（材料加工工程专业论文）超低碳9ni钢焊接接头低温韧性研究.pdf

超低碳9 n i 钢焊接接头低温韧性研究 摘要 近年来，中国大力推进、实施清洁能源战略，作为低成本的天然气储运方 法液化天然气工业正以迅猛的速度递增，对制造l n g 贮罐罐体的关键材料镍系 低温用9 n i 钢及焊接技术提出了巨大需求。然而这一材料及其装焊技术主要依 赖于进口，这对l n g 工业的发展已经形成很大制约，同时对国家的能源安全保 障也极为不利。因此，掌握低温9 n i 钢及焊接技术，推动l n g 设备的国产化进 程是我国能源项目发展的迫切需要。其中，9 n i 钢作为l n g 储罐内壁用材料， 直接与冷冻l n g 接触、长期服役于一1 6 2 的低温环境，因此，为保障焊接低温 容器的安全，对9 n i 钢的焊接接头低温韧性进行研究有着重要的工程意义。 针对新研制的国产超低碳9 n i 钢板，在分析了其有关焊接性能的基础上， 根据g b 2 3 5 8 和b s 7 4 4 8 标准，采用m t s 8 0 9 材料测试系统分别对9 n i 钢焊接 接头的热影响区、熔合区和焊缝进行了裂纹张开位移试验，同时在测试过程中， 通过h i r o x 长焦距显微镜实时观察了c t o d 试样裂纹尖端扩展情况；在此基 础上，对计算c t o d 的w e l l s 公式进行了讨论并提出了新的修正公式。为表征 9 n i 钢焊接接头在低温下钝缺口的快速断裂，根据e n 8 7 5 和g b t 2 2 9 标准，采 用j b d - 3 0 0 c 超低温冲击试验机对9 n i 钢焊接接头的不同区域、不同焊缝百分比 的试样进行了系列低温c h a r p y 冲击试验。采用扫描电镜和能谱仪对试样断口形 貌与微区成分进行扫描与分析。为探讨低温断裂韧性与组织结构之间的关系， 采用m m 6 显微镜对9 n i 钢接头的微观组织和晶粒度进行了观察和测量。 试验结果表明，国产超低碳9 n i 钢焊接接头低温断裂韧性达到了a s k l e 和 b s 7 7 7 7 标准有关要求。c t o d 试验和低温c h a r p y 冲击试验结果都显示了熔合区 为断裂韧性最低区域，焊缝区次之，热影响区韧性最高。从c h a r p yv 型缺口处 焊缝所占不同比例接头试样的低温冲击结果来看，焊缝含量越高，冲击韧性就 越低。接头微观组织观察表明：熔合区与过热区组织多为粗大的板条状马氏体， 晶粒度较粗大；正火区为细小的板条马氏体和一定数量的逆转奥氏体，晶粒度 细小。热影响区的低温冲击功随着与熔合区距离不断增大而逐渐提高，晶粒度 随着距离的增加而逐渐减小。从低温接头断口形貌来看，其断裂方式为韧性撕 裂，伴随着大量的韧窝和第二相粒子。能谱分析显示在接头的熔合线附近存在 着大量的元素扩散，即熔合线附近存在s 及杂质元素的偏析，导致熔合区各处 的成分不均匀，所以熔合区是接头中断裂韧性最低区域的这一结论便得到证实。 关键词：9 n i 钢；焊接接头；低温韧性；c t o d ：低温c h a r p y 冲击功； a s t u d yo nc r y o g e n i ct o u g h n e s so fs u p e rl o wc a r b o n9 n is t e e l w e l d i n gjo i n t a b s t r a c t r e c e n t l y ，c h i n aa r ep l a yc l e a re n e r g ys t r a t e g y ，l n gi n d u s t r yi n c r e a s e dr a p i d l y b e c a u s eo fi t sl o w c o s ts t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o n c r y o g e n i c9 n is t e e la n di t s w e l d i n gt e c h n o l o g yh a v e ah u g ed e m a n d b u ti t sa s s e m b l i n ga n dw e l d i n g t e c h n o l o g ya r er e l a yo nf o r e i g nc o u n t r y ，i th a sh u g er e s t r i c t e dt ot h ed e v e l o p m e n t o fo u rc o u n t r y si n d u s t r ya n de n e r g y ss a f e s o ，m a s t e rc r y o g e n i c9 n is t e e la n di t s w e l d i n gt e c h n o l o g ya n dp u s ht h en a t i o n a lp r o c e s so fl n ge q u i p m e n ti su r g e n tn e e d t oo u rc o u n t r y se n e r g yd e v e l o p m e n t 9 n is t e e la sam a t e r i a lo fi n s i d es t o r a g e w o r k e da t 16 2 ce n v i r o n m e n t s o ，i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f eo fp r e s s u r e v e s s e l sw e l d i n g ，t h er e s e a r c ho ft h ew e l d i n gj o i n to fd o m e s t i cs u p e r l o w e rc a r b o n w e l d i n gj o i n th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt od o m e s t i cl o wc a r b o n9 n is t e e l ，a tt h eb a s i co fa n a l y s i s9 n i s t e e l sw e l d a b i l i t y a c c o r d i n gt ob s 7 4 4 8a n dg b 2 3 5 8s t a n d a r d ，t h ec t o d ( c r a c k t i po p e nd i s t a n c e ) t e s to fw e l d i n gm e t a l ，f u s i o nl i n ea n dh e a ta f f e c t e dz o n ew e r e m e a s u r e d ；a tt h es a m et i m e ，t h et r e n do fc r a c kt i ph a so b s e r v e db yh i r o xl o n g f o c a ld i s t a n c em i c r o s c o p e r e v i s et h ew e l l sc a l c u l a t i o nf o r m u l a t i o no fc t o dt e s t a c c o r d i n ge n 8 7 5a n dg b t2 9 9s t a n d a r d ，t h ec h a r p ye n e r g yo fd i f f e r e n tp a r to f w e l d i n gj o i n t ，d i f f e r e n tg r o o v e ，d i f f e r e n tp e r c e n t so fw e l d i n gm e t a lw e r em e a s u r e d i n 16 5 ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n df i n es t r u c t u r ew a si n v e s t i g a t e d f r a c t u r e ds u r f a c e s c a n n i n ga n de n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i so fw e l d i n gj o i n tw a si n v e s t i g a t e d ， t h er e s u l ts h o w s ：t h ec r y o g e n i ct o u g h n e s so fs u p e rl o wc a r b o n9 n is t e e l w e l d i n gj o i n tr e a c ha s m e a n db s 7 4 4 8s t a r d a n d ，t h ec t o dt e s ta n dc h a r p yi m p a c t t e s ta l ls h o w st h a tt h ec r y o g e n i ct o u g h n e s so ff u s i o ni st h el o w e s t ，t h eh e a ta f f e c t z o n eh a st h eb e s t c r y o g e n i ct o u g h n e s s 。t h ec r y o g e n i ci m p a c tt o u g h n e s so f v - g r o o v ei sh i g h e rt h a nx g r o o v e ，t h eh i g h e rt h ep e r c e n to fw e l d i n gm e t a l ，t h el e s s t h ee n e r g yo fc r y o g e n i ci m p a c tt e s t s t h em e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r e so ff u s i o nl i n e a r em a s s i v el a t hm a r t e n s i t e ，t h ef i n ea c i c u l a rt e m p e r e dm a r t e n s i t ea n dr e v e r t e d a u s t e n i t ei nh e a ta f f e c tz o n e t h eg r a i ns i z ei n c r e a s e dw i t hd i s t a n c eo ff u s i o nl i n e ， w h e r eg r a i ns i z ed e c r e a s e d t h ec r y o g e n i ci m p a c tt o u g h n e s si n c r e a s e dw i t ht h e d e c r e a s eo f g r a i ns i z e t h ef r a c t u r em o d eo fw e l d i n gjo i n ti sd u c t i l ef r a c t u r ew h i c h f u l lo fd i m p l ea n ds e c o n dp h a s ep a r t i c l e e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i ss h o w st h e r ea r e m u c he l e m e n td i f f u s i o nn e a rt h ef u s i o nl i n ea r e a s e g r e g a t i o no fi m p u r i t yi se a s y h a p p e n si nf u s i o nl i n ew h i c ha r e ai st h em o s tw e a kp a r ti ns u p e rl o w e rc a r t o n9 n i s t e e lw e l d i n gj o i n t k e y w o r d ：s u p e rl o wc a r b o n9 n is t e e l c r y o g e n i cc h a r p yi m p a c t ； w e l d i n gj o i n t ：c r a c kt i po p e nd i s t a n c e ； c r y o g e n i ct o u g h n e s s 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1o 图4 11 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1o 图5 11 图5 1 2 图5 13 图5 1 4 图5 15 图5 16 图5 17 图5 18 插图清单 受载前后裂纹示意图1 0 9 n i 钢2 0 m m 板厚尺寸2 0 9 n i 钢3 5 m m 板厚尺寸2 1 双v 形坡口2 2 k 形坡口2 2 c t o d 整体刃型缺口一2 4 c t o d 试样缺口位置图一2 5 m t s8 0 9a x i a l t o r s i o r l t lt e s ts y s t e m 2 6 m t s 位移引申计2 6 h i r o x 长焦距显微镜2 6 缺口预制裂纹正常启裂图2 8 缺口预制裂纹启裂偏移图2 8 冲击试验试样缺口加工图3 0 部分冲击试样实物图3 l j b d 一3 0 0 低温冲击试验机3 2 低温冲击试验控制台3 3 a 1 试样载荷一位移曲线3 6 a 2 试样载荷一位移曲线3 6 b 1 试样载荷一位移曲线3 8 b 2 试样载荷一位移曲线3 9 c l 试样载荷位移曲线4 0 c 2 试样载荷一位移曲线4 l 接头载荷- c t o d 值曲线4 2 c t o d 试验后试样形貌4 3 试样裂纹行进中观察图4 3 热影响区台阶形成过程图4 4 原始铰链模型4 6 改进铰链模型_ 4 6 a 1 试样c t o d 缺口照片图4 8 不同缺口位置冲击功曲线5 l 缺口位置不同焊缝比的冲击功曲线5 1 9 n i 钢接头熔合线组织5 3 9 n i 钢熔合线+ l m m 组织5 3 9 n i 钢熔合线+ 3 m m 组织5 4 图5 19 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 3 图5 2 4 9 n i 钢母材组织5 4 焊缝扫描电镜照片5 5 影响区电镜扫描照片5 6 9 n i 钢接头能谱图5 8 熔合线上杂质聚集点能谱图5 9 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 - 6 表3 7 表3 8 表3 - 9 表4 1 表5 1 表5 - 2 表5 3 表5 - 4 表5 - 5 表5 6 表5 - 7 表5 8 表5 - 9 表5 一1 0 表5 1i 表格清单 国产9 n i 钢的化学成分1 8 国外9 n i 钢成分标准1 8 国产9 n i 钢力学性能一1 8 国外9 n i 钢力学性能1 8 熔敷金属化学成分1 9 熔敷金属机械性能1 9 w s e 一4 0 0 焊机技术参数2 l 2 0 m m 板厚9 n i 钢焊接工艺参数2 2 3 5 r a m 板厚9 n i 钢焊接工艺参数2 3 冲击式样缺口位置3 1 函数a w 值3 3 低温冲击试样结果3 3 a l 试样载荷和c t o d 值3 6 a 2 试样载荷和c t o d 值一3 7 b 1 试样载荷和c t o d 值3 8 b 2 试样载荷和c t o d 值3 9 c 1 试样载荷和c t o d 值4 0 c 2 试样载荷和c t o d 值4 2 w e l l s 修正公式计算结果4 8 低温冲击试样结果4 9 焊缝能谱分析结果5 7 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， 也不包含为获得金月墨王些太堂 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：互甥 一期：砷年孕月伊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 旦王些盔堂有关保留、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。本人授权金匿王些盔 三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) 学位论文者签名：l 锻 辩醐：节铷伊f 学位论文作者毕业后去向： 导师签名： 勿刃彳 签字日期：2 呷年年月哆日 ， 电话； 邮编： 功p 气 2 岁刖7 致谢 时光如梭，光阴似箭! 两年多的硕士生涯已接近尾声，谢谢所有帮助过我 的朋友们。 首先，我要对我的导师王国平副教授表示我最由衷的感谢，感谢王老师在 我攻读硕士学位的两年多的时间里对我所付出的一切心血。导师渊博的知识， 开阔敏锐的思维，求实创新的科学精神，平易近人的态度让我终生难忘，不仅 在学业上给予我极大的指导，在生活上也给予我极大的关怀和帮助，而且在人 生的道路上给予我建议。值此论文完成之际，向我的恩师致以最崇高的敬意和 最诚挚的感谢。 感谢焊接教研室的徐道荣老师，李萌盛老师和胡小建老师在学习过程中给 予的帮助，还要感谢同实验室的李道钢、蒋志金和王知，感谢李旭光、汪景奇、 张焘、杜化、张君、邹文超、常辉、张金宝等同学对我的生活和学习上帮助。 最后，感谢在背后默默地支持我的父母和亲人，感谢他们为我所付出的辛 劳! 作者：王拮 2 0 0 9 年4 月9 日 第一章前言 1 1l n g 工业概述 世界天然气工业至今已有近百年的发展史，l n g 工业也有近五十年的历程， 天然气在世界范围内的需求仅次于石油。天然气之所以得到许多行业的重视并 不仅仅由于它的燃烧值高，而且还因为它产生少量的二氧化碳和硫的排放，几 乎对大气无污染，比较有利于地球大气的环境，较少温室效应，被誉为洁净的 绿色能源。 随着世界经济的迅速发展，人口急剧增加，能源消费不断增长，温室气体 和各种有害物质排放激增，人类的生存环境受到了极大挑战。在这种形势下， 清洁的、热值高的天然气能源正日益受到人们的青睐，发展天然气工业成为世 界各国改善环境和维持经济可持续发展的最佳选择之一。 天然气的储量非常丰富，过去2 0 年内，探明储量平均每年增长4 9 ，天 然气产量平均每年增长3 15 心1 。从19 6 4 年的8 万吨发展到2 0 0 4 年的1 3 1 8 2 吨，l n g 占世界天然气贸易量的份额由1 9 7 0 年的0 3 升至1 9 9 4 年的4 1 ，而 2 0 0 4 年就达到2 6 2 5 根据国际能源署( i e a ) 预测，到2 0 3 0 年l n g 将占到天 然气贸易的一半以上，l n g 正处在快速发展的青春期。 1 1 1l n g 发展的动力 l n g 发展的动力主要有以下几个原因： ( 1 ) 天然气以其清洁廉价的优势，在国际市场上的需求不断增长，使其在 一定程度上替代了石油而与之并驾齐驱；随着经济的发展，城市的规模不断的 扩大，天燃气的需求大幅度增加，在城市的附近建立l n g 大型储罐以满足城市 居民生活的需求，需求的不断增加是l n g 发展的直接动力。 ( 2 ) l n g 更灵活更适应于远距离运输的特点，打破了管道输送的地区限制， 真正形成统一的国际市场，促进了l n g 的快速发展。 ( 3 ) 大量的天然气储量被“闲置 。因为没有市场而无法开采或开采速度 低，包括油田伴生气在内的宝贵财富有相当部分被空烧或回注。截止2 0 0 6 年 底世界天然气剩余探明储量为1 7 9 。8 3 万亿立方米，比2 0 0 4 年增长0 。5 。大量 的天然气储量为天然气的发展奠定了基础。 ( 4 ) l n g 的系统成本大幅度降低。根据i e a 报道，1 9 6 9 1 9 9 5 年l n g 的建 设费用下降了5 1 2 。另据美国能源信息署( e i a ) 统计，1 9 9 3 - 2 0 0 3 年天然气 液化的成本降低3 5 - 5 0 ，l n g 厂基建设费用从5 0 0 美元吨降到不足2 0 0 美元 吨。l n g 建设的成本也大为降低阳3 。 1 1 2l n g 的运输 l n g 是在常压下是天然气经过净化处理( 脱水、脱重烃、脱酸性气体) 后， 采用节流、膨胀或外加冷源制冷工艺，通过一定的制冷循环冷却至1 j - 1 6 2 左右 变成液体，其体积约为常温常压下气态天然气的1 6 2 5 ，大大降低了天然气储 存体积。它有利于天然气的远距离运输，降低了输送成本，供气更加灵活；另 外，等质量l n g 要比常温常压下气态天然气体积小的多，降低了天然气的储存 成本。当前的运输方式主要有以下三种： ( 1 ) 管路运输 当还没有合适的方法长距离输送大量天然气时，天然气在整个十九世纪只 应用于局部地区。1 8 8 0 年，燃气输送技术发生了重大的突破，发明了防漏管连 线技术。然而，材料和施工技术依然较复杂，以至于在离气源地1 6 0 公里的地 方，天然气仍无法得以利用。 由于管线技术的进一步发展，二十世纪二十年代长距离天然气输送成为可 能。1 9 2 7 - 1 9 3 年，美国建设了十几条大型燃气输送系统。每一个系统都配备了 直径约为5 1 厘米的管道，并且距离超过3 2 0 公里。二战后，建造了许多输送 远距离更远、更长的管线。管道直径甚至可以达到1 4 2 厘米。 ( 2 ) l n g 船舶运输 l n g 从六十年代开始商业化至今已有三十多年的历史，随着天然气液化技 术不断进步，液化成本比二十年前降低了5 0 ，大大的增加了l n g 与其他能源 的竞争力，使l n g 船舶运输在国际天然气贸易总量中比例已上升到2 5 ，也是 当今世界能源供应增长速度最快的领域。1 9 9 5 年世界l n g 贸易量为7 5 0 0 万吨， 较2 0 年前增长了近7 倍；运输量为l7 0 0 亿吨海量，较2 0 年前的1 6 0 亿吨海 里增长了近十倍。 ( 3 ) l n g 船运输 l n g 船是指将l n g 从液化厂运送往接收站的专用船舶。l n g 船的储罐是独 立于船体的特殊构造。在该船舶的设计中，考虑的主要因素是能适应低温介质 的材料，对易挥发、易可燃物的处理。船只尺寸通常受到港口码头和接受站条 件的限制。目前1 3 5 0 0 0 m 3 是较常见的尺寸，1 4 5 0 0 0 m 3 是现有船只中最大的尺寸。 l n g 船的使用寿命一般为3 5 - 4 0 年。 1 2l n g 设备运行的安全 l n g 由于采用制冷技术在- 1 6 2 左右将气体变成液体，温度非常的低，这 就对l n g 储罐的低温韧性提出很高的要求。世界首例低温储罐爆炸事故发生在 1 9 4 4 年，美国克利夫兰市的一座容积为2 x1 0 4 m 3 的液化天然气储罐突然破裂， 外泄被引爆并发生大火。造成1 3 6 人死亡，3 0 0 多人受伤，直接经济损失达8 0 0 万美元。这起事故对液化天然气的工业是一个极大的挫折，2 0 年之后，该工业 才得以恢复。1 9 9 8 年西安煤气公司一座容积为4 0 0m 3 液化煤气储罐发生火灾爆 炸事故，造成死亡11 人、受伤3 0 人、直接经济损失4 7 7 万元哺1 。2 0 0 9 年2 月 6 日，上海洋山港l n g 项目工地发生爆炸事故，造成1 死1 5 伤。液化储罐事故 多是由于焊接接头低温脆化而导致罐体的开裂，从而引发的灾难。 2 1 2 1l n g 储罐用钢的选择 由于l n g 储罐破裂时有发生，l n g 低温储罐安全性引起人们广泛的关注。 储罐材料本身性能的高低是决定l n g 安全性能高低的主要因素之一。低温容器 所用的金属材料主要包括镍铬合金钢、镍系低温合金、碳锰硅钢和铝合金等。 铝合金因其强度较低，其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。 为了使液化天然气的储罐在超低温下也能获得较好的低温韧性，人们开发 了系列材料以满足液化天然气的发展。由于合金元素在钢中的固溶强化、细 晶强化的作用，使得正火、回火以后钢组织中的晶粒进一步细化，从而使钢材 的低温韧性得到提高，延长材料的使用寿命。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较大，对于相同规格的钢材， 若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。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： ( 1 ) 低镍钢类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。该类钢在壁厚大于3 0 - 5 0 m m ，要进行淬火和回火或在a e 。和a c 。之间的低温 淬火或回火处理。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 j ! l j - 1 0 0 以上，该种钢主要用于建设液化石油气储罐。 ( 2 ) 5 5n t 钢类它在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。该类钢主要指n t u fc r l 9 6 。 ( 3 ) 9 n i 钢类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。对于两种常见的9 n i 钢( 美国标准a s t ma 5 5 37 2 a 1 和日本工业 标准j i ss l 9 n 6 0 ) ，使用时冷加t 变形量超过3 时应进行热处理( 两次正火+ 回 火、淬火+ 回火或者两相淬火+ 回火) ，以便显著提高钢的低温韧性1 。 过去的五十多年里，由于科学技术的发展和对能源需求的日益增加，对液 化天然气的内壁储罐提出了更高的要求，奥氏体型合金钢在低温下具有良好的 低温韧性，但其在低温下的强度不高，不能满足大型l n g 液化储罐的强度要求， 为了在一1 9 6 甚至更低的温度下获得足够的韧性和强度而采用9 n i 钢。 1 2 2 低温下接头脆化 接头的焊接性能的高低直接导致着焊接件安全性能的高低，低温下接头更 容易出现断裂，由于接头的开裂导致的灾难数不胜数。体心立方晶格的金属材 料由于存在着脆性转变，当温度低于脆性转变的温度时，材料的韧性较差，容 易发生开裂，接头在低温下脆化，导致接头应力集中破裂；而面心立方晶格的 3 金属材料不存在脆性转变的问题，其韧性不受温度的影响，低温下韧性优良， 但其缺点就是强度不高。 1 9 3 9 年3 月1 4 日，比利时的哈赛尔特城，温度低达零下1 5 横跨在阿尔 伯运河上阿尔伯大桥在寒冷中屹立着。突然，从桥下传来惊天动地的金属撕裂 声，接着，桥身剧烈抖动，桥面出现裂缝，不到几分钟，大桥折成几段，坠入 河中。 1 9 5 4 年寒冬，在爱尔兰寒风凛冽的海面上，3 万2 千吨级英国油轮“世界协 和号”正在航行，水手发现船体中部出现裂缝，立即向船长报告，话音未落， 忽然一阵巨响，油轮裂成两段，迅速沉入海底。 1 9 6 5 年英国北海的“海上钻石”号钻井平台支柱拉杆脆性断裂导致平台沉 没。在二次世界大战期间，美国建造的五千艘全焊接式自由轮货船投入使用后， 其中有一千多艘陆续发生各种断裂破坏，其中2 3 8 艘完全报废，最严重的破坏甚 至使船体突然断成两截。 通过大量的调查研究，人们发现许多事故是发生在下面的情况下：高强度 钢或者中、低强度钢在低温条件下工作时，焊接处易形成高应力集中。直接的 破坏原因是结构中有裂纹存在，由于裂纹的扩展而引起结构的破断。低温下 焊接结构的断裂主要是冷裂纹引起的。 焊接冷裂纹是在焊后较低的温度下形成，一般在马氏体转变温度以下，它 是由拘束应力、淬硬组织和氢的联合作用下产生的裂纹。这种裂纹与氢有关， 它主要有三中典型情况：焊道下裂纹，该裂纹产生和分布于焊缝熔合线的近缝 区，裂纹走向大体与熔合线平行，而且一般不显露于接头表面。缺口裂纹，它 源于应力集中大的缺口部位，如焊趾与焊根，特别是焊根裂纹是储罐焊接中最 常见的裂纹。横裂纹，这类裂纹源于熔合线而向焊缝与热影响区扩展，其裂纹 垂直于焊缝，这类裂纹也有可能在储罐的横焊缝中出现隅。9 1 。 1 3 本章小结 ( 1 ) l n g 已有数十年的发展，已成为仅次于石油的第二大资源；但它拥 有石油所不具备的特性，l n g 是一种清洁能源，几乎对大气无污染，有利于地 球的环境，l n g 有着更为广阔的发展空间。 ( 2 )世界经济的迅速发展，人口急剧增加，能源消费不断增长，l n g 建 设和运输成本的降低，探明储量的不断增加，为l n g 的发展奠定了基础。 ( 3 ) l n g 因其本身的特性，所需的环境温度相当的低，其运输和储存的 设备在低温下必须具有足够的韧性和强度。 ( 4 )9 n i 钢作为一种铁素体型高强低温材料，与以往的奥氏体型不锈钢 相比，在- 1 9 6 。c 甚至更低的温度下都具有足够的韧性，但奥氏体型不锈钢在低 温下的强度偏低，不能满足大型l n g 储罐的强度要求，因此，9 n i 钢广泛应用 4 于l n 6 及- 1 2 0 ( 2 以下储罐建设。 5 第二章9 n i 钢焊接性及其低温韧性 2 19 n i 钢及其焊接概述 9 n i 钢以其在低温下具有高强度、高韧性、易于加工和焊接性较好等优势， 被广泛用于l n g 储罐设备中。由于奥氏体合金钢因其强度不足使得在大型l n g 储罐中的应用逐渐减少，9 n i 钢作为l n g 储罐内壁材料使用越来越广泛。9 n i 钢是1 9 4 4 年开发的含n i 为9 的低碳钢，始创于美国国际镍公司的产品研究试 验室，使用温度最低可达- 1 9 6 。自1 9 6 0 年通过研究证明不进行焊后消除应 力热处理亦可安全使用以来，9 n i 钢就成为用于制造大型低温贮罐的主要材料 之一。 9 n i 钢在1 9 5 6 年初列入a s t m 标准，1 9 7 7 年列入j i s 标准。在此期间，美、 法、日本及阿联酋等国先后用该钢种建造了不少低温储罐和容器。1 9 8 2 年后， 9 n 钢已经成为低温储罐主材，逐渐取代了n i - c r 不锈钢，早在1 9 9 7 年时世界 上已建的最大9 n i 钢储罐容积就达到1 4 0 0 0 0 m 3 。1 9 5 2 年，第一台9 n i 钢储罐 在美国投入使用。1 9 6 9 年，日本采用手工电弧焊法建造了其国内第一台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。从上世纪6 0 年代以来，随着冶金技术 的不断发展，9 n i 钢的含碳量从过去的0 1 3 n 现在的0 0 2 ，9 n i 钢可使用的 温度也越来越低，低温韧性越来越好。虽然焊接这些设备的焊接材料的匹配的 研究已经进行，现在看来只有镍基的焊接材料被证明是拥有所需的机械性能 i o - i l 】 o 为了改变能源结构、改善环境状态、发展西部经济，我国政府十分重视天 然气的开发和利用。近10 年来，中国的l n g 工业有了很大进步，各种类型的 l n g 装置都得到了发展。我国从2 0 世纪6 0 年代就开始着手l n g 的研究，2 0 世 纪8 0 年代，国内首个9 n i 钢乙烯球罐在大庆建成，2 0 0 4 年，国内首个大型低 温l n g 项目在广东开展。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9 n i 钢，它具有良好的低温韧性，而且价格相对便宜。后来在 9 n i 钢的基础上又开发了5 n i 钢。19 9 4 年底，中国石化总公司扬子石化公司准 备安装一台1 0 0 0 0 m 3 低温液态乙烯储罐( 由德国l i n d c 公司设计n o e l l 公司制 造) 。当时国内尚未建造过同类储罐，为了对9 n i 钢的焊接有进一步的认识， 调研了国内有关9 n i 钢球罐工程的焊接情况f 1 2 】。 2 0 0 7 年1 月中旬，太钢自主研制开发的“9 n i 钢板材料”和太钢制定的 “低温压力容器用0 6 n i 9 合金钢板技术标准”顺利通过国家锅炉压力容器标准 化技术委员会专家组的鉴定审查，标志着太钢成为我国首家掌握9 n i 钢生产技 术的企业，这将对我国石油天然气行业的快速发展起到积极的促进作用。太钢 6 对该材料的开发，填补了国内空白，打破了l n g 储罐用钢长期依赖进口的局面， 同时有利于对国家能源的安全保障。国产材料将很快进入国内l n g 储罐制造领 域，并大幅度降低储罐地面站的制造成本，从而提高我国在l n g 低温储罐制造 领域的综合竞争力。因此，掌握低温9 n i 钢及焊接技术，推动l n g 设备的国产 化进程是我国能源项目发展的迫切需要。目前已经形成了一定的工业规模。其 中，9 n i 钢作为l n g 储罐内壁用材料，因直接与冷冻l n g 接触、长期服役于一1 6 2 的低温环境。为保障焊接低温容器的安全，对9 n i 钢的焊接接头低温韧性进 行研究有着重要的工程意义。 2 1 19 n i 钢的热处理 9 n i 钢在低温有着优良的韧性，除了其具有良好的化学成分之外，在很大 程度上依赖于恰当的热处理，9 n i 钢热处理工艺到现在经历了三个阶段的发展： ( 1 ) 双正火+ 回火( n n t ) 9 n i 钢，第一次正火为9 0 0 空冷，保温时间由 板厚决定，大约是2 4 m i n m m ，但必须保证保温时间大于1 5 m i n ，第二次正火 在7 9 0 左右空冷，保温时间也由板厚决定。第一次正火处理的目的是细化奥 氏体晶粒，第二次正火温度稍低，是为了使其发生相转变，获得板条状马氏体 组织，回火是为了获得a 相和少量的富碳、镍奥氏体【l 3 1 。 ( 2 ) 淬火+ 回火( q t ) ，调质处理时，一般的淬火温度为8 0 0 一9 0 0 ，同 时保温足够时间以使其完全奥氏体化后，在5 6 5 - 6 3 6 回火，回火时间至少 大于1 5 m i n ，经淬火和回火后的组织为低碳马氏体。 ( 3 ) 淬火+ 中间淬火+ 回火( q l t ) ，9 n i 钢淬火后的组织为低碳板条状马 氏体，回火后得到的基体组织是回火马氏体以及部分逆转奥氏体。这种奥氏体 由于碳化物的溶入而导致含碳量增高，使m s 和m f 点向更低的温度方向移动， 表现为低温时极为稳定，且不容易发生相变 1 4 】。 在这三种热处理工艺中，经q l t 处理的9 n i 钢，与q t 和n n t 生产出的9 n i 钢相比就有显著的低温韧性；调质处理的次之；n n t 处理的低温韧性最差。其 原因有：在( q + y ) 两相区6 7 0 水淬处理，在相同的回火温度下，逆转奥氏 体的数量比经q t 处理后的多；用不同的温度回火处理，经q t 与i h t 处理的9 n i 钢虽然可以获得同样数量的逆转奥氏体，但是经过q t 处理的逆转奥氏体的析 出部位比较集中，主要分布于原奥氏体晶界与马氏体晶束界上。经i h t 处理后， 逆转奥氏体分布均匀，特别是它在马氏体板条间析出，析出的弥散性导致了9 n i 钢的高韧性n 朝。 2 1 29 n i 钢常用焊接方法 焊接9 n i 钢的常用方法有手弧焊( s m a w ) ，埋弧焊( s a w ) ，熔化极气体保护 焊( g b l a w ) 和钨极氩弧焊( g t a w ) 。目前，仍然以手弧焊和埋弧焊为主，其次钨极 氩弧焊和熔化极气体保护焊。 1 ) 手弧焊。当采用高镍型焊接材料焊接9 n i 钢时，由于焊条的高电阻易使 焊条过热引起焊条药皮脱落而产生焊接缺陷。此外，焊工的技术水平对焊接质 量影响很高，焊接时手弧焊对环境的适应性很强。 2 ) 熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊的熔敷速率大，主要问题是焊缝 质量，容易产生熔合不良和气孔。为了防止熔合不良缺陷的产生，通常采用脉 冲电流来焊接9 n i 钢。所以，在焊接9 n i 钢时，要注意解决熔化极气体保护焊熔 合不良问题。 3 ) 埋弧焊。埋弧焊是熔敷速率很高的一种焊接方法。当采用高镍型焊接材 料焊接9 n i 钢时，由于焊透深度小，必须增大埋弧焊时焊接接头的坡口角度。为 了减少焊接缺陷，必须采用细的焊丝( 3 2 m m 以下) ，以牺牲焊接效率来保证焊 接质量。 4 ) 钨极氩弧焊。钨极氩弧焊能保证焊接接头具有高质量。由于能分别控制 焊接电流和焊丝的给送速度，容易控制稀释率而得到满意的焊缝形状。虽然钨 极氩弧焊的熔敷速率比熔化极气体保护焊和埋弧焊低，因而焊接效率低，但能 得到具有窄坡口的高质量的焊接接头。特别是采用低镍型焊接材料进行焊接时， 钨极氩弧焊将成为非常好的焊接方法n 引。 2 1 39 n i 钢常用焊接材料 对一1 9 6 的9 n i 钢和所适用的焊条，可以选用含镍量较高的奥氏体型的镍基 合金焊条，这类焊条的最大特点是保证了低温韧性，但其屈服强度略低于母材。 同时由于是奥氏体组织焊缝，它的抗裂性较差，焊缝的熔深较浅，熔池中液体 流动性也较差，当操作不慎时，易出现结晶裂纹。当焊接中母材熔合比较大时， 易受到较大的稀释影响。焊接金属尤其是熔合区易形成铁素体组织、使塑韧性 降低。 9 n i 钢常用的焊接材料有以下几种，即含n i 约6 0 以上的n i - c r f e 系的 i n c o n e l 型，n i f e c r 系的i n c o lo y 型，n i - c r - m o 系合金的h a s t e ll o y 型，含 n i 约4 0 的f e n i 基型，含n i1 3 - c r l 6 的奥氏体不锈钢型和n i 约1 1 的铁素 体型。铁素体型焊接材料，除气体保护焊外，其他焊接方法尚未获得广泛的工 业应用。在其他三种焊接材料中，n i 基与f e - n i 基焊接材料，线膨胀系数与 9 n i 钢相近，但成本高，强度特别是屈服强度偏低。n i1 3 - o r l6 型焊接材料， 成本低，屈服强度高，但低温韧性稍差，线膨胀系数与9 n i 钢有较大差异【”。18 1 。 近年来，为适应新的高效率，高性能钢材出现带来的变化，大都采用焊缝 金属中添加t i 和b 的方法，充分利