9Ni钢大型LNG低温储罐的焊接施工.doc

9%Ni钢大型LNG低温储罐的焊接施工 作者：耿万军摘要：中国石化集团第四建设公司在2004年承揽了位于深圳市东部大鹏湾东岸秤头角的国内首个大型LNG接收站罐体工程，负责3台16万立LNG低温储罐的施工，历经3年磨砺在大型LNG低温储罐施工上积累了经验，特别是针对9%Ni低温钢的焊接技术有了很好的掌握。大型 LNG低温储罐内罐材料采用9%Ni钢，该钢种在焊接冶金反应和热循环的作用下，其组织和成分改变，产生脆硬相，低温性能下降，冷热裂纹倾向增大，焊接施工比较复杂；分析了9%Ni钢低温储罐的焊接特点，介绍了9%Ni钢低温储罐采用的埋弧自动横焊和焊条电弧焊焊接工艺，以及现场焊接中容易出现的焊接缺陷及应对措施；通过对9%Ni钢焊接技术的摸索和焊接过程中焊接工艺的严格控制有效地保证了大型LNG 低温储罐焊接施工质量。关键词：LNG低温储罐；9%Ni钢；焊接工艺；常见焊接缺陷引言目前世界上建造的LNG储罐越来越多，9%Ni钢是国际上LNG储罐广泛使用的钢种，其焊接性能良好，焊接工艺越来越完善。近年来，我国大力推广实施清洁能源战略，国内中石油、中海油及各个地方开始了9%Ni钢低温储罐的焊接制造。9%Ni钢的技术含量高，焊接难度大，该钢种在焊接冶金反应和热循环的作用下，其组织和成分改变，产生脆硬相，低温性能降低，冷裂纹、热裂纹倾向增大；9%Ni钢焊接施工必须解决钢材焊接的裂纹倾向、低温韧性的下降和磁化问题。2004年中石化集团第四建设公司承揽了位于深圳市东部大鹏湾东岸秤头角的国内首个大型LNG接收站罐体工程，负责三台国内最大的16万立LNG储罐的罐体安装工作，罐体为全容式低温储罐，设计温度168，其中内罐直径80m，高度35.43m，内罐壁板、内罐底板以及第二层底板为ASTM A553M Type1的低温钢（9%Ni钢）。1. 9%Ni钢的性能分析选用美国（ASTM）A553M Type1的材料，供货状态为淬火+回火（QT）状态，材料经淬火处理后可以得到晶粒细小的马氏体组织，其后的回火处理（温度580）又使马氏体组织又转变为铁素体和细小的析出碳化物，同时可获得少量的弥散奥氏体，从而母材的韧性大大改善。钢材的化学成分和机械性能如表1和表2所示。表1 9%Ni钢的化学成分国家标准CSiMnSPNi美国ASTM A5530.130.150.300.90.0400.0358.509.50 表2 9%Ni钢的机械性能屈服强度Rp/MPa(0.2%)抗拉强度Rm/MPa伸长率/%冲击韧性Ak/J(-196)585690825201002. 9%Ni钢焊接性分析2.1 焊接冷裂纹9%Ni 钢自身有较好的抗冷裂的能力 ,正常施焊条件下一般不会产生冷裂纹。但焊接工艺条件不当时 ,存在一定的冷裂敏感性。特别是施焊第一层焊缝时 ,由于根部附近冷却快 ,拘束应力较大 ,如果焊条烘干不足或环境潮湿 ,熔合区有可能出现氢致冷裂纹。尤其是采用低镍高锰型奥氏体焊条时 ,熔合区处会出现高硬度的马氏体带 ,对氢脆较为敏感。只要选用低氢、低碳含量的焊条 ,选用合适的焊接工艺措施 ,特别是焊条烘干、焊接环境温度、层间温度和热输入的合理控制等 ,就可以避免熔合区硬化层的出现、减少氢在硬化层中的积聚 ,从而降低冷裂敏感性 。2.2焊接热裂纹由于9%Ni 钢焊接通常采用高镍焊材 ,焊缝组织为奥氏体 ,因此有一定的热裂倾向。9%Ni 钢焊接时可能出现的热裂纹主要有四种 ,即弧坑裂纹、高温失塑裂纹、液化裂纹和折叠中的显微裂纹或疏松 。研究表明 ,高温失塑裂纹和液化裂纹常产生于奥氏体焊缝 ,显微疏松主要出现在熔合区。但由于这三种裂纹的尺寸一般较小 ,对储罐的使用不会造成危害。相比之下 ,弧坑裂纹则是需重点预防的。9%Ni钢焊接时弧坑裂纹倾向较大 ,其实质是一种沿晶间开裂的典型的凝固时产生的热裂纹。多层焊时 ,在打底焊的第一层焊缝中 ,弧坑裂纹发生率相当高 ,即使采取措施也很难避免。在其它各层焊缝中 ,也有不同程度的弧坑裂纹倾向。随着焊接层数的增加 ,坡口增宽 ,收缩应变减小 ,开裂几率下降。这种裂纹倾向还与焊接位置有关 ,平焊与横焊的裂纹倾向较大。此外 ,若焊工操作技术不当 ,夹渣较多时 ,焊缝中还会产生以夹渣为裂纹源的热裂纹。要消除以上几种裂纹 ,最根本的办法是减少有害杂质元素 ,选用熔化温度区间范围小或偏析杂质在焊缝金属晶界的分布为不连续状的(非单一奥氏体组织)焊条。此外 ,还需采用正确的收弧技术并配合适当打磨来避免热裂纹的出现。2.3 低温韧性问题9%Ni 钢焊接时 ,焊缝、熔合区和热影响区在焊接后低温韧性都有可能降低。研究表明 ,对低合金高强钢 ,母材组织形态、焊接材料以及焊接工艺参数对焊接接头的韧性都有很大影响作用。焊缝金属的低温韧性主要与采用的焊接材料有关。资料表明 ,采用与 9%Ni 钢成分相同的铁素体型焊接材料时 ,焊缝中含氧量高 ,焊缝的低温韧性很差。通常 ,9%Ni 钢的焊接材料主要采用奥氏体型Ni 基、Fe - Ni 型和 Ni - Cr 型这三种类型。其中 ,Ni基和 Fe - Ni 型焊接材料的低温韧性良好 ,热膨胀系数与9 Ni 钢相近 ,但成本高 ,强度偏低。Ni - Cr 型焊接材料的强度稍高 ,但易在熔合区出现脆性组织 ,低温韧性较差。熔合区的低温韧性主要与所出现的脆性组织有关。采用成分异于母材的焊材进行焊接时 ,焊缝与母材间合金元素的浓度梯度导致熔合线附近焊缝中的合金元素被稀释 ,同时母材中的碳则向熔合线和焊缝迁移 ,往往导致熔合线附近形成板条马氏体和孪晶马氏体组成的富合金马氏体脆硬层 ,促使熔合区的韧性下降。焊接热输入、层间温度是焊接热影响区低温韧性的主要影响因素。焊接热输入和层间温度的改变会导致焊接热循环的峰值、温度相应改变 ,从而影响热影响区的金相组织。研究表明 ,逆转变奥氏体有利于改善9%Ni钢焊接热影响区的低温韧性。如峰值温度过高 ,会使逆转变奥氏体数量大大减少 ,并产生粗大的贝氏体 ,从而使低温韧性下降。逆转变奥氏体的减少与贝氏体组织的出现 ,均会导致低温韧性的降低。因此 ,实际焊接过程中 ,应该对热输入和层间温度进行严格的控制 ,尽量采用多道、多层、较小的热输入进行焊接 ,以使焊接接头的热影响区获得较多的逆转变奥氏体 ,减轻低温韧性的下降。由于后续焊缝具有回火作用 ,逆转变奥氏体的数量会有所增加 ,可使韧性改善。有关资料表明 ,9%Ni 钢焊接时热输入应为 735 KJ/cm,层间温度应在 100以下 。3. 9%Ni钢焊接工艺3.1焊接方法及焊接电源的选择根据大型LNG低温储罐的结构特点，目前9%Ni钢低温储罐罐体纵焊缝采用焊条电弧焊；环焊缝采用埋弧横焊，采用单面送丝双面焊剂保护的焊接方法，采用焊剂背保护主要为了防止9%Ni钢焊接材料合金成分烧损。由于9%Ni钢易磁化，采用直流电源时易产生磁偏吹现象，影响焊接工艺的稳定性，并直接影响到焊接接头的质量，因此工程中通常采用交流电源。 3.2焊接材料的选择若采用与9%Ni钢成分相近的焊接材料，焊后不经热处理，焊缝的低温韧性要低于母材，所以这种焊接材料很少应用；根据生产经验，可以选用含镍量较高的奥氏体型的镍基合金焊条，采用高镍焊接材料时，焊缝组织均为奥氏体。这种组织的焊缝强度也略低于母材，且可以保证焊缝的低温韧性。目前LNG工程用9%Ni钢焊接材料在国内尚处于前期研制开发阶段，因此现阶段焊接材料的选用只能依赖于国际市场。深圳LNG项目选购了伊萨公司牌号为OK92.55（ENiCrMo-6）焊条，埋弧焊丝选用的伯乐公司的Thermaint NiMo C276(ERNiCrMo-4)焊丝和marathon104焊剂。3.3焊接工艺参数为满足工程对焊接施工的需要 ,保证焊接后能得到良好的焊缝成形和接头性能 ,必须采用合适的焊接工艺参数，9%Ni钢在焊前一般不需要预热，为防止冷裂纹的产生 ,焊前焊条必须放入烘箱烘干,以降低扩散氢水平。9 Ni钢焊接过程中,应采用多层多道焊工艺 ,焊接热输入尽量控制在735 KJ/cm 之间 ,层间温度应控制在 100 以下。根据已评定合格的焊接工艺评定报告 ,制定了下列两项焊接工艺。3.3.1焊条电弧焊焊接材料:ENiCrMo-6 焊条。坡口形式: 单V形 ,坡口角度605,根部间隙，2 mm,钝边高度2 mm。焊接工艺参数见表3。 表3 焊条电焊弧焊焊接工艺参数焊道层数板厚(mm)焊条直径(mm)焊接位置极性电流（A）电压（V）热输入(KJ/cm)层间温度()正面根焊道1224.93.23GAC9012018216.69.6100填充焊道1224.93.23GAC110130192111.215100背面盖面焊道1224.93.23GAC12013021227.513.2100盖面焊道1224.93.23GAC12013021227.513.21003.3.2 埋弧自动焊焊接材料:ERNiCrMo -4 焊丝，marathon104焊剂坡口形式:单V形 ,坡口角度605,根部间隙00.5 mm,钝边高度3 mm。焊接工艺参数见表4。 表4 埋弧焊焊接工艺参数焊道层数板厚(mm)焊条直径(mm)焊接位置极性电流（A）电压（V）热输入(KJ/cm)层间温度()正面根焊道1224.92.42GAC32034028318.514.1100填充焊道1224.92.42GAC330400283110.117.5100背面根焊道1224.92.42GAC32034028318.514.1100填充焊道1224.92.42GAC330400283110.117.51004. 9%Ni钢常见焊接缺陷及防止措施虽然我们第一次焊接9%Ni钢就获得了巨大的成功，但是在焊接过程中也遇到了很多问题，尤其是埋弧焊。笔者最后对前两台罐的射线底片进行统计，发现未熔合占缺陷总和的63.08%，裂纹占19.80%、圆形气孔占12.75%、夹渣占4.36%；可见未熔合和裂纹是9%Ni钢焊接时出现频率最高的缺陷。对T-1101罐埋弧焊统计后发现未熔合占缺陷总和的84.58%、裂纹占4.67%、圆形气孔占7.94%、夹渣占2.80%。未熔合仍然是埋弧焊最主要的缺陷。究其原因有以下几点：1) 埋弧焊为非明弧焊接，看不到熔池，所以易出现大面积的未熔合；2) 电焊工首次接触9%Ni钢，首次使用交流电焊接，仍然按照焊接低合金高强钢SPV490的方法进行焊接，造成了大面积的返修；3) 层间出现尖锐夹角和沟槽，焊接下一层易造成未熔合；4) ERNiCrMo-4焊丝属于镍基焊材，与我们常用的焊材有很大的区别，它对焊接参数和焊枪角度的组合很敏感，易造成未熔合。根据以上原因我们总结出以下几点防止大面积未熔合的方法，具体如下：1) 上机前对操作手进行正规培训和严格考试，焊接前对操作手进行详细的交底；2) 每台机器配备一个打磨工，对层间进行仔细的清理，尤其是尖锐的沟槽和夹角；3) 让操作手在焊接时继续摸索焊接工艺参数，争取达到最优配置。众所周知裂纹是所有焊接缺陷中危害最大的，众多标准中没有一个允许焊缝中有裂纹，9%Ni钢焊接时裂纹的出现频率仅次于未熔合的，我们也对其进行了仔细的分析：1) 焊接9%Ni钢易出线弧坑裂纹；2) 焊接9%Ni钢易出线热裂纹，这点对长度很短的焊缝尤为明显；针对以上两点我们制定出一些防止裂纹的措施，以提高焊接质量：1) 电焊工操作时尽量将弧坑填满；2) 打底时打磨每根焊条的接头，保证下一根焊条能将裂纹熔化；3) 打底和清根之后增加渗透检验，能有