（材料加工工程专业论文）液化天然气低温储罐用9ni钢焊接工艺研究.pdf

液化天然气低温储罐用9 n i 钢焊接工艺研究 摘要 随着中国经济的高速发展，对能源的需求更加迫切。液化天然气( l n g ) 作为绿色清洁能源，将成为能源发展的重点。然而，作为制造l n g 储罐的关键 材料低温用9 n i 钢及焊接技术，国内仍属空白。对其进行有关试验研究具有重 要的工程意义。 针对国产新研制的9 n i 钢，在对国内外相关资料进行了大量的收集和研究 的基础上，综合分析了9 n i 钢的焊接性能、焊接材料、焊接方法及焊接工艺。 采用焊接热模拟和试板焊接两种方法对国产9 n i 钢焊接工艺进行了试验研究， 用j b d 一3 0 0 低温c h a r p y 冲击试验机、硬度测试仪和m t s8 0 9a x i a l 测试系统 对热模拟试样和焊接接头低温力学性能进行了测试。为探明焊接工艺对接头组 织与低温断裂韧性的影响规律，对试样进行了光学显微观察、电子扫描电镜分 析和x 一衍射等试验。 试验结果表明：单道热模拟试验中，当峰值温度为5 6 0 c 时，低温韧性最 好，一l6 5 低温c h a r p y v 形冲击功为2 5 7 j 。9 n i 钢13 5 0 粗晶区冲击功在5 0 j _ ， 9 0 j 之间，与母材( 2 6 8 j ) 相比，下降了许多。低温冲击功随线能量的增大，整体 呈降低的趋势。对粗晶区的二次热模拟试验表明在沿熔合线的粗晶区有脆化区 的存在。在二次热循环作用下，形成紧靠熔合线的若干小块的低温韧性较低的 区域，包括原粗晶区、未改变粗晶区和临界粗晶区，这是热影响区中裂纹最易 形成与扩展的区域。国产9 n i 钢在含c 量很低，以及洁净度极高的情况下，能 改善其粗晶区的组织因焊接冷却时的冷速过快而产生的组织遗传现象。这样， 在二次热循环时，可显著的起到细化晶粒，改善性能的作用。 在对国产9 n i 钢的焊接试验研究表明，采用小线能量，低层间温度，多层 多道焊接可有效提高9 n i 钢接头的低温韧性。在线能量达到3 7 k j c m 时，热影 响区的粗晶区低温韧性仍具有较高的水平，1 6 5 下为6 2 j 。在保证进行多层多 道焊、低层间温度的基础上，可把线能量适当提高，以提高焊接效率。 关键字：国产9 n i 钢：l n g 储罐；焊接工艺；焊接热模拟 a s t u d y o i lw e l d i n gp r o c e s so f9 n is t e e lf o rl n g c r y o g e n i ct a n k s a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p i n go fc h i n e s ee c o n o m y , t h en e e df o r e n e r g y i s u r g e n t l n ga sg r e e ne n e r g yh a sb e c o m et h ef o c u so fd e v e l o p m e n t b u t ，c r y o g e n i c 9 n is t e e la sk e ym a t e r i a l so fa n dw e l d i n gp r o c e s si sn oa n y w e l d i n gp r o c e s si no u r c o u n t r y t e s ta n dr e s e a r c hh a sa ni m p o r t a n te n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt ot h en e wd o m e s t i c9 n is t e e l ，b ys t u d ya n dd i s c u s s i o nag r e a td e a l o fs c i e n c ea n dt e c h n o l l g yi n f o r m a t i o na b o u t9 n is t e e la th o m ea n da b r o a d ，a n d c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s e sw e l d a b i l i t y ，w e l dm a t e r a l ，w e l dm a t h e da n dw e l d p r o c e s s h a v er e c e r a c h e dw e l dp r o c e s so f9 n is t e e lb yw e l dt h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t a n dt h e w e l d i n go ft e s tp l a t e s t e s t i n gc r y o g e n i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e s a m p l eb yu s i n gj b d 一30 0 c r y o g e n i cc h a r p yi m p a c t ，h a r d n e s s t e s t i n g i n s t r u m e n t ，m t s8 0 9a x i a lt e s ts y s t e m t h er e l a t i o n sb e t w e e n w e l d i n gp r o c e s sa n d c r y o g e m ct o u g h n e s sh a sb e e np r o v e du p b ym e t a l l o g r a p h y ，s e m ，x r d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta t5 6 0 h a st h eb e s tc r y o g e n i ct o u g h n e s s ( 2 5 7 j ) i ns i n g l e r u nw e l d i n gt h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t i n c o a r s eg r a i nh e a t a f f e c t e dz o n e ( c g h a z ) c r y o g e n i ci m p a c te n e g yi so n l y5 0 9 0 j ，g r e a tl o w e rt h a nb a s em e t a l a n d c r y o g e n ici m p a c te n e g yw a sd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e z s eo fh e a ti n p u te n e r g y d o u b l e - r u n sw e l d i n gt h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t ss h o wt h a tt h e r ew e r es o m eb r i t t l e z o n e sa l o n gt h ef u s i o nl i n e c o a r s eg r a i nh e a t a f f e c t e dz o n eh a v eb i n gd i v i d e di n t o s m a l lz o n eu n d e rt h ef o l l o w i n gw e l d i n gt h e r m a l c y c l e s r e m a i nc g h a z ，u a c g h a z ，i cc g h a zh a v ev e r yl o wc r y o g e n i ct o u g h n e s s c r a c ki n i t i a t i o na n d p r o p a g a t i o ne a s i l yi nt h e s ez o n e t h i ss t u d ya l o sf o u n dt h a t9 n is t e e lw i t hv e r yl o w ca n de x t r e m e l yc l e a n l i n e s sw o u l dt a k ec g h a zf r o mm i c r o s t r u c t u r eh e r e d i t a r v p h e n p m e n o nf o rt h eq u i c kc o o l i n gr a t ea f t e rw e l d t h u s ，c g h a zw i l lb er e f i n e d m o r em a r k e da n di m p r o v e p r o p e r t i e si nt h es e c o n dw e l d i n gt h e r m a lc y c l e s o m er e s u l t sa r ef o u n dt h a tc r y o g e n i ct o u g h n e s so f9 n is t e e lw i l lb ee n h a n c e w i t hl i t t l e h e a t i n p u t ，l o wi n t e r p a s st e m p e r a t u r e aa n d m u l t i 1 a y e r a n d m u l t i p a s s e s i ft h eh e a ti n p u ta r r i v ea t37 k j c m t h ec r y o g e n i ct o u g h n e s so f9 n i s t e e ls t i l la tah i g hl e v e l ( a b o u t5 0 ja t 16 5 ) s o e f f i c i e n c yo fw e l dw o u l db e e n h a n c e db yi n c r e a s eh e a ti n p u tp r o p e r l yb a s e do nm u l t i p a s s e sw e l d i n g k e yw o r d s ：d o m e s t i c9 n is t e e l ；w e l d i n gp r o c e s s ；w e l d i n gt h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t ； l n gt a n k 插图清单 图1 - 1 世界l n g 贸易量预测1 图1 - 2 镍元素对钢板低温韧性的影响3 图2 1 国产钢母材金相照片1 1 图2 - 2 热影响区最高硬度测试示意图1 2 图2 3 斜y 坡口焊接裂纹试验示意图1 3 图2 4 力学性能试验取样示意图1 4 图2 5j b d 一3 0 0 低温冲击试验机1 4 图2 6 标准夏比v 形缺口冲击试样1 5 图2 - 7 冲击试样示意图1 6 图2 - 8c t o d 试样缺口位置示意图1 7 图2 - 9m t s8 0 9h x i a l t o r s i o n a lt e s ts y s t e m 1 8 图2 - 1 0 焊接接头拉伸试样图1 9 图2 - 11 弯曲试验取样图1 9 图2 12k 形坡口硬度测试分布2 0 图3 - 1g 1e e b le3 1 8 0 型热模拟试验机2 4 图3 - 2 焊接热循环曲线及主要参数示意图2 5 图3 - 3 不同峰值温度的单道模拟热循环曲线2 7 图3 41 3 5 0 不同线能量单道模拟热循环曲线2 7 图3 - 5 两道模拟热循环曲线2 8 图3 - 6 多道模拟热循环曲线2 9 图3 7 热影响区低温韧性随值温度的变化规律3 0 图3 - 8 低温韧性随焊接线能量的变化3 1 图3 - 9 热模拟试样断口扫描电镜照片3 2 图3 1 0 不同二次热循环峰值温度粗晶区低温冲击功3 3 图3 - 1l 两道热循环1 3 5 0 + 9 0 0 模试样扫描电镜图3 4 图3 1 2 部分热模拟试样组织图3 6 图3 - 1 3 热影响区的四个潜在脆化区3 9 图4 一l 双面v 形坡口接头4 1 图4 - 2k 形坡口接头4 2 图4 - 3 热影响区硬度变化图4 4 图4 - 4 侧膨胀测定示意图4 5 图4 5 低温冲击功与侧膨胀值的对应关系4 6 图4 - 6 国产9 n i 钢焊接热影响区不同区域的晶粒4 8 图4 - 7 不同热输入条件下9 n i 钢粗晶区的晶粒4 8 图4 - 89 n i 钢接头热影响区金相组织4 9 图4 99 n i 钢焊缝金相组织5 0 图4 1 09 n i 钢焊条电弧焊断口能谱图5 2 图4 119 n i 钢焊接接头冲击试样的扫描电镜照片5 3 图4 1 2x 一衍射谱图5 4 表格清单 表1 - 1e n i c r m o 一6 型镍基焊条化学成分7 表1 - 2 熔敷金属的力学性能7 表2 - 1 国产9 n i 钢化学成分1 0 表2 2 国产9 n i 钢力学性能1 0 表2 - 3 接头不同区域预制裂纹1 8 表2 4g 值2 1 表3 - 1g 1e e b l e3 1 8 0 型热模拟试验机主要技术参数2 4 表3 2 不同峰值温度热模拟试样的冲击功2 9 表3 - 31 3 5 0 下不同热输入模拟粗晶区的冲击功3 0 表3 4 两道及多道焊热循环模拟试样的冲击功3 3 表3 5 不同峰值温度热模拟试样的硬度3 5 表3 6 不同线能量下热模拟试样硬度3 5 表4 一l 双面v 形坡口接头焊接工艺参数4 0 表4 2k 形坡口接头焊接工艺参数4 1 表4 - 3 斜y 型裂纹试验检查结果4 3 表4 - 4 热影响区硬度4 3 表4 5 焊接接头低温冲击功4 4 表4 - 6 熔合线上不同焊缝含量冲击功4 5 表4 - 7 试样的侧膨胀量4 6 表4 8c t o d 试验数据”4 7 表4 9k 形坡口接头区硬度5 0 表4 一1 0 焊接接头破坏性试验结果5 l 表4 一1 1 能谱分析元素质量百分比5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目曼王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 译醐渺7 年7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月墨王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒胆王些左 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 文：罨拗 签字日期渺了年争月r 7 自| l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名- 刃刃印 签字日期：乡叫年4 月所日 j 电话： 邮编： 致谢 本论文的研究工作是在王国平副教授的悉心指导下完成的。在论文撰写期 间，导师从论文选题到试验研究过程中以及论文写作期间都给予了无微不至的 指导。导师渊博的学识、严谨的治学和奋发向上的精神使我收益匪浅。在此表 示崇高的敬意和衷心的感谢! 由衷的感谢合肥工业大学材料学院的领导及老师们、材料加工工程系的老 师们，胡小建教授、徐道荣副教授、李萌盛副教授、薛国宪副教授等诸位老师 的大力支持和帮助。同时感谢校实验室的诸位老师在试验上的帮助。感谢实验 室王拮、蒋志金、王知几位研究生的帮助和支持。感谢支持、关系、帮助我的 各位师长、同学和朋友们。 对于在百忙之中评审本论文的专家及答辩委员们表示衷心的感谢! 作者：李道钢 2 0 0 9 年0 4 月1 0 日 第一章绪论 1 1 概述 随着世界能源需求的增长，人们对液化天然气( l i q u e f i e dn a t u r a lg a s 即 l n g ) 能源的兴趣来越大。l n g 是一种质能比大且非常洁净的能源，主要成分 是甲烷，并带有微量的乙烷、丙烷、丁烷及戊烷。燃烧时几乎不产生任何粒状 物污染，而产生的氧化氮及二氧化碳也较其他化石燃料少。由于在液化的过程 中去除了其中的大部分的硫质，因此重新气化后的天然气在燃烧过程中排放的 二氧化硫极少 1 1 。天然气降温到一16 2 后就变为了液化天然气，其体积仅为常 温时的六百分之一，运输及存储的成本可大大降低。 预计世界天然气可采资源量为4 3 9 8 1 0 1 2m 3 ，【6 】预示了随着勘探技术的 不断提高和地质认识的逐步深化，世界天然气可采资源量还会有所增加。我国 天然气储量丰富 2 - 4 l 。我国7 8 的天然气资源在陆上，而陆上天然气资源量的 7 5 在我国川渝地区、鄂尔多斯盆地、柴达木盆地、塔里木盆地、莺歌海和东 海6 大天然气产区。根据我国近期对天然气可采资源量的评估，预计可采资源 量在2 0 10 1 2m 3 以上，2 0 10 年的天然气产量将达8 0 0 10 8m 3 以上，2 0 2 0 年 将达12 0 0 1 0 8m 3 以上【7 1 。此外，周边国家丰富的天然气资源也将以管输和 船运液化天然气的形式大量进入中国，预计2 0 1 0 年其进口量将达2 5 7 1 0 5m ， 2 0 2 0 年将达10 0 0 1 0 8m 3 。 全球l n g 的生产和贸易日趋活跃，正在成为世界油气工业新的热点。图 1 1 为对世界l n g 贸易量预测。为保证能源供应多元化改善能源消费结构， 一些能源消费大国越来越重视l n g 的引进，国际大石油公司也纷纷将其新的利 润增长点转向l n g 业务，l n g 将成为石油之后下一个全球争夺的热门能源商 品。目前l n g 是全球增长最快的一次能源，在中国大力发展l n g ，能在很大 程度上可弥补石油资源不足、保证能源供应的多元化、逐步提高我国环境质量， 并且对我国的西气东输起到互补的重要作用。 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 书p1 5 0 0 0 k 1 0 0 0 0 5 0 0 0 o 1 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 5 2 0 1 0 2 0 1 5 年度 图1 - 1 世界l n g 贸易量预测 然而，世界上最大的天然气储存地，都位于远离能源消费的地域。这就导 致了对天然气进行大量存储和长距离运输的需求。因而需要建造大量的l n g 储存及运输设备。 近年来，我国对l n g 产业的发展越来越重视，我国正在规划和实施的沿海 l n g 项目有：广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、辽宁，这些项目将最终 构成一个沿海l n g 接收站与输送管网。除广东、福建已经进入正式实施阶段外， 其余项目多处在前期准备阶段。同时小型卫星储运站、调峰站、l n g 运输船也 会有相当数量的规划【5j 。 随着石油化工工业的蓬勃发展，液化气体储存和运输装备大量建造，l n g 的运输、储存问题越来越受到人们的重视，对l n g 存储与运输的需求也将更大。 因此对l n g 用低温设备的建造也在急剧增加。未来对低温钢的需求将越来越 大。9 n i 钢以其优越的低温性能和极高的强度，在l n g 储罐中的应用比例日益 增大，已成为建造l n g 储罐的主要低温材料。在未来液化天然气的储存和运输 中将会需要大量的9 n i 钢。国内已有多家钢铁企业进行了9 n i 钢的试炼，并取 得一定的成果。本课题研究用钢为国产新研制9 n i 钢，经双相区处理的轧制9 n i 钢板。 对于低温钢的技术要求一般是：在低温下具有足够的强度和韧性，具有良 好的工艺性能和耐腐蚀性等。其中低温韧性，即低温下抗脆性破坏的能力是最 重要的因素。所以，国外有关9 n i 钢的使用标准中通常都规定出一个低温下的 最低的冲击韧性值来衡量其低温性能。其中b s 7 7 7 7 中要求19 6 。c 冲击值不低 于3 5 j ，且单个试样冲击值不得小于2 7 j 。 1 2 低温储罐用材料 低温储罐所用材料主要包括镍铬合金钢、碳锰硅钢和铝合金等。铝合金的 使用范围一般作为低温液体的生产、储存和运输容器，以及宇宙飞船和火箭结 构中液体燃料和氧化剂的油箱材料。低温钢一般指镍铬合金和碳锰合金。通常 根据环境温度、合金含量、组织及合金系统中的镍、铬元素含量把低温钢进行 分类。根据温度等级可分为2 0 4 0 、一5 0 一8 0 、1 0 0 1 1 0 、1 9 6 2 6 9 等四个级别。按合金元素和组织的不同可分为低合金铁素体钢、中 合金低碳马氏体钢和高合金奥氏体钢。按合金系统中有无镍、铬元素又可分为 无镍、铬低温钢以及含镍、铬低温钢 9 - 1 2 】。钢中合金元素起到固溶强化、细晶 强化的作用，并且正火、回火以后钢组织中的晶粒可以得到进一步的细化，从 而使钢材的低温韧性得到提高，延长材料的使用寿命。对于相同规格的钢材增 加其镍元素的含量，可以在保证相同的韧性条件下使用温度可以大幅降低。目 前普遍使用的低温钢材料均含有镍元素，镍元素对于低温钢板的低温韧性的影 响【1 5 j 见图卜2 所示。 2 黾 呈 鼍 雪 t e m p e r 叠t u r e c 图卜2 镍元素对钢材低温韧性的影响 随着生产厂家对低温钢板力学性能的不断深入研究，用于低温、超低温的 含镍钢板的种类不断的增加，形成了一系列的镍系低温钢家族，其中包括以下 几种 91 0 】： 1 ) 低镍钢：该类钢主要包括0 5 n i 钢、1 5 n i 钢、2 5 n i 钢和3 5 n i 钢几种，使用温度在5 0 - - - 1 0 0 。c ，该种钢主要用于建设液化石油气储罐。该类 钢主要用于换冷器、石油化工储罐和其他低温设备部件。在壁厚大于3 0 5 0 m m ， 要进行淬火和回火或在a c 3 和a e l 之间的低温淬火和回火处理。 2 ) 5 5 n i 钢：它是在9 n i 钢含碳量低、韧性高、磷硫有害杂质少的基 础上，降低了镍含量，增加了m n 含量和c r 、m o 元素，防止了回火脆化，其 性能与9 n i 钢相似，但更为经济。 3 ) 9 n i 钢：该类钢的特点是含镍高，超低温下能防止材料的脆性破坏， 属于铁素体钢。 其中，9 n i 钢在液化天然气沸点一1 6 2 甚至更低的1 9 6 液氮温度下都不发 生脆性转变且韧性好、强度高，已成为制造l n g 储罐最主要的材料。与奥氏体 不锈钢材料相比，具有价格低，强度高的优点，因而被广泛的应用于制造大型 l n g 储罐及设备。19 5 2 年，第一台9 n i 钢储罐在美国投入使用。1 9 6 9 年，日 本在根岸采用手工电弧焊法建造了国内第一台9 n i 钢制l n g 储罐，随后又将自 动焊用于9 n i 钢l n g 储罐上。到目前为止，9 n i 钢在l n g 设备中的应用已有 5 0 多年的历史。 9 n i 钢含有较高的n i ，n i 是9 n i 钢中的主要合金元素。在9 n i 钢中加入 8 5 0 9 5 0 的n i 元素，可以改善铁素体的低温韧性和降低脆性转变温度，同 时还可以降低奥氏体转变开始温度，即a c l 点，明显降低冷脆转变温度，细化 晶粒，增加回火过程中残余奥氏体与逆转奥氏体的析出量【l0 1 。奥氏体的存在， 3 可容纳吸收组织中的有害韧性的杂质，从而起到提高铁素体韧性，阻止裂纹扩 展的作用。 9 n i 钢含碳量低，含s 、p 等杂质元素都极少。属淬硬倾向和冷裂纹倾向小 的低温用钢，具有良好的焊接性。9 n i 钢是用于低温设备的超低温材料，焊接 中关键是保证焊缝和粗晶区的低温韧性。为了避免焊缝金属及近缝区形成粗晶 组织而降低低温韧性，要求采用小的线能量的多层多道焊接方法进行焊接【l 。 焊接电流不宜过大，宜用快速多道焊以避免焊道过热，并通过多道焊的再热作 用对粗晶区进行晶粒细化。 9 n i 钢在焊接时，应注意避免焊接缺陷的出现。否则低温时会因钢材对缺 陷和应力集中作用而增大产品的低温脆性破坏倾向l 1 6 。 1 39 n i 钢国内外研究现状 1 3 1 国外研究与应用状况【1 4 2 3 2 4 】 1 9 4 4 年美国i n c o 公司率先开发了在19 6 。c 具有良好低温韧性的高强度 9 n i 钢，以取代成本较高的n i c r 不锈钢，19 5 2 年开始用于低温容器的建造， 1 9 5 6 年列入a s t m 标准。1 9 6 0 年，美国c b i 、i n c o 和u s s t e e l 合作开展了 9 n i 钢焊接性能的研究，结果表明9 n i 钢焊接接头的韧性良好，能够满足低温 容器安全运行的要求。9 n i 钢大型低温储罐的断裂模型试验证实，即使不经过 消除焊接残余应力的焊后热处理，在低温下也能安全使用，从而使9 n i 钢在l n g 储罐建造上得到广泛的应用。1 9 6 2 年a s t m 规范认定，板厚不超过3 8 m m 的 9 n i 钢制储罐可以不进行消除焊接残余应力的热处理，19 6 3 年又扩展到5 0 m m 。 从而使得9 n i 钢应用于大型l n g 储罐得建造成为可能。 自9 n i 钢问世到七十年代初欧美对9 n i 钢进行了大量研究。日本各钢厂从 六十年代相继开发了9 n i 钢，并对9 n i 钢的低温韧性、焊接性和热成形性进行 了大量研究，19 7 7 年列入j i s 标准。日本大规模应用9 n i 钢是从1 9 6 9 年横滨 根岸港建成得3 5 万立方米和4 5 万立方米平地球面二重式l n g 储罐开始的。 随后9 n i 钢在世界陆地l n g 储罐的建造中得到大量的使用。7 0 年代后期，世 界能源需求增加，由此带来的环境问题开始题上了议事日程，绿色能源中的天 然气受到人们的重视，因此陆地l n g 储罐的需求增加，并且不断向大型化方向 发展。到目前为止，在世界范围内，9 n i 钢以相对低廉的价格、较高的强度以 及优异的低温韧性和安全可靠性等优点，已大量取代n i c r 不锈钢，成为l n g 储罐和其他低温钢结构的主要用材。 低温钢中的9 n i 钢由于具有良好的低温韧性和抵抗脆性破坏的能力，作为 l n g 或液氮用低温钢已经被世界各国普遍采用。这种材料具有优良的低温韧性 和较高的强度。国外早已对其在19 6 。c 深冷条件下使用的可能性进行了研究， 并用作贮存液化天然气储罐，目前国外采用此钢种制造液氧、液氨和液化天然 4 气的贮罐、形状多为双层式圆柱型常压贮罐。9 n i 钢自4 0 年代开发以来，由于 强度高，低温韧性好，成本比n i c r 不锈钢低而逐渐被广泛应用。到1 9 8 2 年， 9 n i 钢已经成为低温储罐主材，目前世界上已建的最大9 n i 钢储罐容积为1 4 0 0 0 0 m 3 。由此可见，9 n i 钢已是国际上广泛使用的钢种，其焊接性能良好，焊接 工艺已臻成熟。但是，从2 0 世纪4 0 年代到现在，国外一直没有中断对9 n i 钢 的研究和开发工作，9 n i 钢的产品也不断更新和发展，9 n i 钢的理论研究和工程 开发一直处于非常活跃的状态。 1 3 2 国内研究与应用现状 1 9 9 4 年底，中国石化总公司扬子石化公司准备安装一台1 00 0 0 m 3 的低温 液态乙烯储罐 1 4 】。当时国内尚未建造过同类储罐，为了对9 n i 钢的焊接有更充 分的认识，调研了国内有关9 n i 钢球罐工程的焊接情况。国内已有9 n i 钢球罐 都是上世纪8 0 年代自法国引进的，分别建于19 8 5 年和1 9 8 7 年。1 9 8 2 年左右 大庆和燕化公司引进9 n i 钢乙烯球罐，当时只追求所谓低温韧性好，就安全可 靠而选择了9 n i 钢材料。但是由于技术上缺乏成熟的使用经验，故决定暂停建 造引进9 n i 钢制造乙烯球罐。1 9 8 4 年因半成品球壳已到货，为避免经济上的损 失，并由哈尔滨焊接研究所和清华大学焊接研究室，对其焊接的可焊性及安全 问题进行了大量的试验，并于19 8 3 年和1 9 8 5 年先后在大庆和燕山召开了对9 n i 钢焊接的论证会。 低温钢中的镍钢最初应用比较多的有1 5 n i ，3 5 n i 等。到后来开发出9 n i 钢，它具有良好的低温韧性，而且价格相对便宜。为了适应乙烯原料供应日益 市场化、国际化的趋势，锦丰乙烯有限公司在渤海之滨的锦州港内投资新建了 一套乙烯仓储中转装置。其中，9 n i 钢制作的1 00 0 0 m 3 双层夹套结构乙烯低温 储罐是工程的核心和难点。1 9 8 0 年我国曾从法国引进7 台同类材料的球罐，19 9 5 年首次建造同类型大型低温贮罐，锦丰储罐为目前国内的第三台【i 4 。 9 n i 钢在国内用于l n g 储罐是在19 9 9 年开始的，但是所引进的9 n i 钢储 罐都是进口，从工艺细节的设计到生产制造，全部由外方承担。从大量文献资 料的查阅来看，在我国9 n i 钢的焊接工艺方面的研究还很少。随着对9 n i 钢的 需求的增长，国内钢铁企业在积极研发9 n i 钢的生产，并己掌握了9 n i 钢的冶 炼方法。然而，要把9 n i 钢投入到实际生产中去，必须解决9 n i 钢的焊接接头 的低温韧性问题。因此对国产9 n i 钢的焊接工艺的研究就显得尤为重用了，必 须尽快研究出一整套关于9 n i 钢焊接工艺的规范，为国产9 n i 钢能够顺利投入 到l n g 储罐的建设中提供一定的试验及理论依据。 1 4 低温储罐用9 n i 钢的焊接 9 n i 钢的焊接在国外以经经过半个多世纪的发展，其焊接规范及焊接材料 的选择以经相当成熟。也建造出了一大批9 n i 钢的储罐容器。但是关于9 n i 钢 的焊接工艺的详细研究资料仅为国外几家储罐设计机构所掌握。目前国内对 9 n i 钢焊接工艺的研究还处于起步阶段。随着l n g 产业的蓬勃发展，9 n i 钢设 备的大量建造，对9 n i 钢的焊接工艺的掌握就显得十分的迫切。 1 4 19 n i 钢用焊接材料 9 n i 钢的工作温度可以达到1 9 6 。c 的超低温环境，因此使用的焊接材料不 但要保证焊接质量，而且还必须保证焊缝的低温韧性问题。另外，焊接材料的 热膨胀系数要于母材接近【1 3 】，如果相差太大，就会引起较高的交变应力，引 起接头处组织性能的急剧下降。同时焊缝冷却后参与应力也会大大增加，导致 焊接裂纹的出现，接头低温韧性降低。因此焊缝金属的热膨胀系数应该尽可能 的接近9 n i 钢母材的热膨胀系数。 目前，用于9 n i 钢的焊接材料都为含n i 焊材，根据含n i 量分类，可分为 以下几种： 1 ) 含n i 量在1 1 的铁素体型焊接材料 铁素体型焊接材料的含n i 量少、成本低，但是并不适于用来焊接现代工业 多要求的大尺寸容器。该焊接材料的成分与9 n i 钢接近，用来焊接9 n i 钢所得 焊缝如果不进行焊后热处理，其低温韧性要低于母材。这除了与焊缝的铸态组 织有关外还与焊缝金属中的含氧量有关，只有在焊接保护措施十分严密的焊接 工艺下，焊缝的低温韧性才能得到保障。 2 ) 含n i 量在1 3 一1 6 的奥氏体不锈钢型焊接材料 改种焊接材料的强度高，但低温韧性较差、现膨胀系数也较母材大很多， 且易在熔合区出现脆性组织。采用奥氏体型焊接材料焊接9 n i 钢时，熔合区的 化学成分既非奥氏体钢成分也非9 n i 钢成分，而且c r 、m n 、w 的含量比9 n i 钢高，c 在熔合区偏聚。熔合区的硬度明显增高。熔合区生成的高硬度马氏体 带在扩散氢的作用下，就会产生冷裂纹。因此由于奥氏体焊缝金属的现膨胀系 数大，导致h a z 的残余应力高，引起h a z 的韧性降低。 3 ) 含n i 量4 0 的铁镍基和含n i 量6 0 以上的n i 基焊接材料 n i 基和铁镍基焊接材料的低温韧性良好，现膨胀系数与9 n i 钢接近。但是 使用这种焊接材料的成本高，并且这种高n i 焊接材料多形成的焊缝组织均为奥 氏体，焊缝的强度略低于母材。镍基合金焊接材料的含n i 量高，加上奥氏体焊 缝结晶的特点，焊接过程中热裂敏感性很强，更一出现弧坑裂纹。n i 基合金焊 接材料的熔点一般要比9 n i 钢低1 0 0 。c 左右，焊接时熔深较浅，易出现未焊透 现象，因而焊接线能量也不能太小。 在l n g 储罐实际工程中，9 n i 钢都使用在一16 2 以下的超低温环境下，其 焊缝的低温韧性是要考虑的最关键因素。通常都是选用镍基焊接材料为9 n i 钢 l n g 储罐的焊接材料。 综上所述，从低温韧性和热膨胀系数两方面考虑，镍基和铁镍基焊接材料 6 最适合9 n i 钢l n g 储罐的焊接。 本文焊接试验中所选用的焊接材料为法国产e n i c r m o 6 型镍基焊条，焊条 牌号为f r e e z a len i 9 ，中4 3 5 0 m m 。其化学成分及熔敷金属力学性能见表1 1 和表1 2 。 表卜1e n i c r m o 6 型镍基焊条化学成分 in i c rm on bf ecw l 6 81 461 26 0o 0 51 2 表1 - 2 熔敷金属的力学性能 i 抗拉强度( m p a )抗压强度( m p a )延伸率1 9 6 冲击功k j c m j 4 3 0 6 9 0 3 5 5 0 使用镍基焊接材料时应当注意几点问题【2 9 】： 1 ) 镍基合金的导热性差，焊接时易过热而引起晶粒长大，应选用较小的焊 接线能量进行焊接，焊接时不需要预热，焊条不易摆动过大，收弧时注意填满 弧坑，保持较低的层间温度，一般控制在1 5 0 。c 以下； 2 ) 镍基焊接材料比9 n i 钢的熔点要低1 0 0 左右，焊接时如果焊接热输入 量过小，就会形成熔合不良的缺陷。 3 ) 镍非常容易与s 、p 等杂质元素结合形成低熔点化合物，焊接时易在焊 缝中形成焊接热裂纹的缺陷。所以，必须严格控制焊条中s 、p 等杂质的含量， 焊前应认真清除母材表面的氧化物及油等污染物； 1 4 29 n i 钢的常用焊接方法 l n g 用低温储罐的焊接方法选择上有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊等。 目前，在储罐的建造中，主要使用的是手工电弧焊和埋弧自动焊。 焊条电弧焊的焊接方法适合各种焊接位置且灵活，但是该焊接方法对焊工 的技能水平要求高，且效率低。但它却是9 n i 钢低温储罐建造及修复中不可缺 失的一种焊接方法。 埋弧焊是熔敷速度最高的一种焊接方法，特别是在储罐环焊缝的焊接时， ，焊接稳定，焊缝质量高。特别适合焊接储罐中的横焊和平焊位置的焊缝。焊接 时热输入大，容易造成热影响区的晶粒粗大，对焊接线能量必须加以控制。 钨极气体保护焊能得到具有窄坡口的高质量的焊接接头，及满意的焊缝形 状。但是其焊接效率太低，使用时的成本高，且不适宜在户外操作。但钨极气 体保护焊可有效提高焊缝质量，降低焊缝中的杂质含量。 1 4 39 n i 钢的焊接工艺影响因素 在大规模的实际焊接工程中，焊接工艺方面的影响因素一般包括焊前准备、 7 焊接过称、焊后处理等几个方面。 在焊前准备中主要是坡口设计，其中最为常见的坡口形式有x 形、k 形、 v 形等。坡口角度的大小实际反映了熔敷金属填充量的大小，所以改变坡口角 度就可以改变焊道数目。 焊接过程中主要以焊前预热、焊接过程中的层间温度控制、焊接热输入控 制为主，焊后热处理主要指焊接完成以后的局部热处理。一般预热及层间温度 过低或过高都会影响焊缝的低温韧性。10 0 l5 0 。c 的层间温度对9 n i 钢焊接接头 的低温韧性比较有利 2 6 - 2 8 】。 9 n i 钢易被磁化，在焊接过程中常会出现电弧磁偏吹现象，磁偏吹力的大 小受到外加磁场合电流本身产生磁场的电磁力影响，同时还决定母材的剩磁强 度。在9 n i 钢焊接过程中，磁偏吹是引起未焊透、未熔合等缺陷的主要因素。 要避免磁偏吹问题应做到，在钢材运输过程中避免被磁化，焊接过程中合理的 连接地线和焊接电缆布线方式，尽量采用交流短弧焊接p 。 1 4 49 n i 钢焊接中存在的问题 1 ) 焊接热裂纹 热裂纹主要是由低熔点化合物所引起的。由于9 n i 钢中n i 元素的含量很高， 合金中s 、p 等元素极易与n i 结合形成低熔点化合物，造成晶间偏析。9 n i 钢 通常采用高n i 的镍基焊材，焊缝为全奥氏体组织，有一定的热裂倾向。易出现 弧坑裂纹，其实质是种沿晶间开裂的典型的凝固时产生的热裂纹。因此要用 砂轮对弧坑进行打磨，将弧坑裂纹磨除后在继续施焊。要消除热裂纹，就必须 严格控制s 、p 的含量，并采用合理的工艺进行焊接【3 4 。3 5 | 。 2 ) 焊接冷裂纹 9 n i 钢抗冷裂性能较好，正常情况下焊接一般不会产生冷裂纹。但焊接工 艺不当时，存在一定的冷裂敏感性。尤其在使用低镍焊条焊接时，熔合线会出 现高硬度的马氏体带，对氢脆较为敏感。所以应选用低氢、低碳含量的焊条， 合适的焊接工艺，注意焊条烘干、焊接环境温度、湿度、层间温度和热输入的 合理控制，就可以防止冷裂纹的出现【3 引。 3 ) 电弧磁偏吹 9 n i 钢焊易被磁化，采用直流电源焊接时会出现电弧磁偏吹，从而造成熔 合不良的缺陷，严重影响焊接质量。9 n i 钢具有较高的导磁性和较高的剩余磁 感应强度，焊接中电弧的磁偏吹现象较易产生，所以，9 n i 钢在出厂与运输过 称中避免被磁化，焊接时采用交流电源可起到消除电弧磁偏吹的作用。 1 5 本文主要研究目的及内容 通过对国产新研制的9 n i 钢的试验研究，了解工艺参数及焊接条件对9 n i 钢焊接接头的低温韧性的影响。从而确定一个适合国产9 n i 钢的焊接工艺规范。 试验用钢是国内某钢铁公司生产的9 n i 钢板，厚度分为2 0 m m 和3 5 m m 两 种规格，供货状态为两相区淬火加回火处理的轧制钢板。 本课题旨在对美国、欧洲、日本等已成熟的9 n i 钢焊接技术分析研究的基 础上，参考国外相关标准，通过焊接热模拟试验和试板焊接对国产9 n i 钢的焊 接工艺进行研究。确定适合国产9 n i 钢的焊接材料，焊接工艺。对国产9 n i 钢 应用于实际l n g 工程，具有指导意义。本文主要从以下几方面进行了研究工作： 1 )对9 n i 钢的焊接性进行理论研究分析，并通过试验对国产9 n i 钢的焊 接性进行分析、研究； 2 )采用焊接热模拟技术，分别研究不同的线能量、不同的峰值温度以及 多道焊热循环对国产9 n i 钢组织及低温韧性的影响规律，并探明最佳的焊接工 艺参数； 3 )制定焊接工艺方案进行试板焊接试验，并对试板进行焊接工艺评定； 4 )对国产9 n i 钢焊接接头低温韧性进行试验研究，并探讨影响其接头低 温韧性的因素； 5 )确定国产9 n i 钢实际应用于l n g 储罐制造的焊接工艺规范。 9 第二章试验材料与试验方法 试验所用的钢材为国内新研制的9 n i 钢板，9 n i 钢为典型的低碳板条马氏 体型的低温钢。含有较多的镍，具有一定的淬硬性。该钢在经过两相区淬火 ( 8 2 0 。c 淬火+ 6 9 0 c