低温储罐用钢焊接工艺研究毕业论文.doc

摘 要液化石油气(LPG)具有燃烧值高，对大气无污染等特点，被誉为洁净的绿色能源,它还是优质的化工原料，因此，LPG越来越得到广泛地应用。但是LPG的缺点是易燃、易爆、相态易变等，一般采用低温液化储存。随着液化石油气行业的发展，LPG低温储罐的建设，逐渐引起人们的广泛关注。本文主要研究了低温储罐用钢的焊接性能，分析了低温储罐用钢的服役环境。通过多方比较，选择09MnNiDR钢作为低温储罐用钢的焊接材料。通过对焊接接头的组织和性能进行实验研究，确定焊接工艺要点，包括选择焊接方法，选择焊接材料，进行焊接工艺评定分析，对低温用钢焊接接头进行试验，对其金相组织进行分析，对其硬度进行测定，研究低温用钢的金属焊接性，正确选择预热温度和焊后热处理等，制定出合理的09MnNiDR钢的焊接工艺。关键词：低温储罐；09MnNiDR；焊接性；工艺评定AbstractLiquefied petroleum gas (LPG) with a high combustion value, no pollution to the atmosphere, known as a clean and green energy, it is also a high quality chemical raw materials, therefore, LPG has been more widely used. But the disadvantage of LPG is flammable, explosive, volatile phase etc, normally utilize liquid storage. With the development of liquefied petroleum gas industry, LPG storage tanks at low temperature construction, has gradually attract peoples attention. This paper studies the low-temperature storage tank of steels welding performance and service environment. Through various comparison, select 09MnNiDR steel as low-temperature storage tanks welding material. On microstructure and properties of welded joints to conduct experimental research to determine the welding process elements, including the choice of welding method, welding material selection, welding procedure qualification analysis, study on welded joints of low-temperature steel, analysis the microstructure, test the hardness, measure the metal welding of low temperature steel, and choice the correct preheating temperature and post weld heat treatment etc, to draw up a reasonable welding process of 09MnNiDR steel.Key word：low-temperature storage tank；09MnNiDR；welding property； process analysis目 录第1章 绪论11.1 低温储罐在工业生产中的应用11.2 低温储罐用钢概况21.3 本课题研究的意义及内容2第2章 低温储罐的焊接理论基础42.1 低温储罐所用金属材料42.2 低温储罐用焊接材料72.3 低温储罐用钢的焊接性92.4 低温储罐焊接工艺方法122.5 低温储罐用钢焊接条件的选择142.6 焊接缺陷对接头性能的影响16第3章 低温储罐用钢焊接试验183.1 试验用钢及其化学成分和力学性能183.2 试验用钢09MnNiDR的焊接性试验183.3 09MnNiDR焊接接头力学性能试验223.4 09MnNiDR焊接接头的断裂性能试验223.5 09MnNiDR焊接接头金相及硬度试验26第4章 09MnNiDR焊接接头试验结果及分析274.1 09MnNiDR的焊接性试验274.2 09MnNiDR焊接接头断裂性能试验294.3 09MnNiDR焊接接头破坏性试验324.5 09MnNiDR焊接的综合工艺评定36结 论38参考文献39致 谢40第1章 绪论1.1 低温储罐在工业生产中的应用所谓“低温用钢”指的是在-10温度以下使用的钢材。低温用钢是第二次世界大战以后发展起来的新型结构钢，它是在20世纪60年代之后伴随低温工业和能源工业发展起来的，并随着液化气体的贮藏和输送的需求的增大而激增，还用于磁浮、发电、输电，而且液氮及液氦等低温材料已达到工业化的规模。从最低使用温度来看，达-30的寒冷地区的建筑物、达-45的液化丙烷气(LPG)、达-100的液化乙烯、-170的液化天然气(LNG)、-196的液化氮气、-269的液化氦气等，它们的低温使用条件越来越严酷，这也推动了相应的低温材料发展。-180温度以下的超低温用的金属材料有wNi为9%的镍钢、铝合金、奥氏体不锈钢、高镍合金钢(36Ni-Fe)及复合材料等。20世纪60年代液化气的需求量大增，于是对能够与退火wNi为3.5%镍钢相匹敌的铝镇静钢或热处理的低镍钢进行了大量的研发开发。终于在1973年开发了用于液化乙烯(沸点-103.5)的调质型wNi为3.5%的镍钢及Cr-Cu-Ni-Al系钢，在1970年以后开发了能够取代wNi为9%镍钢焊接材料Inconel合金的低镍37Ni-5Mn-10Cr及其同质材料。1975年前后，随着天然气的开发，经过特别双重淬火+回火进行调质处理的wNi为5%的镍钢及一般调质处理的wNi为8%的镍钢开发成功。到20世纪80年代末已开发出约100种低温用钢。液化丙烷(LPG)及液化天然气(LNG)的沸点非常低，它们的贮藏及输送装备必须用低温韧性优良的材料来制造。由于铁素体系钢的破坏形态随着工作温度的降低会发生有延性破坏到脆性破坏的转变，所以其工作温度不能在这个转变温度以下。钢中的镍含量对这个转变温度有明显影响，转变温度随着钢中镍含量的增加而下降。液化丙烯用正火或正火加回火非调质的wNi为2.5%的镍钢，液化乙烷选用wNi为3.5%的镍钢，而欧美等国则选用5%Ni钢等镍含量较高的材料。从-162的液化天然气(LNG的主要成分是甲烷)到-196的液化氮气则广泛使用铝合金及wNi为9%的镍钢等。液化天然气可使用ASTM认可的经三段热处理的wNi为5%、6%的镍钢或调质的wNi为8%的镍钢。此外，日本焊接协会标准WES-3003低温用钢板判定标准规定：在液氮-196以下温度要使用无脆性转变的面心立方材料，如铝合金及奥氏体不锈钢(Cr-Ni系或非Cr-Ni系)等1。液化丙烷(LPG)、液化天然气(LNG)以及液氮它们基本都是以储罐或是管道的形式进行贮藏和输送。管道输送不仅只适用于大批量的输送，而且建造时间长以及成本比较高都成为管道发展的一个瓶颈。而对于储罐，我们不仅可以用它来进行贮藏，而且在输送的过程中可以到达很多管道无法道达的地方，并且能快速的将所需的液化气体小批量多批次地及时送达，因此低温用储罐的发展及研究得到了人们的广泛关注。而绝大多数的低温用储罐都是通过将低温用钢材经过一定的成型，最后通过焊接成型的工艺制造的，因此低温用储罐的焊接也成为人们广泛研究的方向。1.2 低温储罐用钢概况我国低温钢现行标准GB 3531低温压力容器用低合金钢钢板中规定16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR三种低温钢，其中16MnDR为无镍低温钢，15MnNiDR、09MnNiDR是两种有镍钢，使用温度从-30-70，除GB 3531规定的三种低温钢外，07MnNiCrMoVDR由于其良好的低温冲击韧性，在-40的低温冲击功值大于等于47J，在GB 1501998中被推荐为低温用钢2。16MnDR钢是制造-40低温设备用的经济而又成熟的钢种，可制造液氨等设备。15MnNiDR和09MnNiDR属镍系低温钢，具有良好的低温韧性和焊接性。-70级的09MnNiDR低温钢在乙烯、化肥、城市煤气、二氧化碳等低温装置中得到了广泛的应用。这样，在我国只有标准规定的设计温度大于等于-70的低温用材料，当设计温度低于-70时就必须选用价格较贵的国外材料或不锈钢材料了。到目前为止，我国的低温钢材料没有形成一个完整的体系，而且在品种、规格尺寸、某些技术条件以及供货时间和经济性要求等方面还不能满足使用要求，以致需要大量从国外进口低温钢材料。国外研制、使用低温钢已有七、八十年历史，己建立了完善的低温钢体系，低温钢品种繁多，质量优良，而国产低温钢尚未形成体系，而且品种也较少，国内大部分低温钢市场被国外所垄断。ASME规范推荐使用的低温钢主要是无镍、有镍(5%Ni、8%Ni、9%Ni)、不锈钢及铝合金。无镍低温钢的使用温度在-60以上，有镍低温钢、不锈钢及铝合金的使用温度可达到-196以下。ASME规范要求低温时使用的镍系低温钢SA353、SA553、SA645要进行低温冲击试验，并规定了其试验方法和合格标准，冲击试验的温度应是受压时的最低温度或储存低温液体的温度二者之中较低的温度。ASME规范所推荐的低温钢因其优越的使用性能，得到世界各国的广泛使用，我国正在建造的大型低温储罐大都使用美国ASME规范的低温钢材料3。1.3 本课题研究的意义及内容本试验用钢是由武汉钢铁集团研制生产的09MnNiDR钢板，厚度为24mm，交货状态为正火；09MnNiDR 钢是目前国产钢中使用温度最低，作为-70级 0.5%Ni低温钢代替进口低温钢材得到了较广泛的应用。09MnNiDR 钢板的技术条件已处于国际领先水平。该钢作为-60-70低温压力容器用钢及配套焊接材料的研制工作，是“七五”国家重大技术设备科研攻关的共性技术项目，近十年来已有近20家工厂采用焊条电弧焊、埋弧焊等工艺制造出不同设计温度(-28-65)的产品。到2000年已达到“焊条电弧焊+埋弧焊”-65冲击韧度合格。最近还有用进口 2.5%Ni、3.5%Ni 焊丝、焊剂以满足-70冲击韧度的报道。本次研究在调研国内外低温储罐所使用的钢材、焊材的基础上，国产 09MnNiDR性能进行对比试验、研究。对其进行了焊接性试验、焊接接头断裂性能试验、金相及硬度试验、破坏性试验等。以评定09MnNiDR低温钢材的综合性能,论证其在液化石油气(LPG)低温储罐建设中的重要性，完善低温低压液化石油气钢制焊接储罐施工与验收规范。第2章 低温储罐的焊接理论基础2.1 低温储罐所用金属材料低温容器所用金属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-20-40、-50-80、-100-110、-196-269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4。由于合金元素在钢中的固溶强化、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。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见表2-1。表2-1镍元素对于低温钢板的低温韧性影响国别标准号镍含量(%)冲击试验温度()冲击功吸收最小值(J)日本JISG32172.102.50-70213.253.75-101218.509.50-15035 注：以上三种板材厚度均为650mm，同时热处理状态均为正火状态。由以上比较可知：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。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：(一) 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3050mm，要进行淬火和回火或在Ac3和Ac1之间的低温淬火或回火处理。该类钢主要包括0.5%Ni钢、1.5%Ni钢、2.5%Ni钢和3.5%Ni钢几种，使用温度在-50-100以上，该种钢主要用于建设液化石油气储罐，本次实验所选的09MnNiDR就属于0.5%Ni钢。(二) 5.5%Ni钢类它在9%Ni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Mn含量和Cr、Mo元素，防止了回火脆化，其性能与9%Ni钢相似，但更为经济。该类钢主要指N-TUF CR196。(三) 9%Ni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。9Ni钢在液化天然气沸点-162甚至更低的-196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LNG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LNG储罐及设备。对于两种常见的9%Ni钢(美国标准ASTM A553 72A1和日本工业标准JIS SL9N60)，使用时冷加工变形量超过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。表2-2化学成分要求元素含量%C0.24P0.035S0.035Mn厚度40mm熔炼分析0.700.35成分分析0.641.46厚度40mm熔炼分析1.001.60成品分析0.921.72Si熔炼分析 0.100.50成品分析0.130.55Ni熔炼分析0.25成品分析0.28Cu熔炼分析0.35成品分析0.38Cr熔炼分析0.25成品分析0.29Mo熔炼分析0.08成品分析0.09注：适用于熔炼分析和成品分析熔炼分析锰含量可超过1.35%，最大可达1.60%，熔炼分析镍含量可以超过0.25%，最大可以达到0.50%，只要当按照下列公式计算的熔炼分析碳当量不超过0.57%。CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15当实行这一选择时，成品分析锰含量不超过熔炼分析含量的0.12%，镍含量不应超过0.03%。在国际工程中低温储罐使用钢材主要有ASME A537系列的碳锰硅钢板，该钢板制造过程中一般符合A20/A20M标准中奥氏体晶粒的要求，并且要求进行正火或淬火加回火的热处理过程，一般回火温度应不低于595(1100F)，保温12h以上。该种钢板常规化学成分要求见上表表2-2所示。建设LPG低温储罐的常用国产材料是碳-锰-硅类钢，由于受到生产等因素的影响，就目前使用情况来看一般用于建设常温下的LPG储罐和-50以上的低温储罐，这类钢主要指09MnNiDR、15MnV、15MnVR、CF-62(07MnNiCrMoVDR)和16MnR(WH510)5。这几类钢的使用情况及相应的设计参数见表2-3。表 2-3 低温储罐常用国产材料应用举例公称容量(m3)设计压力(Mpa)设计温度()所用材料设计规范储存介质建造年月投产年月建设地点主要特点4001.6常温15MnVJB1127-70LPG1976.91977.10湖北武汉中国首台运行爆炸球罐10001.6常温15MnVRJB1127-70液态烃1972.51973.10湖南岳阳中国首台国产大型LPG球罐10002.16-1550CF-62GB12337-92液态丙烯1993.11993.3湖南岳阳中国首批国产CF钢丙烯球罐近几年高韧性16MnR(WH510)钢由于其韧性高、焊接性能好而引起厂家们的逐渐重视。该储罐所用的球壳钢板为武汉钢铁公司生产的16MnR(WH510)钢板，这类钢板在经过热加工、焊接、SR(去应力处理)处理后仍然保持稳定的铁素体+珠光体组织，另外充分利用钢中的Ni元素的固熔强化及微量元素Nb、V碳化物的析出强化，使原始奥氏体晶粒充分细化，以保证其正火后具有优良的韧性。16MnR(WH510)的化学成分及力学性能要求见表2-4、表2-5。09MnNiDR属于另一类很重要的低温碳锰钢，该钢种的熔炼生产过程与WH510相似，是基于WH510基础上的一种新型改进钢种，保留了WH510常规力学性能稳定、冲击韧性高等优点的同时降低了Mn元素的含量，使用温度可以达到-70。09MnNiDR的化学成分及力学性能试验数据见表2-6、表2-7。表2-4 16MnR的化学成分元素CSiMnPSNiVNb含量(%)0.20.200.551.201.600.0250.0150.300.050.035表2-5 16MnR的力学性能要求交货状态取样方向板厚(mm)拉伸试验冲击试验冷弯试验sb5温度()冲击吸收功(J)180正火横向101634551064021-2047D=2a163632549062037D=3a3660305470600表2-6 09MnNiDR的化学成分化学成分(%)CSiMnPSCuNiNbAl0.090.341.460.0190.0060.030.520.030.005表2-7 09MnNiDR的力学性能拉伸试验弯曲试验冲击试验(-70)sb5D=2a冲击吸收功(J)370Mpa505Mpa35%148、126、93由表2-7看出09MnNiDR钢板的低温韧性较16MnR(WH510)钢和常用的进口材料有了一定的提高，可以用于考虑建设LPG储罐。这也是本次低温储罐综合研究选取09MnNiDR钢板替代进口钢板的重要原因之一。2.2 低温储罐用焊接材料考察LPG低温储罐用焊接材料是为了研究在与母材相匹配的条件下，焊接接头的各种性能，从而保证低温储罐的使用寿命。首先焊接界对于低温用的焊接材料主要考虑的是9%Ni类钢。在1973年英国伦敦举行的低温容器焊接会议上专门有一部分是针对焊接9%Ni钢用的焊接材料。就低温焊条来讲，比利时焊接工作者发现，焊接过程完成以后，由于母材金属对于填充金属的稀释作用使得接头的整体力学性能受到一定影响，直流焊接时存在磁偏吹现象，应采取交流焊接，同时使得焊缝金属无论在常温或者-196情况下均保持奥氏体组织，从而保证了焊缝金属的热膨胀系数与所用母材接近，常规力学性能和夏比冲击韧性值均超过母材，并且焊缝金属熔合线附近没有削弱的现象。针对9%Ni钢焊接用的焊丝，LINCOLN公司曾经推出镍基的LNCONEL82，该焊丝的生产标准为AWS4.18，但这种焊丝焊出的焊缝金属的伸长率0.2远远小于母材金属的同类数值，后来该公司又推出镍基焊丝LNCONEL625，这种焊丝焊出的焊缝金属强度虽然接近要求的值，但其热膨胀系数比9%Ni钢大很多，这使得该焊丝的使用受到一定限制。后来英国焊接工作者在80Ni-20Cr-C焊丝的基础上通过调整碳、锰含量，以及增加相应的Nb含量，研制出一种新型的焊丝，该焊丝在保证中低Ni焊接材料80Ni-20Cr-C焊丝优点的基础上，消除了该焊丝易出现热裂纹的缺陷，同时提高其冲击韧性6。国外部分低温钢焊接材料熔敷金属性能见表2-8和表2-9。表2-8国外部分低温钢焊接材料熔敷金属化学成分焊条牌号化学成分(%)CMnSiPSNi日本神钢NB-10.061.120.580.010.0061.60日本神钢NB-20.060.890.490.010.0062.41日本日钢N-110.071.150.490.0120.0071.62法国沙福N550.051.00.402.4德国TENACITO70B0.051.100.302.4瑞典 OK73.660.060.90.350.0270瑞典 OK73.6652061026-60105最近几年，国内焊接研究人员已经开始着手研究低温储罐技术，其中包括低温储罐使用的埋弧焊焊接材料及焊缝低温韧性研究。工作表明对于C-Mn-Si、C-Mn-Si-Ni系低温钢埋弧焊焊丝，宜适量过渡的主要合金元素Mn、Ni、Si，对于提高焊缝金属的低温韧性起主导作用，同时从焊丝中适量过渡微量元素可以改善焊缝金属的低温韧性。同时国内焊接工作者也对于国产的低温板材的低温性能做了初步的研究。研究结果表明武汉钢铁公司生产的09MnNiDR钢板，在一定情况下可以在-60以上的低温环境中使用。当环境温度较-60低时，应当重新进行系列试验，以评定其各项性能指标是否符合该环境的使用要求。国内部分低温钢焊接材料熔敷金属化学成分见表2-10，其力学性能见表2-11(测试性能按GB/T 5118-1995进行)。表2-10国内部分低温钢焊接材料熔敷金属化学成分焊条牌号化学成分(%)CMnSiPSTiNiGJW607R0.0511.420.310.0120.0070.020.81GJW707R0.0501.480.320.0120.0070.020.91YTW6070.051.320.390.0090.0080.78YTW807A0.0531.310.500.0120.0071.50表2-11国内部分低温钢焊接材料熔敷金属力学性能焊条牌号s(Mpa)b(Mpa)5(%)冲击吸收功温度()(J)GJW607R47555829-60116GJW707R45054031-60123YTW60749557529-60173YTW807A49559028-801062.3 低温储罐用钢的焊接性低温储罐用钢是具有高强度钢的各种性能，所以其生产过程也基本相同。实际上，一部分低温缺口韧性较好、韧脆转变温度较低的低碳低合金高强度钢也可以作为低温储罐用钢。因此，低温储罐用钢的焊接性与高强度钢的焊接性是相通的。作为低温储罐用钢，对其力学性能有着特殊的要求，就是要具有优良的韧性，尤其是要具有优良的低温韧性。因为钢材的韧性一般都是随着温度的下降而降低，低温下易于发生毁灭性的脆性断裂7。2.3.1 低温储罐用钢焊接接头的组织和性能低温储罐用钢焊接接头同样包括焊缝金属、焊接热影响区和母材三个区，如图2-1所示。焊缝金属是被焊接热加热熔化了的母材和填充材料经过化学冶金反应后，冷却凝固的铸造组织；而热影响区则是靠近焊缝金属，由于热传导作用、与焊缝处于不同距离、经历不同热循环、或者说被加热到不同温度的母材金属。当加热到不同温度的金属，经历了不同的热循环，会发生不同的金属学过程，从而得到不同的组织8(见表2-12)。图2-1 电弧焊焊接接头各区的名称及位置表2-12 碳钢的焊接热影响区组织名称大体的加热温度组织变化焊缝金属熔化温度以上结晶后呈树枝状组织粗晶区大于1250晶粒粗大，脆硬组织，易产生各种裂纹混晶区11001250晶粒和韧性等力学性能处于中间细晶区9001100加热到Ac3以上，发生再结晶而晶粒细化，韧性等力学性能良好部分相变区750900加热到Ac1Ac3之间，只有部分珠光体被加热而转变为奥氏体并被球化，含碳量较高，慢冷时可转变为细化的珠光体加铁素体-珠光体共析组织。韧性等力学性能较好，快冷时可转变为高碳马氏体，韧性恶化脆化区300750热应力及析出脆化，显微镜下几乎看不到组织变化母材区室温300未受加热影响的母材焊缝金属与焊接热影响区的交界区，也可以叫做结合区、半熔合区、熔合线区等，一般也指加热到1250以上的区域，又可以叫做焊接热影响区过热区。这个区域的热循环特点是加热温度高、冷却速度快；组织特点是晶粒粗大、淬透性强；性能特点是硬度大、韧性低、韧脆性转变温度高、易产生各种裂纹(包括延迟裂纹、低塑性裂纹、液化裂纹、再热裂纹、剥离裂纹及层状撕裂等)。(一) 焊缝金属的组织和韧性焊缝金属是被焊接热加热熔化了的母材和填充材料经过化学冶金反应后结晶的部分，其组织包括基体组织特性(如晶格类型、固溶体结构、基体晶体结构组成等)、析出物(包括其强化析出相的种类、形态、尺寸、分布等)、夹杂物(包括种类、形态、尺寸、分布等)及晶粒尺寸(包括晶粒和亚晶粒形态、尺寸等)。焊缝金属的缺口韧性受母材、焊接材料、焊接方法及焊接条件的影响，从金属学上来说，可归纳为晶粒尺寸、析出物及基体组织特性等三大要素。其中，影响其晶粒尺寸的有合金元素、冷却、钢板啊厚度、焊接方法及焊接条件等；析出物的成分和形态则决定于合金元素及夹杂种类、焊接方法及焊接条件等；决定基体组织特性的则有合金元素、晶体组织特征、固溶强化形式等。总而言之，最终影响焊缝金属缺口韧性的还是焊接金属的组织最为重要9。(二) 焊接热影响区的组织和韧性在被焊工件的材料决定后，焊缝金属的组织和韧性就由焊接材料、焊接方法和焊接条件所决定，而焊接热影响区的组织和韧性就只能由焊接方法和焊接条件来决定。那么，焊缝金属完全可以用选择焊接材料的方法加以改善，而焊接热影响区的改善就只能靠选择合适的焊接方法和调节焊接条件。对于焊接热影响区来说，焊接过程就是一个特殊的热处理过程。它涉及的过程十分复杂，根据与焊缝金属距离的远近，最高加热温度是从母材金属的熔点一直到室温。热对于焊接热影响区的任何一点来说，在整个焊接过程就经历了从室温加热到最高温度，又从最高加热温度冷却到室温的过程。这一整个过程被叫做焊接热循环，这个过程也就是个特殊的热处理过程。与焊缝金属距离的不同，也是其最高加热温度不同。从表2-12可以看到，焊接热影响区被加热到最高温度的粗晶区是整个焊接热影响区的韧性最差的区域，在热处理过程中对材料有影响的主要是加热温度、保温时间及冷却速度。对焊接热影响区来说，最重要的是冷却速度。由于焊接热循环曲线的冷却段是一条连续的曲线，各温度下的冷却速度是不同的，因而往往用某一特定温度区间的冷却时间来代表这一特定温度区间的平均冷却速度10。2.3.2 焊接过程中所产生裂纹及防护措施焊接裂纹是焊接结构发生破坏的源头，因此，防止焊接裂纹对于保障焊接结构的安全是非常重要的。在焊缝金属产生的有：弧坑裂纹、热裂纹、纵向裂纹、横向裂纹；焊接热影响区产生的冷裂纹有：焊道下裂纹、根部裂纹、焊趾裂纹等。此外，还有层状撕裂等。除以上在焊接时或焊接后产生的裂纹外，还有焊后热处理产生的再热裂纹以及焊接结构在使用时产生的应力腐蚀裂纹、疲劳裂纹以及异种材料堆焊产生的剥离裂纹等。根据产生裂纹时的温度可以分为热裂纹和冷裂纹，焊接时伴随焊接金属的凝固产生的裂纹叫热裂纹；焊后经过一段时间，在Ms点或300以下产生的裂纹叫冷裂纹。其中焊接热裂纹包括焊缝金属和焊接热影响区在高温下产生的裂纹。焊缝金属的凝固产生的裂纹叫结晶裂纹；焊接热影响区在高温下由于晶界局部熔化而产生的裂纹叫做液化裂纹。我们可以通过降低碳、硫、磷、硼及控制镍、硅等的含量以及改善焊缝金属形状、焊接接头形式及焊接条件等来防止焊接结晶裂纹的产生。而焊接冷裂纹包括氢致延迟裂纹、低塑性裂纹等。所谓氢致延迟裂纹，就是由于氢气的存在而发生的具有延迟特征的裂纹，这种延迟可以在焊后几分钟至几天后发生，可以在晶内，也可以在晶界发生。产生氢致延迟裂纹的影响因素有三点，即焊接接头的淬硬性、焊缝金属的扩散氢含量、焊接接头的拘束应力，也就是所谓的产生氢致延迟裂纹的三要素，这三要素缺一不可。其防止氢致延迟裂纹的工艺措施有：焊条电弧焊时，焊条应严格按照说明书的要求烘干及保存；增大焊接热输入或提高预热及层间温度以延长冷却时间；在焊接接头冷却到200以上，就进行紧急焊后热处理；选择能够降低拘束应力的焊接顺序。总之，为防止氢致延迟裂纹的产生，要从材料和工艺上综合考虑，还要考虑这些措施的经济性、可行性及可靠性等11。2.4 低温储罐焊接工艺方法一般来说，低温钢在焊接方法与普通低碳钢的方法一样，可以应用各种熔焊、压焊、钎焊等各种焊接方法，但是，最常见的还是焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊、CO2气体保护焊12。目前主要以焊条电弧焊为主，其次是埋弧焊与钨极氩弧焊。焊条电弧焊的焊接效率比较低，熔化极气体保护焊为保证质量一般采用脉冲电流来进行焊接。埋弧焊是一种效率较高的焊接方法。钨极氩弧焊能保证焊接接头具有较高的质量，生产率低，成本较高13。在大规模的实际工程中，焊接工艺方面的影响因素一般包括焊前准备、焊接过程、焊后热处理等几个方面。在焊前准备中又主要以坡口设计为主，其中最为常见的坡口形式包括X形、Y形，局部地区用到I形和U形两种。坡口角度大小实际反映了熔敷金属填充量的大小，所以改变坡口角度也就是改变焊道数目。以3.5%Ni钢单面焊返修工艺为例，说明坡口角度对于焊缝低温冲击韧性的影响，具体影响见表2-13。表2-13 坡口角度对于焊缝低温冲击韧性的影响破口型式角度焊缝中心冲击吸收(J)(-100)V型带钝边6023.015.816.77517.126.318.09026.519.118.710517.025.114.8由表2-13可以看出随着坡口角度的逐渐增大,焊缝低温冲击韧性随之增大,直到坡口角度为90时达到最大值,以后随坡口角度增大，焊缝金属的低温冲击韧性减小。另外坡口加工方法对焊缝低温冲击韧性并无明显影响,一般碳弧气刨比直接砂轮打磨焊缝低温冲击韧性低。这主要是因为留下的渗碳体进入焊缝,促使碳偏析而使Mn和C比例失调,导致C与Fe结合形成碳化物,增加了钢的脆性14。表2-14 预热、层间温度对焊接接头低温性能的影响温度()预热室温5080100120100120层间室温5080100120250350冲击吸收功(J)(-100)10.318.621.613.017.913.525.417.711.620.719.320.8焊接过程中又主要以焊前预热、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，焊缝低温性能会受到影响，同样层间温度过高，焊缝低温冲击韧性损失也比较大。100150的预热温度及层间温度对保证焊接接头低温性能比较有利。预热、层间温度对焊接接头低温性能的影响见表2-14，焊接热输入对低温韧性的影响见表2-15。表2-15 焊接热输入对低温韧性的影响焊接热输入(J/cm)电流(A)电压(V)线速度(cm/min)冲击吸收功(J)(-100)15.71402412.821.017.616.320.11452410.317.315.815.125.6150258.813.715.612.0由表2-14可知较小的热输入下焊接接头的低温冲击韧性比较高。不同的焊后热处理工艺对改变焊缝部位低温韧性有不同的效果，其中625加热1小时后空冷可使低温性能最好，而625加热1.5小时后炉冷将使低温性能损失最大。具体数据可见表2-16。表2-16 焊后预热PWHT对焊接接头低温性能的影响焊后热处理焊态5501.5h空冷6251.5h空冷6251.5h炉冷-100的冲击吸收功(J)13.115.723.58.618.817.628.07.310.716.021.311.6由于外加磁场和电流本身产生的磁场作用，在进行9%Ni钢焊接过程中一般会出现磁偏吹现象，磁偏吹力的大小受到外加磁场和电流本身产生磁场的电磁力影响，同时还决定于母材的剩磁强度大小。在进行9%Ni钢焊接过程中，磁偏吹是引起未焊透、未熔合、咬肉等缺陷的主要原因。消除磁偏吹应做到以下几点：焊接母材从钢厂运到工地的过程中要避免磁化的可能，不准许用磁力起重机。焊接过程中合理的连接地线和焊接电缆，注意电缆的走向和布线方式，同时电缆线不要和工件表面接触，可以采用绝缘支架的形式架离表面。在焊完一层焊道后，测量焊缝的各点剩磁强度，若超过规定指标则应采取去磁措施。常用的去磁措施一般包括永久磁铁相反极性去磁、焊缝后面垫加临时低碳钢板短路去磁。尽量采取交流短弧焊接15。2.5 低温储罐用钢焊接条件的选择低温储罐用钢焊接要在防止发生裂纹的前提下，确保焊接接头不发生脆性破坏。焊接冷裂纹及焊接接头脆性的共同影响因素是焊接热循环，而焊接热循环的重要参数是焊接接头的冷却时间，而影响冷却时间的因素有板厚、焊接形式、坡口形式、焊接区气体、环境温度、焊接方法、预热和层间温度、焊接参数等。其中最重要的是预热和层间温度及焊接参数等16。2.5.1 控制焊接热输入焊接热输入的数学表达式为： (2-1)式中，E为电弧电压(V)；I为焊接电流(A)；V为焊接速度(cm/min)17。控制焊接热输入的只要目的是防止焊接裂纹及焊接接头脆化。对防止焊接裂纹要确定一个焊接热输入的下限值，实际上是确定一个临界冷却时间；而为防止焊接接头脆化，则要确定一个焊接热输入的上限值。当然，还要确保焊接接头的抗拉强度及伸长率。其焊接热输入就是要控制在上述下限之上与上限之下。焊接热输入的控制就是要根据不同焊接方法来考虑用调整焊接工艺条件及预热温度的方法来调节冷却时间，这个我们可以利用临界冷却时间的数学表达式：来估算。该式的t8/5即为临界冷却时间。对于防止焊接冷裂纹，两个冷却时间是很重要的，一个是影响扩散氢扩散析出的自电弧通过到冷却至100的冷却时间t100，另一个是影响淬硬性组织的从800冷却到500的冷却时间t8/5。对于防止焊接接头脆化的评估，可以利用SH-CCT图。但是，实际上，焊接接头进行多层焊的情况比较多，这时的焊接接头受到多次热循环作用，由于焊接顺序安排及层间间隔时间的不同，其焊接热循环也很不同，因而，对焊接接头脆化的影响也是很复杂。不过，多层焊时，如果焊接顺序安排及层间间隔时间安排妥当，也可以收到既能防止焊接裂纹又能防止焊接接头脆化的双重效果。根据SH-CCT图我们能够希望得到焊接热输入与焊接接头缺口韧性之间的关系，以确定采用焊接方法及焊接热输入。2.5.2 预热和后热为了防止焊接冷裂纹，采用预热和后热措施是很重要的。预热和后热使用的热源，由于其强度不同，若要达到相同的预热和后热温度，其加热速度、加热时间及加热宽度则是不同的，同时也就影响力焊接热循环。预热和后热的加热方式有气体加热、红外线加热器加热、电阻加热及感应加热等18。表2-17给出了预热和后热所使用的热源的加热速度的研究结果。表2-17 预热和后热所使用的热源的加热速度热源种类气体加热电阻加热红外线加热器加热加热速度(/s)0.20.40.0250.050.10.4关于预热对焊接接头冷却时间的影响，还受到预热方法、预热范围、预热速度、预热温度和保持时间、板厚等的制约。为了防止焊接冷裂纹，采用预热和后热并用的措施则更加有效，还可以降低预热温度，这对于焊接接头吸收扩散氢的扩散逸出是非常有效的，图2-2为后热温度及保温时间对焊接接头吸收扩散氢的扩散逸出的影响。图2-2 后热温度及保温时间对焊接接头吸收扩散氢的扩散逸出的影响在多层焊的时候，若在产生焊接冷裂纹之前就焊接下一层，则是对上一层进行了再加热，这就使产生冷裂纹的危险大大减少。由于多层焊的断续加热作用，而使其平均扩散氢含量比单层焊要降低40%。但由于按层积累的原因，焊层序号数越大，该道焊缝金属中的扩散氢含量就越多。因此，最后一道焊缝金属中的扩散氢含量最大，在该焊道下积聚的扩散氢含量也最大；而同时，由于这时的焊缝金属厚度最大，这里的焊接残余应力也最大，因而其产生冷裂纹的危险也最大。所以，采用预热和后热，尤其是后热是十分必要的。往往再焊一道回火焊道，即可以加速扩散氢的扩散逸出，有利于防止焊接冷裂纹，还可以对焊接接头产生回火效应，也有利于防止焊接接头脆化。之后再加工去除这一回火焊道即可。测量预热和后热温度可以使用温度笔、表面温度计、热电偶、红外线温度计等。预热和后热温度(包括层间温度)都由操作者自己控制，一般将其控制在已定的上、下限温度之间。以电阻作为热源时，温度的变动较小，控制的较精确，还可以使用自动控制装置及自动记录仪，其在脱氢的后热处理时温度控制较好。2.6 焊接缺陷对接头性能的影响通常总是希望焊接接头能够与母材有相同性能，但是材料经过焊接之后，无论从组织结构上还是化学成分上，都是很难与母材完全一样。因此，焊接接头能够与母材有相同性能是不可能的，更何况经过焊接之后，还会不可避免地存在各种各样的焊接缺陷，会产生应力和变形，其中还有应力集中和形变集中，造成材质和力学上的不连续，从而造成性能上的不连续。低温用储罐是用于储存温度较低且压力较大的液化气体，因此对焊接缺陷的研究是必不可少的。2.6.1 焊接缺陷的分类广义上来说，焊接缺陷可分为如下几类：1. 尺寸形状的不连续：焊缝堆高、错边、焊缝成型不良等。2. 表面缺陷：未焊透、咬肉、皱褶、凹陷、表面裂纹等。3. 内部缺陷：内部裂纹、气孔、夹杂、熔合不良等。4. 材质不均匀：如化学成分及组织上的不均匀等，又分为宏观和微观两方面。(1)宏观的不均匀有：焊缝金属和热影响区 与母材在材质上的差异、异种材料焊接接头与包覆材料及复合材料的材质变化、焊接热影响区与附近地区在性能上的差异、硬化区、软化区、脆化区等；(2)微观的不均匀有：焊缝金属的化学成分、杂质的偏析、非金属夹杂物的存在、接头区附近焊接热影响区的组织变化、因稀释或扩散引起的异相共存、析出时效和应变时效、氢脆等。5. 焊接残留应力和焊接变形：内应力、外拘束、焊接收缩、角变形等。2.6.2 应力集中的影响这些焊接缺陷对焊接接头性能的影响是值得研究的。其中，应力集中和变形集中对冷裂纹、液化裂纹、再热裂纹、韧性、疲劳性能、应力腐蚀裂纹、腐蚀疲劳、氢脆、蠕变及热疲劳都有重要的影响。一般来说，应力集中区的最大应力与平均应力之比叫做应力集中率；无应力集中与有应力集中的断裂强度之比叫做缺陷系数。应力集中通常并不会造成强度按比例的下降，在静载荷情况下，也不必考虑其在室温附近对材料韧性有什么影响，但是，在承受交变载荷时，应力集中将使强度下降，下降的程度根据材质的不同而变化。而对与低温储罐长期在低温条件工作其压力较大，会对焊接部位形成长期的压应力，造成压力集中。因此在制造过程中应尽量减少应力集中现象。2.6.3 焊接缺陷的影响缺陷的尺寸大到一定程度时，在低温下就会引起低应力脆性断裂，缺陷对材料强度影响的程度受到材料的尺寸、缺陷的尺寸、形状和位置、材质、工作温度、负载条件、环境条件的影响。在这里，首先要求出应力集中率，然后从表面缺陷与使用性能之间关系的实验数据来推定，在根据对性能的要求及对缺陷检查出来的能力来决定容许缺陷的临界尺寸。在液化丙烷(LPG)、液化天然气(LNG)以及液氮的贮藏和运输过程中一旦有低应力脆性断裂的发生将造成整个储罐的爆炸，从而造成人员和财产的损失。由于焊接缺陷的尺寸、形状