低温操作条件下发生断裂(即一种破坏现象)的韧性。优选地，这些钢的实例具有低于大约-73℃(-100°F)的DBTT。
钢制造技术的最近进展使得生产具有极好低温韧性的新型的、超高强度、低合金钢成为可能。例如，授予Koo等人的三个美国专利5,531,842、5,545,269和5,545,270描述了新型的钢和用于处理这些钢的方法，以用来生产具有大约830MPa(120ksi)、965MPa(140ksi)以及更高的抗张强度的钢板。其中所描述的钢和处理方法已经被改进和变动，以提供组合的钢的化学性质和用于生产超高强度、低合金钢的方法，当被焊接时，所述钢在基底钢和在热影响区(HAZ)中都有极好的低温韧性。这些超高强度、低合金钢还具有比标准的、市场上可购得的、超高强度、低合金钢改进了的韧性。在优先权日为1997年12月19日、美国专利和商标局(“USPTO”)给予的申请号是60/068194、题为“具有极好低温韧性的超高强度的钢”的一个共同未决的美国临时专利申请中，在优先权日为1997年12月19日、USPTO给予的申请号是60/068252、题为“具有极好低温韧性的超高强度的经过奥氏体时效处理的钢”的一个共同未决的美国临时专利申请中，以及在优先权日为1997年12月19日、USPTO给予的申请号是60/068816、题为“具有极好低温韧性的超高强度的双相钢”的一个共同未决的美国临时专利申请中(总起来说，“钢专利申请”)，对改进的钢进行了描述。
在钢专利申请中描述的并在下面的实施例中进一步描述的新型钢，特别适合于制造本发明的用于储存和输送PLNG的容器，因为所述钢具有下面的特性，优选地，对于厚度大约为2.5cm(1英寸)或更厚的钢板(i)在基底钢以及在焊接HAZ中，低于大约-73℃(-100°F)、优选低于大约-107℃(-160°F)的DBTT；(ii)高于830MPa(120ksi)、优选高于大约860MPa(125ksi)、更优选高于900MPa(130ksi)的抗张强度；(iii)较好的可焊接性；(iv)在厚度方向上微观结构和性质基本一致；以及(v)比标准的、市场上可购得的、超高强度、低合金钢改进了的韧性。更为优选地，这些钢具有高于大约930MPa(135ksi)、或高于大约965MPa(140ksi)、或高于大约1000MPa(145ksi)的抗张强度。
第一个钢的实例如上面所讨论的，优先权日为1997年12月19日、题为“具有极好低温韧性的超高强度的钢”、USPTO给予的申请号是60/068194的共同未决的美国临时专利申请提供了对适用于本发明的钢的描述。提供了用于制备超高强度钢板的方法，所述钢板具有的微观结构包括占主体的经过回火的细晶粒的板条状马氏体、经过回火的细晶粒的下贝氏体、或它们的混合物，其中该方法包括下列步骤(a)将钢板坯加热至一个足够高的再加热温度，从而(i)使钢板坯充分地均匀化，(ii)充分地溶解钢板坯中的所有铌和钒的碳化物和碳氮化物，以及(iii)在钢板坯中形成细密的初始奥氏体晶粒；(b)在奥氏体再结晶的第一温度范围内，在一个或多个热轧道次中压缩钢板坯以形成钢板；(c)在低于大约Tnr温度和高于大约Ar3转化温度的第二温度范围内，在一个或多个热轧道次中进一步压缩钢板坯；(d)以大约10℃/秒至大约40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷却速率使钢板淬火到淬火停止温度，该温度大约在MS转化温度加上200℃(360°F)以下；(e)停止淬火；以及(f)在回火温度下使钢回火一段时间，该温度从大约400℃(752°F)到大约Ac1转化温度，优选至多(但不包括)Ac1转化温度，这段时间足以导致淬火颗粒的沉淀，淬火颗粒即一种或多种ε-铜、Mo2C、或铌和钒的碳化物和碳氮化物。足以导致淬火颗粒的沉淀的时间段主要取决于钢板的厚度、钢板的化学性质以及回火温度，而且可以被本领域的技术人员所确定。(参见术语表对占主体的、淬火颗粒、Tnr温度、Ar3、MS和Ac1转化温度以及Mo2C的定义。)为确保环境和低温温度下的韧性，该第一钢实例优选具有一种微观结构，该微观结构包括占主体的经过回火的细晶粒的下贝氏体、经过回火的细晶粒的板条状马氏体、或它们的混合物。优选地尽量减少诸如上贝氏体、孪晶型马氏体以及MA的脆化组分的形成。在该第一钢实例中以及在权利要求书中，“占主体的”意思是指至少大约50vol％。更优选地，该微观结构包括至少大约60vol％至大约80vol％的经过回火的细晶粒的下贝氏体、经过回火的细晶粒的板条状马氏体、或它们的混合物。进一步优选地，该微观结构包括至少大约90vol％的经过回火的细晶粒的下贝氏体、经过回火的细晶粒的板条状马氏体、或它们的混合物。最优选地，该微观结构包括基本上100％的经过回火的细晶粒的板条状马氏体。
按照该第一钢实例处理的钢板坯被以惯常的方式制造，而且在一个实施方案中，该钢板坯含有铁和下述合金元素，优选以重量范围显示在下面的表I中表I合金元素范围(wt％)碳(C) 0.04-0.12，更优选0.04-0.07锰(Mn)0.5-2.5，更优选1.0-1.8
镍(Ni)1.0-3.0，更优选1.5-2.5铜(Cu)0.1-1.5，更优选0.5-1.0钼(Mo)0.1-0.8，更优选0.2-0.5铌(Nb)0.02-0.1，更优选0.03-0.05钛(Ti)0.008-0.03，更优选0.01-0.02铝(Al)0.001-0.05，更优选0.005-0.03氮(N) 0.002-0.005，更优选0.002-0.003有时将钒(V)加入钢中，优选至多大约0.10wt％，更优选为大约0.02wt％至大约0.05wt％。
有时将铬(Cr)加入钢中，优选至多大约1.0wt％，更优选为大约0.2wt％至大约0.6wt％。
有时将硅(Si)加入钢中，优选至多大约0.5wt％，更优选为大约0.01wt％至大约0.5wt％，进一步优选为大约0.05wt％至大约0.1wt％。
有时将硼(B)加入钢中，优选至多大约0.0020wt％，更优选为大约0.0006wt％至大约0.0010wt％。
钢中优选含有至少大约1wt％的镍。如需要的话，钢中的镍成分可被增至大约3wt％以上以提高其焊接后的性能。每增加1wt％的镍含量预期会使钢的DBTT降低大约10℃(18°F)。镍含量优选低于9wt％，更优选低于大约6wt％。优选将镍含量减至最少以使钢的成本最低。如果镍的含量被增至超过大约3wt％，锰成分可被减少到低于大约0.5wt％至0.0wt％。因此，广义地说，至多大约2.5wt％的锰是优选的。
另外，优选将钢中的残渣基本上减到最少。磷(P)成分优选低于大约0.01wt％。硫(S)成分优选低于大约0.004wt％。氧(O)成分优选低于大约0.002wt％。
稍微详细一点，根据该第一钢实例的钢的制备方法是形成板坯，它具有此处所述的所要求的组成；将板坯加热到从大约955℃至大约1065℃(1750°F-1950°F)的温度；在奥氏体再结晶的第一温度范围内，即高于大约Tnr温度时，在一个或多个道次中热轧板坯，将其压缩大约30％至大约70％以形成钢板，进一步在低于大约Tnr温度和高于大约Ar3转化温度的第二温度范围内，在一个或多个道次中热轧钢板，将其压缩大约40％至大约80％。然后以大约10℃/秒至大约40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷却速率使经过热轧的钢板淬火到适宜的QST(见术语表中的定义)，该温度大约在MS转化温度加上200℃(360°F)以下，此时淬火被终止。在该第一钢实例的一个实施方案中，钢板随后被空气冷却到环境温度。该方法被用来产生一种微观结构，该微观结构优选包括占主体的细晶粒的板条状马氏体、细晶粒的下贝氏体、或它们的混合物，或者，更优选地包括基本上100％的细晶粒的板条状马氏体。
在该第一钢实例的钢中，被直接淬火的马氏体具有高强度，但通过在从大约400℃(752°F)以上到大约Ac1转化温度这一合适的温度下进行回火，可以改进它的韧性。在这个温度范围内钢的回火还导致淬火应力的降低，随之导致韧性的增加。尽管回火可增加钢的韧性，但通常导致相当大的强度损失。在本发明中，由回火导致的通常的强度损失通过引发沉淀弥散硬化来弥补。在马氏体结构的回火过程中，由细密的铜沉淀和混合的碳化物和/或碳氮化物引起的弥散硬化可被用来优化强度和韧性。该第一钢实例的钢的独特的化学性质，使得可以在大约400℃至大约650℃(750°F-1200°F)这一宽范围内进行回火而不导致淬火状态强度任何明显的损失。优选在回火温度下使钢板回火一段时间，该温度从高于大约400℃(752°F)到低于Ac1转化温度，这段时间足以导致淬火颗粒(见本发明的定义)的沉淀。该方法促进了钢板的微观结构转化成占主体的经过回火的细晶粒的板条状马氏体、经过回火的细晶粒的下贝氏体、或它们的混合物。另外，足以导致淬火颗粒的沉淀的时间段主要取决于钢板的厚度、钢板的化学性质以及回火温度，而且可以被本领域的技术人员所确定。
第二个钢的实例如上面所讨论的，优先权日为1997年12月19日、题为“具有极好低温韧性的超高强度的经过奥氏体时效处理的钢”、USPTO给予的申请号是60/068252的共同未决的美国临时专利申请提供了对适用于本发明的其它钢的描述。提供了用于制备超高强度钢板的方法，所述钢板具有微层状的微观结构，该结构包括大约2vol％到大约10vol％的奥氏体薄层以及大约90vol％到大约98vol％的占主体的细晶粒的马氏体和细晶粒的下贝氏体的板条，所述方法包括下列步骤(a)将钢板坯加热至一个足够高的再加热温度，从而(i)使钢板坯充分地均匀化，(ii)充分地溶解钢板坯中的所有铌和钒的碳化物和碳氮化物，以及(iii)在钢板坯中形成细密的初始奥氏体晶粒；(b)在奥氏体再结晶的第一温度范围内，在一个或多个热轧道次中压缩钢板坯以形成钢板；(c)在低于大约Tnr温度和高于大约Ar3转化温度的第二温度范围内，在一个或多个热轧道次中进一步压缩钢板；(d)以大约10℃/秒至大约40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷却速率使钢板淬火到淬火停止温度(QST)，该温度在大约MS转化温度加上100℃(180°F)以下、在大约MS转化温度以上；以及(e)停止所述淬火。在一个实施方案中，该第二钢实例的方法进一步包括使钢板从QST空气冷却到环境温度的步骤。在另一个实施方案中，该第二钢实例的方法进一步包括的步骤是将钢板空气冷却至环境温度之前，使钢板在QST基本上等温地保持大约5分钟。在又一个实施方案中，该第二钢实例的方法还包括的步骤是将钢板空气冷却至环境温度之前，使钢板以低于大约1.0℃/秒(1.8°F/秒)的速率从QST缓慢地冷却至多大约5分钟。在又一个实施方案中，本发明的方法还包括的步骤是将钢板空气冷却至环境温度之前，使钢板以低于大约1.0℃/秒(1.8°F/秒)的速率从QST缓慢地冷却至多大约5分钟。该方法促进了钢板的微观结构转化成大约2vol％到大约10vol％的奥氏体薄层以及大约90vol％到大约98vol％的占主体的细晶粒的马氏体和细晶粒的下贝氏体的板条(参见术语表对Tnr温度、Ar3和MS转化温度的定义。)为确保环境和低温温度下的韧性，在微层状微观结构中的板条优选包括占主体的下贝氏体或马氏体。优选地尽量减少诸如上贝氏体、孪晶型马氏体以及MA的脆化组分的形成。在该第二钢实例中以及在权利要求书中，“占主体的”意思是指至少大约50vol％。剩余的微观结构可以包括附加的细晶粒的下贝氏体、附加的细晶粒的板条状马氏体、或铁素体。更优选地，该微观结构包括至少大约60vol％至大约80vol％的下贝氏体或板条状马氏体。进一步优选地，该微观结构包括至少大约90vol％的下贝氏体或板条状马氏体。
按照该第二钢实例处理的钢板坯被以惯常的方式制造，而且在一个实施方案中，该钢板坯含有铁和下述合金元素，优选以重量范围显示在下面的表II中表II合金元素 范围(wt％)碳(C) 0.04-0.12，更优选0.04-0.07锰(Mn)0.5-2.5，更优选1.0-1.8镍(Ni)1.0-3.0，更优选1.5-2.5铜(Cu)0.1-1.0，更优选0.2-0.5钼(Mo)0.1-0.8，更优选0.2-0.4铌(Nb)0.02-0.1，更优选0.02-0.05钛(Ti)0.008-0.03，更优选0.01-0.02铝(Al)0.001-0.05，更优选0.005-0.03氮(N) 0.002-0.005，更优选0.002-0.003有时将铬(Cr)加入钢中，优选至多大约1.0wt％，更优选为大约0.2wt％至大约0.6wt％。
有时将硅(Si)加入钢中，优选至多大约0.5wt％，更优选为大约0.01wt％至大约0.5wt％，更加优选为大约0.05wt％至大约0.1wt％。
有时将硼(B)加入钢中，优选至多大约0.0020wt％，更优选为大约0.0006wt％至大约0.0010wt％。
钢中优选含有至少大约1wt％的镍。如需要的话，钢中的镍成分可被增至大约3wt％以上以提高其焊接后的性能。每增加1wt％的镍含量预期会使钢的DBTT降低大约10℃(18°F)。镍含量优选低于9wt％，更优选低于大约6wt％。优选将镍含量减至最少以使钢的成本最低。如果镍的含量被增至超过大约3wt％，锰成分可被减少到低于大约0.5wt％至0.0wt％。因此，广义地说，至多大约2.5wt％的锰是优选的。
另外，优选将钢中的残渣基本上减到最少。磷(P)成分优选低于大约0.01wt％。硫(S)成分优选低于大约0.004wt％。氧(O)成分优选低于大约0.002wt％。
稍微详细一点，根据该第二钢实例的钢的制备方法是形成板坯，它具有此处所述的所要求的组成；将板坯加热到从大约955℃至大约1065℃(1750°F-1950°F)的温度；在奥氏体再结晶的第一温度范围内，即高于大约Tnr温度时，在一个或多个道次中热轧板坯，将其压缩大约30％至大约70％以形成钢板，进一步在低于大约Tnr温度和高于大约Ar3转化温度的第二温度范围内，在一个或多个道次中热轧钢板，将其压缩大约40％至大约80％。然后以大约10℃/秒至大约40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷却速率使经过热轧的钢板淬火到适宜的QST，该温度在大约MS转化温度加上100℃(180°F)以下而在MS转化温度以上，此时淬火被终止。在该第二钢实例的一个实施方案中，在淬火终止后，使钢板从QST空气冷却到环境温度。在该第二钢实例的另一个实施方案中，在淬火终止后，使钢板在QST基本上等温地保持一段时间，优选至多大约5分钟，然后空气冷却到环境温度。在又一个实施方案中，钢板被以低于空气冷却的速率，即以低于大约1℃/秒(1.8°F/秒)的速率，缓慢冷却，优选冷却至多大约5分钟。在又一个实施方案中，钢板被以低于空气冷却的速率，即以低于大约1℃/秒(1.8°F/秒)的速率，从QST缓慢冷却，优选冷却至多大约5分钟。在该第二钢实例的至少一个实施方案中，MS转化温度大约是350℃(662°F)，因此，MS转化温度加上100℃(180°F)是大约450℃(842°F)。
如本领域的技术人员所知，可以通过任何合适的方法使钢板在QST基本上保持等温，例如通过在钢板上放置一个隔热层。如本领域的技术人员所知，可以通过任何合适的方法使钢板在淬火被终止后缓慢冷却，例如通过在钢板上放置一个保温层。
第三个钢的实例如上面所讨论的，优先权日为1997年12月19日、题为“具有极好低温韧性的超高强度的双相钢”、USPTO给予的申请号是60/068816的共同未决的美国临时专利申请提供了对适用于本发明的其它钢的描述。提供了用于制备超高强度双相钢板的方法，所述钢板具有一种微观结构，该结构包括大约10vol％到大约40vol％的第一相，该相是基本上100vol％(即基本上纯净的或“实质上的”)的铁素体，以及大约60vol％到大约90vol％的第二相，该相是占主体的细晶粒的板条状马氏体、细晶粒的下贝氏体、或它们的混合物，其中所述方法包括下列步骤(a)将钢板坯加热至一个足够高的再加热温度，从而(i)使钢板坯充分地均匀化，(ii)充分地溶解钢板坯中的所有铌和钒的碳化物和碳氮化物，以及(iii)在钢板坯中形成细密的初始奥氏体晶粒；(b)在奥氏体再结晶的第一温度范围内，在一个或多个热轧道次中压缩钢板坯以形成钢板；(c)在低于大约Tnr温度和高于大约Ar3转化温度的第二温度范围内，在一个或多个热轧道次中进一步压缩钢板；(d)在低于大约Ar3转化温度和高于大约Ar1转化温度的第三温度范围(即内临界温度(intercritical temperature)范围)内，在一个或多个热轧道次中进一步压缩所述钢板；(e)以大约10℃/秒至大约40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷却速率使所述钢板淬火到淬火停止温度(QST)，该温度在大约MS转化温度加上200℃(360°F)以下；以及(f)停止所述淬火。在该第三钢实例的另一个实施方案中，QST优选在大约MS转化温度加上100℃(180°F)以下，更优选低于大约350℃(662°F)。在该第三钢实例的一个实施方案中，在步骤(f)之后使钢板空气冷却到环境温度。该方法有利于钢板的微观结构转化成大约10vol％到大约40vol％的第一相，该相是铁素体，以及大约60vol％到大约90vol％的第二相，该相是占主体的细晶粒的板条状马氏体、细晶粒的下贝氏体、或它们的混合物(参见术语表对Tnr温度、Ar3和Ar1转化温度的定义。)为确保环境和低温温度下的韧性，该第三钢实例的钢中的第二相的微观结构包括占主体的细晶粒的下贝氏体、细晶粒的板条状马贝氏体、或它们的混合物。优选地尽量减少诸如上贝氏体、孪晶型马氏体以及MA的脆化组分在第二相中的形成。在该第三钢实例中以及在权利要求书中，“占主体的”意思是指至少大约50vol％。剩余的第二相的微观结构可以包括附加的细晶粒的下贝氏体、附加的细晶粒的板条状马氏体、或铁素体。更优选地，第二相的微观结构包括至少大约60vol％至大约80vol％的细晶粒的下贝氏体、细晶粒的板条状马氏体、或它们的混合物。进一步优选地，第二相的微观结构包括至少大约90vol％的细晶粒的下贝氏体、细晶粒的板条状马氏体、或它们的混合物。
按照该第三钢实例处理的钢板坯被以惯常的方式制造，而且在一个实施方案中，该钢板坯含有铁和下述合金元素，优选以重量范围显示在下面的表III中表III合金元素范围(wt％)
碳(C) 0.04-0.12，更优选0.04-0.07锰(Mn)0.5-2.5，更优选1.0-1.8镍(Ni)1.0-3.0，更优选1.5-2.5铌(Nb)0.02-0.1，更优选0.02-0.05钛(Ti)0.008-0.03，更优选0.01-0.02铝(Al)0.001-0.05，更优选0.005-0.03氮(N) 0.002-0.005，更优选0.002-0.003有时将铬(Cr)加入钢中，优选至多大约1.0wt％，更优选为大约0.2wt％至大约0.6wt％。
有时将钼(Mo)加入钢中，优选至多大约0.8wt％，更优选为大约0.1wt％至大约0.3wt％。
有时将硅(Si)加入钢中，优选至多大约0.5wt％，更优选为大约0.01wt％至大约0.5wt％，更加优选为大约0.05wt％至大约0.1wt％。
有时将铜(Cu)加入钢中，优选范围为大约0.1wt％至大约1.0wt％，更优选范围为大约0.2wt％至大约0.4wt％。
有时将硼(B)加入钢中，优选至多大约0.0020wt％，更优选为大约0.0006wt％至大约0.0010wt％。
钢中优选含有至少大约1wt％的镍。如需要的话，钢中的镍成分可被增至大约3wt％以上以提高其焊接后的性能。每增加1wt％的镍含量预期会使钢的DBTT降低大约10℃(18°F)。镍含量优选低于9wt％，更优选低于大约6wt％。优选将镍含量减至最少以使钢的成本最低。如果镍的含量被增至超过大约3wt％，锰成分可被减少到低于大约0.5wt％至0.0wt％。因此，广义地说，至多大约2.5wt％的锰是优选的。
另外，优选将钢中的残渣基本上减到最少。磷(P)成分优选低于大约0.01wt％。硫(S)成分优选低于大约0.004wt％。氧(O)成分优选低于大约0.002wt％。
稍微详细一点，根据该第三钢实例的钢的制备方法是形成板坯，它具有此处所述的所要求的组成；将板坯加热到从大约955℃至大约1065℃(1750°F-1950°F)的温度；在奥氏体再结晶的第一温度范围内，即高于大约Tnr温度时，在一个或多个道次中热轧板坯，将其压缩大约30％至大约70％以形成钢板，进一步在低于大约Tnr温度和高于大约Ar3转化温度的第二温度范围内，在一个或多个道次中热轧钢板，将其压缩大约40％至大约80％，并且在低于大约Ar3转化温度和高于大约Ar1转化温度的内临界温度范围内，在一个或多个道次中精轧钢板，将其压缩大约15％至大约50％。然后以大约10℃/秒至大约40℃/秒(18°F/秒-72°F/秒)的冷却速率使经过热轧的钢板淬火到适当的淬火停止温度(QST)，该温度优选在大约MS转化温度加上200℃(360°F)以下，此时淬火被终止。在本发明的另一个实施方案中，QST优选在大约MS转化温度加上100℃(180°F)以下，更优选低于大约350℃(662°F)。在该第三钢实例的一个实施方案中，在淬火终止后，使钢板空气冷却到环境温度。
在上面三个钢的实例中，由于Ni是一种昂贵的合金元素，钢中的镍成分优选低于大约3.0wt％，更优选低于大约2.5wt％，更优选低于大约2.0wt％，进一步优选低于大约1.8wt％，以使钢的成本尽量减小。
与本发明一起应用的其它合适的钢也在其它出版物中得到了描述，其中描述了超高强度、低合金钢，所述钢含有低于大约1wt％的镍，具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度，并具有极好的低温韧性。例如，这些钢被描述于出版于1997年2月5日、国际申请号为PCT/JP96/00157、国际公开号为WO 96/23909(08.08.1996Gazette 1996/36)(所述钢优选具有0.1wt％至1.2wt％的铜成分)的欧洲专利申请，优先权日为1997年7月28日、题为“具有极好超低温韧性的超高强度的、可焊接的钢”、USPTO给予的申请号为No.60/053915的未决的美国临时专利申请。
对于任何上面提到的钢，如本领域的技术人员所知，文中所使用的“厚度压缩百分率”是指与压缩前相比，钢板坯或钢板的厚度被压缩的百分率。仅出于解释的目的，而不由此限制本发明，大约25.4cm(10英寸)厚的钢板坯在第一温度范围内可以被压缩大约50％(压缩率是50％)，达到大约12.7cm(5英寸)的厚度，然后在第二温度范围内压缩大约80％(压缩率是80％)，达到大约2.5cm(1英寸)的厚度。此外，仅出于解释的目的，而不由此限制本发明，大约25.4cm(10英寸)的钢板坯在第一温度范围内可以被压缩大约30％(压缩率是30％)，达到大约17.8cm(7英寸)的厚度，然后在第二温度范围内压缩大约80％(压缩率是80％)，达到大约3.6cm(1.4英寸)的厚度，然后在第三温度范围内压缩大约30％(压缩率是30％)，达到大约2.5cm(1英寸)的厚度。文中所使用的“板坯”是指一块具有任何尺寸的钢。
对于任何上面提到的钢，如本领域的技术人员所知，为了将基本上整个钢板坯、优选将整个钢板坯的温度升高到所希望的再加热温度，优选通过一种合适的方法来再加热钢板坯，例如通过将板坯在炉中放置一段时间。或通过实验，或通过使用合适的模型计算，应该用于任何上面提到的钢组成的特定的再加热温度可以很容易地被本领域的技术人员所确定。另外，通过参考标准工业文献，将基本上整个钢板坯、优选将整个钢板坯的温度升高到所希望的再加热温度所需的炉温和再加热时间可以很容易地被本领域的技术人员所确定。
对于任何上面提到的钢，如本领域的技术人员所知，定义再结晶范围和非再结晶范围之间界限的温度，即Tnr温度，取决于钢的化学性质，更具体地，取决于轧制前的再加热温度、碳浓度、铌浓度以及在热轧道次中的压缩量。本领域的技术人员可通过实验或通过模型计算来确定每一种钢组成的该温度。同样地，本领域的技术人员也可通过实验或通过模型计算来确定每一种钢组成的Ac1、Ar1、Ar3和MS转化温度。
对于任何上面提到的钢，如本领域的技术人员所知，除了用于基本上整个钢板坯的再加热温度以外，随后在描述本发明的处理方法中所参考的温度都是在钢表面测定的温度。钢表面的温度可以通过使用例如光测高温仪或任何其它适用于测定钢表面温度的仪器来测定。此处所指的冷却速率是指在钢板厚度的中心或基本上中心处的速率；淬火停止温度(QST)是由于热量从板的中间厚度传导，停止淬火后，板表面处达到的最高或基本上最高的温度。例如，对所提供的实施例中的钢组成进行实验性热处理时，一个热电偶被置于钢板厚度的中心或基本上中心处以用于中心温度测定，而表面温度通过一个光测高温仪来测定。中心温度和表面温度之间的关系被研究出来，以便用于随后的对相同或基本上相同的钢组成的处理，这样可以通过直接测定表面温度来确定中心温度。而且，通过参考标准工业文献，为达到所需要的加速的冷却速率，所需的温度和淬火流体的流速可由本领域的技术人员确定。
本领域的技术人员具有必要的知识和技能来使用本发明所提供的信息生产超高强度、低合金钢板，所述钢板具有合适的高强度和韧性以用于制造本发明的管道和其它部分。其它合适的钢可能存在，或者在今后被研究出来。所有这些钢都在本发明的范围之内。
本领域的技术人员具有必要的知识和技能来使用本发明所提供的信息生产超高强度、低合金钢板，与按照本发明所提供的实施例生产的钢板的厚度相比，所述钢板具有改动了的厚度，同时仍能生产用于本发明的系统中的具有合适高强度和合适低温韧性的钢板。例如，本领域的技术人员可利用本发明提供的信息来生产一种钢板，所述钢板具有大约2.54cm(1英寸)的厚度以及合适的高强度和合适的低温韧性，以用于制造本发明的管道和其它部分。其它合适的钢可能存在，或者在今后被研究出来。所有这些钢都在本发明的范围之内。
当一种双相钢被用于制造本发明的管道时，优选以下述方式处理双相钢，即为了产生双相结构，将钢在内临界温度范围内保持一段时间，这时间发生在加速的冷却或淬火步骤之前。优选地，处理过程是这样的，即双相钢在钢的冷却过程中形成，范围在Ar3转化温度到大约Ar1转化温度之间。用于制造本发明的管道的钢另一个优选之处是，当加速的冷却或淬火步骤刚完成时，即不经过任何诸如回火的需要钢的再加热的附加处理，钢具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度和低于大约-73℃(-100°F)的DBTT。更优选地，当淬火或冷却步骤刚完成时，钢的抗张强度高于大约860MPa(125ksi)，更优选高于大约900MPa(130ksi)。在一些应用中，优选当淬火或冷却步骤刚完成时，钢具有高于大约930MPa(135ksi)、或高于大约965MPa(140ksi)、或高于大约1000MPa(145ksi)的抗张强度。用于制造管道和其它部分的连接方法为了制造本发明的管道和其它部分，需要一种连接钢板的合适的方法。任何为本发明的焊缝提供如上面所讨论的足够的强度和韧性的连接方法都被认为是合适的。优选地，为制造本发明的管道和其它部分使用了焊接方法，该方法适于提供足够的强度和断裂韧性以容纳被容纳或运输的流体。这种焊接方法优选包括合适的可消耗线材、合适的可消耗气体、合适的焊接方法以及合适的焊接步骤。例如，如果使用了合适的可消耗线材-气体的组合，在钢制造工业中为人熟知的气体保护金属极电弧焊(GMAW)以及钨惰性气体(TIG)焊都可被用于连接钢板。
在第一个焊接方法的实施例中，气体保护金属极电弧焊(GMAW)方法被用于生产一种焊接金属化学物质，它包括铁和大约0.07wt％的碳、大约2.05wt％的锰、大约0.32wt％的硅、大约2.20wt％的镍、大约0.45wt％的铬、大约0.56wt％的钼、低于大约110ppm的磷以及低于大约50ppm的硫。焊接在钢上进行，例如上述任何一种钢，使用一种含有低于大约1wt％的氧的氩基保护气。焊接输入热量在大约0.3kJ/mm至大约1.5kJ/mm(7.6kJ/英寸至38kJ/英寸)的范围内。通过这种方法的焊接提供了一种焊接结构(参见术语表)，该结构具有高于大约900MPa(130ksi)、优选高于大约930MPa(135ksi)、更优选高于大约965MPa(140ksi)、进一步优选至少大约为1000MPa(145ksi)的抗张强度。另外，通过这种方法的焊接提供了一种焊接金属，该金属具有低于大约-73℃(-100°F)、优选低于大约-96℃(-140°F)、更优选低于大约-106℃(-160°F)、进一步优选低于大约-115℃(-175°F)的DBTT。
在另一个焊接方法的实施例中，GMAW方法被用于生产一种焊接金属化学物质，它包括铁和大约0.10wt％的碳(优选小于大约0.10wt％的碳，更优选从大约0.07到大约0.08wt％的碳)、大约1.60wt％的锰、大约0.25wt％的硅、大约1.87wt％的镍、大约0.87wt％的铬、大约0.51wt％的钼、低于大约75ppm的磷以及低于大约100ppm的硫。焊接输入热量在大约0.3kJ/mm至大约1.5kJ/mm(7.6kJ/英寸至38kJ/英寸)的范围内并使用了大约100℃(212°F)的预热。焊接在钢上进行，例如上述任何一种钢，使用一种含有低于大约1wt％的氧的氩基保护气。通过这种方法的焊接提供了一种焊接结构，该结构具有高于大约900MPa(130ksi)、优选高于大约930MPa(135ksi)、更优选高于大约965MPa(140ksi)、进一步优选至少大约是1000MPa(145ksi)的抗张强度。另外，通过这种方法的焊接提供了一种焊接金属，该金属具有低于大约-73℃(-100°F)、优选低于大约-96℃(-140°F)、更优选低于大约-106℃(-160°F)、进一步优选低于大约-115℃(-175°F)的DBTT。
在另一个焊接方法的实施例中，钨惰性气体焊接(TIG)方法被用于生产一种焊接金属化学物质，它包括铁和大约0.07wt％的碳(优选小于大约0.07wt％的碳)、大约1.80wt％的锰、大约0.20wt％的硅、大约4.00wt％的镍、大约0.5wt％的铬、大约0.40wt％的钼、大约0.02wt％的铜、大约0.02wt％的铝、大约0.010wt％的钛、大约0.015wt％的锆(Zr)、低于大约50ppm的磷以及低于大约30ppm的硫。焊接输入热量在大约0.3kJ/mm至大约1.5kJ/mm(7.6kJ/英寸至38kJ/英寸)的范围内并使用了大约100℃(212°F)的预热。焊接在钢上进行，例如上述任何一种钢，使用一种含有低于大约1wt％的氧的氩基保护气。通过这种方法的焊接提供了一种焊接结构，该结构具有高于大约900MPa(130ksi)、优选高于大约930MPa(135ksi)、更优选高于大约965MPa(140ksi)、进一步优选至少大约为1000MPa(145ksi)的抗张强度。另外，通过这种方法的焊接提供了一种焊接金属，该金属具有低于大约-73℃(-100°F)、优选低于大约-96℃(-140°F)、更优选低于大约-106℃(-160°F)、进一步优选低于大约-115℃(-175°F)的DBTT。
通过使用GMAW或TIG焊接方法，可以制造与上面实施例中提到的化学物质类似的焊接金属化学物质。然而，与GMAW焊接相比，TIG焊接将会有更低的杂质含量和更高的精致的微观结构，从而改进了低温韧性。
本领域的技术人员具有使用本发明所提供信息的必要的知识和技能来焊接超高强度、低合金钢板，所产生的焊缝具有合适的高强度和断裂韧性以用于制造本发明的管道和其它部分。其它合适的连接或焊接方法可能存在，或者在今后被研究出来。所有这些连接或焊接方法都在本发明的范围之内。
管道和其它部分的制造并不由此限制本发明提供了管道和其它部分，它们(i)由包括超高强度、低合金钢的材料制成，所述钢含有低于9wt％的镍，并且(ii)具有足够的强度和低温断裂韧性以容纳低温流体，尤其是PLNG；进一步地，提供了管道和其它部分，它们由包括超高强度、低合金钢的材料制成，所述钢含有低于9wt％的镍，并且具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度和低于大约-73℃(-100°F)的DBTT；进一步地，提供了管道和其它部分，它们(i)由包括超高强度、低合金钢的材料制成，所述钢含有低于大约3wt％的镍，并且(ii)具有足够的强度和低温断裂韧性以容纳低温流体，尤其是PLNG；进一步地，提供了管道和其它部分，它们(i)由包括超高强度、低合金钢的材料制成，所述钢含有低于大约3wt％的镍，并且(ii)具有超过大约1000MPa(145ksi)的抗张强度和低于大约-73℃(-100°F)的DBTT。这些管道和其它部分优选由具有本发明所描述的极好低温韧性的超高强度、低合金钢制造。
本发明的管道和其它部分优选由具有极好低温韧性的超高强度的、低合金的分离的钢板制造。在适宜的地方，适宜的管道和其它部分的焊缝优选具有与超高强度、低合金钢板大致相同的强度和韧性。在一些情况下，相当于大约5％至大约10％的强度不匹配就可被认为是有更低应力的位置。具有优选性质的焊缝可通过任何合适的连接方法来形成。在小标题为“用于管道和其它部分制造的连接方法”中，本发明描述了示范性的连接方法。
如本领域的技术人员所熟悉的，在用于输送加压的、低温流体诸如PNG的管道的设计中，夏比V型缺口(Charpy V-notch，CVN)试验可被用于断裂韧性评估和断裂控制，尤其是通过使用韧脆性转变温度(DBTT)。DBTT描述了结构钢中的两种断裂状态。在低于DBTT的温度下，夏比V型缺口试验中的破坏倾向于由低能量解理(脆性)断裂引起，而在高于DBTT的温度下，破坏倾向于由高能量韧性断裂引起。用于PLNG的运输以及用于其它的负载支承、低温服务的由焊接的钢制造的管道，必须具有适当低于结构的服务温度的DBTTs以避免脆性破坏，该DBTTs由夏比V型缺口试验确定。取决于设计、服务条件和/或适宜的分级社的要求，所需的DBTT的温度变化可以是在服务温度以下的5℃至30℃(9°F至54°F)。
如本领域的技术人员所熟悉的，在用于输送加压的、低温流体诸如PLNG的由焊接的钢制造的管道的设计中，所要考虑的操作条件除其它条件外还包括操作压力和温度以及可能施加在钢和焊接结构(参见术语表)上的附加的应力。标准的断裂力学量度，例如(i)被定义为平面-应变断裂韧性的一种量度的临界应力强度因子(KIC)，以及(ii)可用于测定弹塑性断裂韧性的裂缝尖端扩张位移(CTOD)，它们两者都为本领域的技术人员所熟悉，可被用于确定钢和焊接结构的断裂韧性。将钢结构设计中通常可以接受的工业规范，例如，根据钢和焊接结构(包括HAZ)的断裂韧性以及施加在管道上的应力，BSI出版物“评估熔焊结构中的可接受裂缝的方法指南”，通常被称作“PD 64931991”，可被用于确定管道的最大允许裂缝尺寸。本领域的技术人员能开发一种断裂控制程序以减少断裂形成，通过(i)适当的管道设计以尽量减小施加的应力；(ii)适当的生产质量控制以尽量减少缺陷；(iii)适当控制寿命周期负载和施加在管道上的压力，以及(iv)适当的检查程序以可靠地检测管道中的裂缝和缺陷。如本领域的技术人员所熟悉的，用于本发明的系统的优选的设计原则是“先漏后坏(leak before failure)”。这些考虑因素在本发明中通常被称为“断裂力学的已知原理”。
下面是一个非限定性的实施例，在计算给定裂缝长度的临界裂缝深度的过程中，将这些断裂力学的已知原理应用于一个断裂控制计划以防止在本发明的管道中发生断裂。
图2B显示了一个裂缝长度为315、裂缝深度为310的裂缝。根据下面的管道的设计条件，使用了PD6493来计算示于图2A中的临界裂缝尺寸曲线300中的数值管道直径 914mm(36in)管道壁厚 20mm(0.787in.)操作轴向应力 0.80(乘以)SMYS＝662MPa(96ksi)为了本实施例的目的，假设有一个长度为100mm(4英寸)的表面裂缝，例如位于一个环形焊缝中的环形裂缝。现在参考图2A，曲线300显示了在残余应力水平为屈服应力的15％、25％、50％、75％以及100％时，临界裂缝深度与CTOD断裂韧性以及与残余应力的关系。残余应力可以由制造和焊接产生；除非通过使用诸如焊后热处理(PWHT)或机械性应力消除的技术使焊缝的应力消除之外，PD6493推荐使用的残余应力值是焊缝(包括焊接HAZ)中屈服应力的100％。
根据在最低服务温度下的钢的CTOD断裂韧性，可以调整管道的焊接过程来减少残余应力，可以实行一个检查程序(对初始检查和服务中检查都可)来检查和测量裂缝以用于与临界裂缝尺寸相比较。在本实施例中，如果在最低服务温度下钢的CTOD韧性是0.030mm(使用实验室样品测定得到)，而且残余应力被减少至钢屈服强度的15％，那么临界裂缝深度的值大约是1mm(参见图2A上的点320)。按照相似的计算步骤，如本领域的技术人员所熟知的，可以确定对应于不同的裂缝长度和不同的裂缝几何形状的临界裂缝深度。使用这些信息，可以开发一个质量控制程序和检查程序(技术、可检测的裂缝尺寸、频率)，以保证在达到临界裂缝深度之前或在设计负载的应用之前检测出并补救裂缝。根据已出版的CVN、KIC和CTOD断裂韧性之间的经验关系，0.030mm的CTOD韧性通常对应的CVN值为大约44J。本实施例不是意图以任何方式限制本发明。
对于需要将钢弯曲成例如用作容器的圆筒状或用作管道的管状的管道和其它部分，优选在环境温度下将钢弯曲成所需的形状，目的是避免对钢的极好的低温韧性的不利影响。如果在弯曲后为了得到所需的形状必须将钢加热，则优选将钢加热到不高于大约600℃(1112°F)的温度，目的是保持如上所述的钢的微观结构中的有利影响。
与这些管道和其它部分相联系的独特优点在下面得到了详细的描述。
管道配送网络系统参见图1，用于PLNG配送的根据本发明的管道配送网络系统10优选包括至少一个储存容器12、至少一条一级配送管道14、以及至少一个目的地16。仅为举例，并不能限制本发明，目的地16可以是机动车加油站、生产工厂或位于天然气管道之上的LNG蒸发点。图1中所示的管道配送网络系统还具有至少一条二级配送管道18，以及至少一条三级配送管道15。
管道配送网络系统10被优选地设计，以控制热渗透进入系统，目的是控制PLNG的蒸发。用本领域的技术人员已知的方法就可以控制热渗透，例如用适当的保温材料和保温材料厚度来包裹诸如第一配送管道14的管道，以及包裹储存容器12。另外，包括一个再液化器的蒸气处理设备(没有示于图1中)可被包括在管道配送网络系统10之中，或者多余的蒸气可被用于为气体发动机带动的装置提供燃料。
优选通过一个低温泵(没有示于图1中)来泵送PLNG。另外，优选在整个管道配送网络系统10的各个位置使用低温泵，从而将在系统中泵送的PLNG的压力-同样还有温度-保持在所需的范围内。适宜的低温泵可由本领域的技术人员选择。优选地，在目的地16和系统中的管道例如二级配送管道18之间的单向阀(没有示于图1中)防止从目的地16回到管道的逆向流动。本发明的管道配送网络系统的一个优点是PLNG(一种液体)可以被泵送至目的地，从而避免了由压缩而增加费用，该压缩与典型天然气配送系统有关。
一个典型的PLNG接收终点位于从PLNG油船接收PLNG的海岸。该终点优选具有至少一个PLNG储存容器12和用于蒸发PLNG的设备(没有示于图1中)。例如，用于具有100个PLNG用户/配送商(每个一天需要大约3,000加仑PLNG)的典型都市网络的管道配送网络系统10包括一条10″一级配送管道14、大约十条3″二级配送管道18以及大约一百条1.5″三级配送管道15。
用于PLNG输送的上面描述的管道配送网络系统中的管道和其它部分优选由本发明所描述的任何适宜的超高强度、低合金钢制成，例如在上面描述的小标题为“用于制造管道和其它部分的钢”中的任何钢。根据使用管道配送网络系统的PLNG项目的需要来确定管道和其它部分的尺寸。除了本说明书所提供的信息之外，本领域的技术人员可使用标准的工程实践和工业中可获得的文献，用来确定管道和其它部分所需要的尺寸、壁厚等，以及用来制造和操作本发明的管道配送网络系统。
本发明的系统被有利地用于配送/输送PLNG。另外，本发明的系统被有利地用于(i)配送/输送其它加压的、低温的流体，(ii)配送/输送加压的、非低温的流体，或(iii)在环境压力下配送/输送低温的流体。
尽管上面的发明被以一个或多个优选的实施方案的形式描述，应该理解的是可以进行其它的改动而不背离本发明的范围，本发明的范围在下面的权利要求书中得到了阐明。
术语表wt％ 重量％vol％ 体积％Ac1转化温度 加热过程中奥氏体开始形成时的温度；Ac3转化温度 加热过程中铁素体向奥氏体的转化完成时的温度；Ar1转化温度 冷却过程中奥氏体向铁素体或向铁素体加渗碳体转化完成时的温度；Ar3转化温度 冷却过程中奥氏体开始转化成铁素体时的温度；低温 低于大约-40℃(-40°F)的温度；CTOD 裂缝尖端扩张位移；CVN夏比V型缺口DBTT(韧脆性转变 描述结构钢中的两种断裂状态；在低于温度) DBTT的温度下，破坏倾向于由低能量解理(脆性)断裂引起，而在高于DBTT的温度下，破坏倾向于由高能量韧性断裂引起；基本上 实质上100vol％；Gm3 十亿立方米；GMAW 气体保护金属极电弧焊淬火颗粒ε-铜、Mo2C、或铌和钒的碳化物和碳氮化物的一种或更多种；HAZ 热影响区；内临界温度范围 加热时从大约Ac1转化温度至大约Ac3转化温度，冷却时从大约Ar3转化温度至大约Ar1转化温度；KIC临界应力强度因子；kJ 千焦尔；kPa 千帕斯卡；ksi 千磅/平方英寸；低合金钢一种含有铁和总量低于大约10wt％的合金添加剂的钢；MA 马氏体-奥氏体；最大允许裂缝尺寸临界裂缝长度和宽度；Mo2C 碳化二钼的一种形态；MPa 兆帕斯卡；MS转化温度 冷却过程中奥氏体开始向马氏体转化时的温度；PLNG加压液化天然气；占主体的至少大约50vol％；ppm 百万分之一份；psia磅/平方英寸(绝压)；淬火与空气冷却相对的任何方式的加速冷却，借此使用了一种流体，选择该流体是因为它具有提高钢的冷却速率的倾向；淬火(冷却)速率 位于板厚度中央或大致中央处的冷却速率；淬火停止温度由于热量从板中间厚度传导，停止淬火后，板表面处达到的最高或基本上最高的温度；QST 淬火停止温度；板坯 一块具有任何尺寸的钢；TCF 万亿立方英尺；抗张强度 在抗张试验中，最大负载与初始横断面面积的比值；TIG焊接 钨惰性气体焊接；Tnr温度 低于该温度时，奥氏体不会再结晶；USPTO 美国专利和商标局；以及焊接结构 焊接接头或焊缝，包括(i)焊接金属，(ii)热影响区(HAZ)，以及(iii)HAZ“邻近区域”的母体金属。被认为处于HAZ“邻近区域”内的母体金属部分(因而是焊接结构的一部分)随本领域技术人员已知的因素而变化，例如，这些因素有焊接结构的宽度、被焊接物品的尺寸、制造该物品所需的焊接结构的数目、以及焊接结构之间的距离，但并不限于这些因素。
权利要求
1.用于将加压液化天然气从储存地输送到目的地的方法，所述方法包括下列步骤(a)将具有1035kPa(150psia)至7590kPa(1100psia)的压力以及-123℃(-190°F)至-62℃(-80°F)的温度的所述加压液化天然气输送到位于所述储存地的管道配送网络系统的入口，其中所述管道配送网络系统具有至少一条管道，该管道通过把包括一种超高强度、低合金钢的材料的至少一块分离的板弯曲并连接在一起而制成，所述钢含有低于9重量％的镍并具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度和低于-73℃(-100°F)的DBTT，并且其中通过所述连接而形成的任何接缝在所述压力和温度条件下具有足够的强度和韧性以容纳所述加压液化天然气；和(b)将所述加压液化天然气用泵输送到位于所述目的地的所述管道配送网络系统的出口。
2.权利要求1的方法，其中用于把所述加压液化天然气转化成气体并且把所述气体输送到用户或配送商的蒸发设备与所述管道配送网络系统的所述出口相连。
3.权利要求2的方法，进一步包括下列步骤(c)将所述气体输送到气体管道。
4.权利要求1的方法，其中所述管道配送网络系统具有至少一个储存容器，其中所述储存容器通过把包括一种超高强度、低合金钢的材料的多块分离的板连接在一起而制成，所述钢含有低于9重量％的镍并具有大于830MPa(120ksi)的抗张强度和低于-73℃(-100°F)的DBTT，并且其中所述分离的板之间的连接处在所述压力和温度条件下具有足够的强度和韧性以容纳所述加压液化天然气。
全文摘要
将加压液化天然气从储存地输送到目的地的方法，该方法包括(a)将具有1035kPa(150psia)至7590kPa(1100psia)的压力和－123℃(－190°F)至－62℃(－80°F)的温度的该加压液化天然气输送到位于该储存地的管道配送网络系统的入口，其中该管道配送网络系统具有至少一条管道，该管道通过把包括一种超高强度、低合金钢的材料的至少一块分离的板弯曲并连接在一起而制成，该钢含有低于9重量％的镍并具有大于830Mpa(120ksi)的抗张强度和低于－73℃(－100°F)的DBTT，并且其中通过该连接而形成的任何接缝在该压力和温度条件下具有足够的强度和韧性以容纳该加压液化天然气；和(b)将该加压液化天然气用泵输送到位于该目的地的该管道配送网络系统的出口。
文档编号F25B19/00GK1495379SQ03120609
公开日2004年5月12日 申请日期1998年6月18日 优先权日1997年6月20日
发明者R·R·伯温, M·明塔, J·R·瑞格比, R R 伯温, 瑞格比 申请人:埃克森美孚上游研究公司