（材料学专业论文）lng储罐用9ni钢和石化装置用合金钢的焊接.pdf

硕。l ：学位论文 摘要 随着国际能源格局的变化，国家能源需求的不断增长和国家能源战略的调整，液化 天然气( l n g ) 作为一种优质、清洁、高效、方便的“绿色燃料”，被认为是地球上最干 净的石化能源和2 l 世纪最重要的能源之一。伴随l n g 的广泛应运，l n g 储罐用9 n i 钢的发展也异常迅速。目前，国外对9 n i 钢的生产成熟，且形成了美国a s t m 、欧盟 e n1 0 0 2 8 4 和日本j i sg 3 1 2 7 等涉及9 n i 钢的牌号、化学成分、力学性能和供货状态 等一整套完整的标准；国内对9 n i 钢的生产始于2 0 0 7 年，目前国产9 n i 钢主要来自 太钢和鞍钢，实物质量达到当今工业先进国家同等水平，打破了9 n i 钢长期依赖进口 的局面。 因9 n i 钢长期服役于超低温环境下，故对9 n i 钢焊接后的低温韧性要求很高。 受某石化公司委托，对液化天然气( l n g ) 储罐用进口9 n i 钢的焊接性进行了研究和 焊接工艺评定实验。采用a w s 标准牌号为e r n i c r m o 3 的镍基焊丝进行了手工钨极氩 弧焊( g 口州) 和熔化极气体保护焊( g m a w ) ，e n i c r m o 3 镍基焊条进行了焊条电弧 焊( s m a w ) ，e r n i c r m o 4 焊丝和i n c o f l u x9 焊剂进行了埋弧焊( s a w ) 的焊接工 艺，焊接了板厚分别为2 4 m m 和1 2 m m 的9 n i 钢板对接接头，对焊接接头的力学性能 和微观组织进行分析，评价9 n i 钢的焊接工艺。 在石油化工的很多装置中，经常遇到异质接头的焊接。由于异质接头的物理化学性 能存在差异，使得异质接头的焊接问题要比同质接头的焊接复杂得多。本文受某石化公 司委托，对石化装置用异质接头( 0 c r l 8 n i 9 t i 1 2 c r 2 m 0 1 ) 的焊接性进行了研究和焊接 工艺评定实验。采用e 3 0 9 l 奥氏体不锈钢焊条对厚度为1 4 m m 的0 c r l 8 n i 9 t i 和 1 2 c r 2 m o l 异质接头钢板进行了焊接，首先在1 2 c r 2 m 0 1 钢母材的坡口上进行隔离层堆 焊，再与0 c r l 8 n i 9 t i 钢进行对接接头焊接，并对焊接接头进行了力学性能和微观组织 分析，评价异质接头( 0 c r l 8 n i 9 t i 1 2 c r 2 m 0 1 ) 的焊接工艺。 关键词：l n g ；9 n l 钢；o c r l s n i 9 t i 1 2 c r 2 m o l ；焊接 l n g 储罐用9 n i 钢和石化装置用合金钢的焊接 a b s t r a c t w i t ht h ec h a n g e si nt h ei n t e r n a t i o n a le n e r g ys i t u a t i o n ，t h ed e m a n do fs t a t e sg r o w i n ge n e r g y a n dt h ea d j u s t m e n to fn a t i o n a le n e r g ys t r a t e g i e s ，l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ( l n g ) i sc o n s i d e r e dt h e c l e a n e s tf o s s i le n e r g yo ne a r t ha n dt h em o s ti m p o r t a n te n e r g yi nt h e21s tc e n t u r y , b e c a u s ei ti s ah i g h q u a l i t y , c l e a n ，e f f i c i e n ta n dc o n v e n i e n t ”g r e e nf u e l ”w i t ht h ee x t e n s i v eb s eo fl n g ； 9 n is t e e lo fl n g s t o r a g et a n k sh a sa l s ov e r yp a p i dd e v e l o p m e n t c u r r e n t l y , t h ep r o d u c t i o n o f9 n is t e e li sm a t u r ea ta b r o a d t h e yh a v eh a das e to fs t a n d a r d sw i t h9 n is t e e l ，s u c ha s ， a s t m ，e ue n10 0 2 8 - 4 ，j i sg 312 7a n ds oo n , t h i ss t a n d a r d si n v o l v e9 n is t e e lg r a d e s ， c h e m i c a lc o m p o s i t i o n , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd e l i v e r ys t a t u s a th o m e ，t h ep r o d u c t i o no f 9 n is t e e ls t a r ti n 2 0 0 7 i tm a i n l ym a d e b yt a i y u a na n da n s h a ni r o na n ds t e e lc o m p a n y , t h e q u a l i t yh a sa c h i e v e dw o r l dl e v e l b e c a u s e9 n is t e e ls e r v i c eu n d e ru l t r a l o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t ，s ot h el o w t e m p e r a t u r et o u g h n e s so fw e l d e dj o i n to ft h e9 n is t e e li sv e r yi m p o r t a n t t h i sa r t i c l eh a s r e s e a r c h e dt h ew e l d a b i l i t yo fi m p o r t e d9 n is t e e l sa n dw e l d i n gp r o c e d u r eq u a l i f i c a t i o nw i t h t h ee n t r u s t m e n to fap e t r o c h e m i s t r yc o m p a n y t h e9 n is t e l l sw i t ht h i c k n e s so f2 4 m ma n d 12 m mw e r eb u t t - w e l d e du s i n gas o r to ff i l l e rm e t e a lw i t hn i c k e l - b a s e da l l o y s s p e c i f i c a l l y , w eu s et h en i c k e l - b a s e dw i r e se r n i c r m o 一3 ( a w st r a d e m a r k ) f o rm a n u a lt u n g s t i ce l e c t r o d e a r g o na r cw e l d i n g ( g t a w ) a n dt h em e l t i n gs h i e l d e dw e l d i n g ( g m a w ) ，t h en i c k e l - b a s e d e l e c t r o d e se n i c r m o 一3f o rs h i e l d e dm e t a la r cw e l d i n g ( s m a w ) ，t h ee r n i c r m o 一4w e l d i n g w i r ea n dt h ei n c o f l u x9w e l d i n gf l u xs u b m e r g e d - a r cw e l d i n g ( s a w ) t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e so fw e l d e dj o i n t sw e r ea n a l y s e d e v e n t u a l l y , w ee v a l u t e dt h e w e l d i n gp r o c e d u r e so f9 n is t e e l w eo f t e nm e e tt h ew e l d i n go fd i s s i m i l a rw e l d e dj o i n t si np e t r o c h e m i c a li n s t a l l m e n t a sa r e s u l to ft h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c eo fd i s s i m i l a rw e l d e dj o i n t se x i s td i f f e r e n c e ， s ot h ew e l d i n go fd i s s i m i l a rw e l d e dj o i n t si sm u c hm o r ec o m p l e xt h a nt h es i m i l a rw e l d e d j o i n t s t h i sa r t i c l eh a sr e s e a r c h e dt h ew e l d a b i l i t yo fd i s s i m i l a rw e l d e dj o i n t s ( 0 c r l8 n i 9 t i 12 c r 2 m o1 ) a n dw e l d i n gp r o c e d u r eq u a l i f i c a t i o nw i t ht h ee n t r u s t m e n to fap e t r o c h e m i s t r y c o m p a n y u s i n ge 3 0 9 l e l e c t r o d eo fa u s t e n i t i cg r a d es t a i n l e s ss t e e li nt h ew e l d i n g1 2 c r 2 m 0 1 s t e e la n d0 c r l8 n i 9 t id i s s i m i l a rs t e e la f t e rt h e s u r f a c i n gb u f f e rl a y e r t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e so fw e l d e dj o i n t sw e r ea n a l y s e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n tw a sg o o d k e yw o r d s ：l n g ；9 n is t e e l ；0 c r l 8 n i 9 t i ；1 2 c r 2 m o l ；w e l d i n g l i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：嘭目；蟊日期：渊。年月户日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：影团獗 导师签名。；瞄 日期：f p 年 日期：加f 。年 f 月厂日 f 月，日 硕十学何论文 1 1 液化天然气( l n 6 ) 第1 章绪论 液化天然气( l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ，缩写为l n g ) 是天然气在大气压下冷却至约 1 6 2 时，由气态转变成液态的产物，它无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同 量气态天然气体积的l 6 0 0 ，l n g 的重量仅为同体积水的4 5 左右，热值为5 2 m m b t u t ( 1 桶原油热值为5 8m m b t u ；1 吨煤热值为2 4 0 6m m b t u ；lm m b t u = 2 5 2 x 1 0 8 c a l ； b t l 卜一英热单位) 。l n g 作燃料与煤和石油相比，除n o x 、c o x 含量低和几乎不含硫 等特性外，还具有以下优点：天然气液化后便能经济可靠地远距离运输，相同条件下往 往比地下管道输气节省大量投资，而且方便可靠，易于适应运输变化，风险很小；储存 效率高，占地少，投资省；低温液化可分离出部分有用的副产品；l n g 可作优质的车 用燃料，与汽车烧汽油相比，它辛烷值高、抗爆性好、燃烧完全、排气污染少、运输成 本低，与汽车用压缩天然气相比，它储存效率高、钢瓶数量少、重量轻以及驾驶行程远、 建站不受供气管网限制；有利于城市供气负荷的平衡调节，比地面高压储气库和地下储 气库建设节省土地、资金，缩短工期，为供气调峰提供了便利条件：生产使用比较安全， 稍有泄漏立即挥发飞散了，不致引起自燃爆炸；有利于环境保护，减少城市污染。故它 被认为二十一世纪地球上最优质、清洁、高效、方便的“绿色燃料”【l 一1 。 1 2l n g 储存与运输 1 2 1l n f i 工业链 l n g 的工业链包括生产、运输、储存、接收及应用五个阶段。接收海运l n g 的终 端设施称为l n g 接受终端。它接收用船从基本负荷型天然气液化工厂运来的液化天然 气，将其储存和再汽化后分配给用户。它主要由专用码头、l n g 卸船装置、输送管道、 储罐、气化装备等组成，其设计、建造复杂，技术要求严格，一个液化天然气接收终端 一般造价在几十亿人民币。以中国海洋石油总公司建设的福建莆田2 5 0 万吨l n g 储罐 为例，在总投资6 2 亿元中，2 座1 6 万立方米的低温储罐占整个接收站投资的1 3 h 1 。 1 2 2l n g 储罐 1 9 5 9 年美国建造了世界上第一座l n g 储罐，至今4 0 多年来，l n g 接收终端稳步发展， l n g 储罐用9 n i 钢和石化装置用合金钢的焊接 全球已经建成( 包括在建) l n g 接收站有4 0 多个，l n g 储罐达3 1 0 座，其中超过1 2 万立 方米的l n g 储罐超过总数g j 4 4 ，l n g 接收站的技术已相当成熟。我国为了国家原油 战略储备，目前已建成l n g 卫星站超过4 0 个、调峰站1 座、l n g i 厂2 座，天然气有效工 作气量为3 1 亿立方米，年。正在规划建设1 4 个储气库群、2 8 座调峰气站，4 座l n g t 厂， 能使年调峰能力达到1 6 0 亿1 8 0 亿立方米的调峰规模。广东l n g 站线项目是我国建设的 第一个l n g 站线项目，2 0 0 6 年开始商业运行，福建l n g 项目是我国建设的第z l n g 站线 项目，2 0 0 8 年开始商业运行。现已经通过政府审批在规划和实施的沿海l n g 项目有：广 东、福建、浙江、上海。等待审批实施的沿海l n g 项目有：江苏、山东、辽宁等，总共 1 1 个项目，这些项目将最终构成一个沿海l n g 接收站与输送管网，全部建成后总储存中 转能力可达1 8 0 0 万吨年。 l n g 储罐属常压、低温储罐，分地上式与地下式两类，通常为平底双壁圆柱形，结 构设计要求具有杰出的安全性能及可靠的使用性能，由预应力混凝土外罐和9 n i 钢内 罐组成“1 ( 见图1 1 ) 。钢筋混凝土罐顶采用碳钢作为衬里，衬里还作为混凝土的模板。 储罐内壁与l n g 直接接触，采用含镍9 的台金钢，也可为全铝、不锈铜薄膜：外壁为 碳钢或预应力混凝土。另外一种全包容设计是由预应力混凝土内层罐和外层罐组成 ( f c c r ) ，这种储罐容量可达2 5 万立方米。 图il 典型的全包窖眦储罐结构示意图 硕十学何论文 2 0 0 3 年8 月日本采用最新的设计及建造技术，完成了1 8 万立方米预应力混凝土l n g 全容储罐的建造。液化天然气接收站设施在规模上的增长使液化天然气储罐变得越来越 大，容积高达2 0 万立方米。韩国也已建造2 2 万立方米的地上全容储罐。内罐顶的悬挂式 绝热支撑平台为铝制，罐顶由碳钢或混凝土制成。罐内绝热材料主要为膨胀珍珠岩、弹 性纤维毡及泡沫玻璃砖等。储罐所有开口均选择在罐顶，避免l n g 由接口处泄漏，并采 取措施防止在某些情况下由于液体分层及储罐漏热而引起的翻滚现象。 1 3l n g 低温储罐用9 ni 钢简介 1 3 1 材质标准 建造l n g 储存、运输、接收终端等装备的关键材料是在1 9 6 。c 具有较高低温韧性 的9 n i 钢。国外已形成了美国a s t m 、欧盟e n l 0 0 2 8 - 4 和日本j i sg3 1 2 7 等涉及9 n i 钢的牌号、化学成分、力学性能和供货状态等一整套完整的标准口3 。 1 9 5 6 年，9 n i 钢首次被列入a s t m 标准( a s t ma 3 5 3 a 3 5 3 m ( ( s t a n d a r ds p e c i f i c a t i o n f o rp r e s s u r ev e s s e lp l a t e s ，a l l o ys t e e l ，9p e r c e n tn i c k e l ，d o u b l e n o r m a l i z e da n dt e m p e r e d 压力容器用经二次正火及回火处理的含9 镍的合金钢厚板规格) ，1 9 7 0 年列入英国 标准( b s1 5 0 1 ：p a r t 2 ：1 9 7 0s t e e l sf o r f i r e da n d u n f i r e d p r e s s u r e v e s s e l s ：p l a t e s a l l o ys t e e l s ： i m p e r i a lu n i t s ) ，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 该钢种建造了不少储罐和容器。1 9 8 2 年后，9 n i 钢已经成为低温储罐主材，逐渐取代 了n i c r 不锈钢。目前涉及9 n i 钢的最新材料标准有美国材料试验协会标准a s t m a 3 5 3 | a 3 5 3 m 0 4 a s t ma 5 5 3 | a 5 5 3 m 0 6 。a s t ma 5 2 2 | a 5 2 2 m 0 7 a s t ma 8 4 4 | 。 a 8 4 4 m 0 4 ，欧盟标准b se n1 0 0 2 8 4 ：2 0 0 3 ，日本工业标准协会标准j i sg 31 2 7 2 0 0 5 ， 国际标准i s o9 3 2 8 4 ：2 0 0 4 等。各国的船级社如，日本船级社n k ，英国劳氏船级社l r ， 法国船级社b v ，挪威船级社n v 和韩国船级社k r 等也制定9 n i 钢的标准砸。0 1 。 1 3 29 n i 钢的化学成分和力学性能 表1 1 是欧、美、日和我国各种标准对9 n i 的牌号、化学成分的具体规定。可以看 出，9 n i 的化学成分存在细微差异。从磷硫杂质含量来看，我国太钢的标准要求最高。 表1 2 是各种9 n i 钢的力学性能要求，从低温冲击韧性要求看，欧盟和我国太钢标准的 要求最高n 。 3 l n g 储罐用9 n i 钢和石化装置用合金钢的焊接 表1 1 各种标准规定的9 钢的牌号和化学成分 表1 2 各种标准规定的9 钢的力学性能 标准牌号 热处理厚度r a m 。感p 0 2 盘ma 金y o 心卜? j 6 q | m r a r 各国的船级社关于9 n i 钢的牌号、成分和性能的规定与以上标准的规定都大同小异，9 n i 钢日 本船级社的牌号是k l 9 n 5 3 和k l 9 n 6 0 ，英国劳氏船级社的牌号是9 n i ，法国船级社的牌号是b l 9 n ， 挪威船级社的牌号是n l n 9 n 和韩国船级社的牌号是k r l 9 n 5 3 和k r l 9 n 6 0 。 1 3 89 ni 钢的其它性能 传统的准静态防断设计准则并不能保证材料或结构在动载作用下的安全性。材料的 动态断裂韧性在冲击载荷作用下显著下降，对动态断裂的评价有助于全面了解材料的抗 断裂性能。系列温度的冲击实验和动态撕裂实验均显示，从室温至1 9 6 c 的低温环境， 4 硕十学何论文 !一iii i i 一一! i , 曼! 皇曼曼曼鼍曼孽舅曼鼍曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼 9 n i 钢的韧性一直保持在较高水平n 引。 c t o d 试验是当代断裂力学发展起来的一种材料的韧性试验方法，考虑在一定条件 下( 温度、载荷形式和速率、应力集中程度、残余应力等) ，构件的材料韧性和构件所 承载的应力水平所容许存在的临界裂纹长度。c t o d 值是9 n i 钢重要的断裂韧性指标， 许多标准体系都要求9 n i 钢1 6 3 。c 的c t o d 值不小于0 2 m m 。鞍钢9 n i 钢板c t o d 值为 0 6 2 m m ，远远高出标准要求，和阿赛洛产品水平相当。甚至1 9 6 * c 的更苛刻环境，c t o d 值仍能达到o 2 7 m m 的较高水平。 由于焊接的需要，要求9 n i 钢板的剩磁不得高于5 0 高斯。经退磁处理后，剩磁仅 为3 高斯，远低于5 0 高斯的上限要求n 引。 1 3 49 n i 钢的生产及其热处理制度 世界十大钢铁公司中的多数以及其它某些著名钢铁公司都能够根据不同标准生产 满足不同需要的各种9 n i 钢板材和管材，如欧盟的阿塞洛公司( a r c e l o rs a ) ，蒂森 克虏伯公司( t h y s s e n k r u p pa g ) ，科勒斯公司( c o r n sg r o u p ) 和迪林格冶炼厂( d i l l i n g e r h i i t t e n w e r k ea g ) ，日本的新日本制铁公司( n i p p o ns t e e lc o r p o r a t i o n ) ，杰富意( j f e g r o u p ) 和住友金属( s u m i t o m om e t a l s ) 等公司。2 0 0 6 年新日铁开发成功l n g 罐用 超级9 n i 钢板( - 1 9 6 。c 冲击韧性达至l j 2 7 7 j ) ，该项技术荣登当年全球钢铁工业1 0 大技术 要闻第8 位。 国i 为9 n i 的研发相对滞后，但近几年随着市场需求旺盛的推动发展迅速，2 0 0 7 年 初，由太钢自主研发的低温压力容器用9 n i 钢板顺利通过国家容标委专家组的鉴定评 审，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。2 0 0 7 年1 2 月9 日，鞍 钢研制开发的低温压力容器用9 n i 钢板，也顺利通过国家容标委专家组的评审。 9 n i 钢的热处理技术主要包括n n t ( d o u b l e n o r m a l i z e da n dt e m p e r e d 二次正火加 回火处理) 和q t ( q u e n c h e da n dt e m p e r e d 淬火加回火处理) 两种。a s t ma 3 5 3 规定 的9 n i 钢的n n t 规范是：第一次正火为9 0 0 - a ：1 5 空冷，保温时间根据板厚决定，大 约是2 4 m i n m m ，但必须大于1 5r a i n ( 以下相同保温时间要求只写“保温时间要求相同”) 。 第二次正火在7 9 0 - 士1 5 。c 左右空冷，保温时间要求相同。回火是在5 6 5 - - 一6 0 5 空冷或水 冷，且冷却速度不小于1 6 5 。c h ，保温时间要求相同。a s t ma 5 5 3 规定的9 n i 钢的 q t 规范是：9 n i 钢的淬火为8 0 0 - - 一9 2 5 水淬，保温时间要求相同，且冷却速度不小 于1 6 5 * c h 。回火是5 6 5 6 3 5 空冷或水冷，保温时间要求相同，且冷却速度不小于 l n g 储罐用9 n i 钢和石化装置用合金钢的焊接 1 6 5 c h 1 5 】。9 n i 钢的双相区处理是在调质的基础上，在回火前进行( q 竹) 双相区处理， 目的是使组织分布更加弥散、均匀。加热到中间温度6 3 0 7 0 0 ，保温后厚板( 大于 1 6 m m ) 水冷至1 5 0 以下，薄板( 小于或等于1 6 m m ) 空冷或水冷至1 5 0 以下。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回 转奥氏体。9 n i 钢经过( 0 【竹) 双相区处理后，其1 9 6 c 冲击韧度比调质热处理的提高 o 5 l 倍，甚至优于1 c r l 8 n i 8 t i 不锈钢，强度也是1 c r l 8 n i 8 t i 不锈钢的2 倍，抗回火 脆化能力也大大提高。a s t ma 8 4 4 规定的9 n i 钢的q t 规范是：在轧制态直接淬火， 淬火温度一般为6 5 0 - 9 1 0 ，在5 6 5 6 3 5 回火，空冷或水冷且冷却速度不小于 1 6 5 h ，保温时间要求相同。在现有三种热处理工艺中，经双正火热处理的9 n i 钢其 低温韧度较差，调质热处理的次之，( 州) 双相区处理的低温韧度最好。 1 3 59 ni 钢的焊接性能 9 n i 钢低温板材的基本性能： 1 具有良好的机械性能； 2 低温冲击韧性好； 3 易淬硬，易磁化； 4 手工电弧焊和埋弧自动焊的热输入应小于1 2 k j c r n ，层间温度不超过1 5 0 。 在采用特制低温储罐架体和自动控制的基础上，结合美国m i l l e r 公司s u m m i ta r e 1 2 5 0 高效方波交流变频焊接电源和具有c v + c 特性的h d c l 5 0 0 d x 焊接控制箱。 9 n i 钢具有很好的可焊性，可以用焊条电弧焊、埋弧焊和气保焊等方法进行焊接。 除非特别要求，9 n i 钢不需要焊前预热( 德国劳氏规范g l r p 规定焊缝金属含氢量要求 低于5m l 1 0 0 9 时，需预热1 0 0 以上) 、焊后热处理，但层温需控制在1 5 0 0 c 以下( 德国 劳氏规范g l r p 规定2 5 0 以下) ，焊接线能量控制在1 0 - 3 0 k j c m 。焊接材料一般选择 奥氏体和镍基。焊条电弧焊主要选择符合美国a w sa 5 1 1 要求的e n i c r m o 3 类焊条，如 林肯电气公司生产的b l u em a xn i c r o6 0 2 0 焊条；伯乐蒂森公司生产的u t p7 0 1 3m o ( e n i c r m o 6 ) 和u t p7 0 1 7m o ( e n i c r f e 4 ) 焊条；瑞典伊萨集团生产的o k 9 2 4 5 ( e n i c r m o 3 ) 和o k9 2 5 5 ( e n i c r m o 6 ) 焊条。u r p7 0 1 3m o 、u t p7 0 1 7m o 和o k9 2 5 5 是交直流两用焊条，用交流焊机焊接时可以很好地克服9 n i 钢剩磁的影响。埋弧焊和 气保焊选用的焊丝一般符合美国a w sa 5 1 4 要求的e r n i c r m o 3 类焊丝，埋弧焊选择林 肯电气公司生产的l n sn i c r o6 0 2 0 焊丝和p 7 0 0 0 焊剂；伯乐蒂森公司生产的u r pu p 6 硕士学位论文 曼皇曼鼍曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼鼍m m m lm m mm m m - _ oo i 曼曼曼 6 2 2 2m o 焊丝和u t pu p f x6 2 2 2 焊剂；瑞典伊萨集团生产的o ka u t r o d1 9 8 2 焊丝和o k f l u x l 0 1 6 焊剂。气保焊采用林肯电气公司生产b l u em a xl n tn i c r o6 0 2 0 ( 非熔化极) b l u em a xl n mn i c r o6 0 2 0 ( 熔化极) ，伯乐蒂森公司生产的u t pa6 2 2 2m o ，瑞典伊 萨集团生产的a u t r o d t i g r o d1 9 8 2 焊丝。也可采用伯乐蒂森公司生产的熔化极气保焊用 药芯焊丝u t pa f6 2 2 2m o 1 6 19 1 。 1 9 9 5 年扬子石化公司1 万立方米乙烯低温储罐锦丰l 万立方米乙烯低温储罐均采用 e n i c r m o 6 焊条交流焊接【2 0 1 。所以通常情况下，n i 基材料焊接时必须注意对焊接线能 量要求高和它有易裂、易被磁化的倾向特点。根据我们为中国第一座l n g 低温储罐项 目进行的焊接装备与工艺试验准备时，我们找到了能够控制焊接线能量与避免磁化倾向 的有效方法，就是一方面普遍采用交流焊机，另一方面使用方波焊接输出特点的焊接电 源。 1 4 石化装置用异质接头o c t l8 ni9 ti 12 c r 2 m o l 的焊接 某石化公司石化装置用柴油加氢装置高压换热器的换热管材质是0 c r l 8 n i 9 t i ，接管 材质是1 2 c r 2 m o l 。0 c r l 8 n i 9 t i 属奥氏体不锈钢，1 2 c r 2 m o l 属珠光体耐热钢，它们的 焊接属异质接头的焊接。 1 4 1 异质接头焊接特点 在石油化工管道，锅炉的热交换器、管道、以及补尝器等的焊接，还有组装后无法 进行热处理的部件设备中，经常遇到异质接头的焊接。异质接头的不同组合有时会出现 两受焊金属在物理化学性能，如晶格类型、晶格参数、原子半径及电负性等方面存在很 大差异，相互间具有“冶金学上的不相容性”。使得在两种材料组焊后，造成较大的拘束 应力，从而增加了焊接过程中热裂纹产生的倾向。 正是由于异质接头的物理化学性能存在差异，使得异质接头的焊接问题要比同质接 头的焊接复杂得多。因此在焊接时，焊缝的稀释、熔合区形成的过渡层和扩散层，以及 接头的应力状态，都对可焊性有重大的影响，因而有一定的焊接难度。所以在焊接时必 须采取特殊的工艺措施，才能获得良好的焊接接头。因此必须确定切实合理的焊接方法、 焊接材料、工艺参数以及其它措施。 7 l n g 储罐用9 n i 钢和石化装置用合金钢的焊接 1 4 2 异质接头焊接存在的问题 1 焊缝金属的不均匀性 一般情况下，可以认为焊接过程中焊缝金属大体上是搅拌均匀的，但在异质接头的 焊接过程中，由于焊接接头两侧的母材和焊缝的合金成分、物理化学性能有明显差别， 随着焊接工艺的不同，母材的熔化量将随之不同，最终会导致整个焊接接头化学成分的 极不均匀，因此异质接头在焊接后，焊缝是一个组织、成分和机械性能均发生了变化的 不均匀体。故在选择焊接材料时可以根据舍夫勒组织图按熔合比来估算，以求得纯奥氏 体或奥氏体加少量一次铁素体组织的焊缝成分。常见异质接头焊接后焊缝金属的不均匀 性有以下三种【2 1 之3 】： ( 1 ) 金相组织的不均匀性 由于焊接接头的化学成分不均匀，在经历了焊接热循环之后，焊接接头各区域也将 出现不同的金相组织，在局部区域还会出现相当复杂的组织结构，根据舍夫勒组织图和 稀释率可以确定焊接接头、焊缝区的金相组织。金相组织的不均匀性，不仅决定子母 材和填充材料的化学成分，同时也与焊接方法，焊道层次以及焊接工艺等有关。 ( 2 ) 性能的不均匀性 异种金属焊接接头各区域的化学成分和金相组织的差异，导致了焊接接头力学性能 的不同，沿焊接接头各区域的室温强度、硬度、塑性都有很大的差别。有时在3 5 个晶 粒范围内，显微硬度出现成倍变化，在焊缝两侧的热影响区，其冲击值甚至有几倍之差。 高温下的蠕变极限和持久强度也会因成分和组织的不同而相差极为悬殊。 对焊接接头影响最大的物理性能主要有膨胀系数和导热系数，它们的差异将在很大 程度上决定着焊接接头在高温下使用的安全性。 ( 3 ) 应力分布的不均匀性 异种金属焊接接头中残余应力分布不均匀，这是由于接头不同的区域具有不同的塑 性所造成的。另外，材料导热性的差异，将引起焊接热循环温度场的变化，也是残余应 力分布不均匀的因素之一。由于异种金属焊接接头各区域热膨胀系数不同，熔合线必 然存在着热应力，物理化学性能相差越大，这种热应力也就越大，有可能成为接头破坏 的主要原因之一。接头在正常使用条件下，因温度循环而出现在界面上的附加热应力分 布也不均匀，还会出现应力峰值，从而成为焊接接头断裂的原因。 2 界面组织的不稳定性 异种金属的焊接接头，在焊缝与母材之间没有一条截然的界线，而存在着熔合区。 硕七学何论文 虽然关于熔合区的含义在不同场合所指还不尽完全一致，但都认为它是从母材金属向焊 缝过渡的过渡区，该区最大特征是具有明显的宏观化学不均匀性。正是这种化学不均匀 性引起组织不均匀性，以致给异种金属焊接接头的物理化学性能、力学性能等带来很大 影响。 3 控制焊接变形和消除焊接残余应力的困难大 力学性能和热物理性能的差别导致异质接头焊接的变形和应力更大，且焊缝两侧的 变形和应力往往是不对称的，其应力不能通过焊后热处理来完全消除。因此，异质接头 的焊接，在选择焊接方法和制定焊接工艺时，要充分兼顾到这一特殊性。 4 淬硬脆性 异种金属焊接接头在界面附近由于化学元素浓度的稀释，将出现淬硬性的马氏体组 织，这就必然导致该处的韧性下降，即所谓淬硬性的出现。它对焊接接头的影响程度将 随具体的材料搭配和工艺不同而不同。 1 4 3 异质接头焊接工艺要点 异质接头焊缝与母材的化学成分、金相组织、物理性能及力学性能都有较大的差别， 因此异质接头焊接要比同质接头焊接复杂得多。焊接时必须采取一定的恃殊工艺措施， 确定特定的焊接方法、焊接材料、工艺参数以及其他的措施，这样才能获得满意的焊接 接头。 选择焊接规范时，为了达到减小熔深，以及降低焊缝稀释的目的，应尽量设法降低 熔合比。为此应减小焊条的直径，特别是根部焊接。采用多层多道焊，因为实践证明， 焊缝层数越多，熔合比越小。增大坡口角度，因为坡口角度的增大也会使熔合比下降。 采用小电流，快速焊接。 1 4 4 异质接头焊接焊材的选择 正确地选择焊接材料是异质接头焊接的关键，接头质量和性能与焊接材料关系十分 密切。选择异质接头焊接材料的基本原则可归纳如- f 2 4 - 2 6 】： 1 在焊接接头不产生裂纹等缺陷的前提下，若不可能兼顾焊缝金属的强度和塑性， 则应选用塑性较好的焊接材料。 2 异质接头焊接材料的焊缝金属性能只需符合两种母材中的一种即认为满足技术 要求。 9 l n g 储罐用9 n i 钢和石化装置用合金钢的焊接 3 焊接材料应具有良好的工艺性能，焊缝成形美观。 4 焊接材料应经济、易得。 但选择焊接材料应综合考虑上述各个方面，而不能简单依据某种原则。异质接头焊 接时有4 种焊接材料可供选择： ( 1 ) 与异质接头合金质量分数较低的一侧母材金属成分相同的材料( 低匹配) ； ( 2 ) 与异质接头合金质量分数较高的一侧母材金属成分相同的材料( 高匹配) ； ( 3 ) 介于异质接头两侧母材金属中间成分的树料( 中匹配) ； ( 4 ) 完全不同于异质接头两侧母材金属成分的材料。 1 4 5 预热及焊后热处理 异质接头焊接时，为防止裂纹产生，一般都要进行焊前、焊后热处理。热处理对焊 接接头的性能影响极大，常见的影响如下【2 7 】： 1 对c 扩散层的影响 化学成分不同的材质所组成的异质接头在焊后热处理时，某些合金元素，特别是c ， 将会发生扩散现象。在焊接w ( c r ) 显著不同的异种钢时，由于c 与c r 的亲和力很大， 导致c 的迁移，使w ( c r ) 低的焊缝熔台区一侧产生脱碳层，w ( c ) 高的焊缝熔合区一侧 产生增碳层。一般来说，焊接接头的加热温度和在高温下的停留时间对c 扩散层影响很 大。在焊接时接头来不及发生c 扩散，但在焊后热处理时，随热处理温度的升高和时间 的延长，w ( c r ) 低的母材一侧产生铁素体脱c 层而软化啪1 。并且脱c 层的晶粒长大，而 增c 层中可能会析出碳化物，硬度提高。这样的焊接接头蠕变特性降低，高温下长期使 用时在熔合区易产生显微裂纹。由此可见，对于异质接头的焊后热处理要慎重考虑。 2 对残余应力的影响 当异质接头的金相组织不同时，若仍按合金质量分数较高的钢种确定热处理工艺则 可能有害无益，除因c 扩散层发展的危险之外，还有残余应力的问题1 。异质接头的界 面应力非常集中且比较大，在加热到高温时，借助于松弛过程，能降低焊接残余应力； 在随后的冷却过程中，由于两侧材料物理性能的差异，不可避免地又产生了新的残余应 力，所以焊后热处理并不能彻底消除残余应力，只能使残余应力重新分布，有时可能使 接头局部应力升高而引发裂纹，这一点是与同质接头根本不同的，因此，在焊后热处理 时也要慎重考虑。 综上所述，在异质接头焊接中，预热温度和焊后热处理应在保证接头质量的前提下， 1 0 硕十学位论文 采用较小的焊接工艺参数比较合适。另外，在确定参数时，也必须考虑到焊件的拘束度 及规格( 壁厚) 以及焊接方法。相对来说，拘束度越大，规格( 壁厚) 越大，工艺参数 也就应选的偏高一些，反之，则应选的偏低一些。在焊接方法上，当用钨极氩弧焊对焊 件进行打底焊时，通常允许采用较低的预热温度，因为该焊接方法通过焊工可以在焊前 适当运用氩弧以及通过调节焊接速度等进行控制，达到一定的预热效果，降低预热温度 能较好地控制打底焊的成形和减少过大的熔深。 1 5 研究目的 ( 1 ) 天然气是一种新型清洁能源，发展迅速，l n g 是天然气国际贸易的主要形式， 约占天然气国际贸易的3 0 。我国l n g 国际贸易快速发展，l n g 是国家能源战略和能源 储备的主要方式。l n g 站线及储罐发展很快，为了迎合国家能源战略的发展趋势，受某 石化公司委托，研究l n g 储罐用9 n i 钢的焊接性。 ( 2 ) 在石油化工管道，锅炉的热交换器、管道、以及补尝器等的焊接，还有组装 后无法进行热处理的部件、设备中，经常遇到异质接头的焊接，异质接头的焊接在现实 生活领域中的应用已很广泛。某石化公司1 2 0 万吨年柴油加氢装置高压换热器接管材质 为1 2 c r 2 m o l ，换热管材质为0 c r l 8 n i 9 t i ，受其委托对其进行焊接性分析，并施焊。 ：2 彗誊兰翟：耋型：些茎星星耋耋墼墼彗耋 第2 章l n g 储罐用9 n i 钢焊接性能 2 19 n i 钢成分组织性能 9 n i 钢的低温力学性能主要决定于化学成分，尤其是n i 、c 元素的含量。此外， 9 n i 钢的韧性还决定于钢的纯净度以及微观组织。舍碳量降低可以使回火时马氏体中 碳化物的析出大大减少，改善低温韧性，而c 元素含量过高则会导致焊接性能和冷脆性 能的显著恶化，因此在舍金化过程中要尽量严格限制c 元素含量在低碳范围内。m n 、 m o 、c r 元素含量过高也会损害钢的低温韧性，所以这几种元素的含量要控制在较低水 平。m n 元素含量降低时会出现下贝氏体，有利于低温韧性的改善，但m n 元素含量过 低反而会恶化低温韧性，9 n i 钢中m n 元素含量通常控制在o6 左右。另外，加入少 量的n b 元素可有效地细化晶粒，提高材料的低温韧性。钢中添加9 的n i 元素，可以 降低a c ，点、细化晶粒、降低脆性转变温度，使材料的低温韧性得到明显改善口。 2 29 n i 钢热处理 从9 n i 的发展来看，主要是9 n i 钢的热处理规范在发展。最初是a s t m a 3 5 3 a 3 5 3 m 规定的n n t 热处理制度，其次是a s t ma 5 5 3 a 5 5 3 m 规定的q t 热处理制度 及q l t 热处理制度，最后是a