LNG储罐焊接技术及发展ppt课件

精选,1,刘红坚,2010年9月,LNG储罐焊接技术及发展,精选,2,一、前言,目前世界各国都在积极推动低温液化气的储备。随着我国经济的迅猛发展，我国的能源产业结构也在发生巨大的变化，国家极力支持液化天然气项目的发展，并把实施LNG进口多元化发展战略作为国家能源战略的重要组成部分。06年启动的三大LNG接收站项目广东、福建和上海LNG项目相继投产，目前大连、江苏项目正处施工阶段。,精选,3,LNG接收设施主要由用于LNG接收储存的低温储罐、LNG码头及栈桥区、灌区泡沫站、气化区、增压/冷凝区、火炬区、公用工程、计量输出区、槽车装车区等组成，其中LNG低温储罐的安装是建设的核心和关键。LNG低温储罐通常是双层壁结构的立式拱顶储罐，外壁为预应力混凝土结构，内侧为双层壁钢结构。外层普通碳钢板紧贴混凝土（通过预埋件贴在外罐壁混凝土层内侧并密封焊接），,精选,4,最内层为9%Ni钢（例如ASTMA553Type1等），厚度从下到上呈递减型（16.5万立方储罐内罐底圈壁板为26.2mm，顶圈壁板为12mm），内外层结构间距一般在850mm以上、1000mm以内，中间夹层填充特殊的绝热材料；罐顶也是双层结构，顶板是普通碳钢板，悬挂在外顶层内壁的吊顶是铝板（例如ASTMB209M5083），通过吊杆（SS）与外罐拱顶骨架连接，内外顶之间夹层填充特殊的绝热材料，在顶板外侧为混凝土层。,精选,5,罐底由三层钢板及保冷层组成，最下层底板为碳钢板，底板和次外层底板为9%Ni钢，每两层底板之间铺设泡沫玻璃砖保冷层。储罐罐壁无管口，所有管线都由罐顶开孔与罐内连接。其结构如下图：,精选,6,精选,7,储罐工艺设计数据,精选,8,下面主要以上海LNG储罐的焊接施工为例进行介绍：,二、储罐材料介绍2.1储罐所包含的主要材料外罐：A36、A516Gr380、A516Gr450铝吊顶：B209M5083-O内罐：A553TYPE1（9%Ni钢）螺柱：A108Gr1015、A276TYPE304接管及套管：TP304L、API5LGr.B、A516Gr450,精选,9,2.29%Ni钢介绍9%Ni钢于1944年由美国INCO公司开发发明的一种优良的低温用钢，1948年推向市场。1956年初列入ASTM标准。1960年以前9%Ni钢只能用铁素体焊条焊接，需进行焊后消除应力的热处理，这对于制造大型储罐是一个难题。1960年10月，采用Inconel型焊条焊接9%Ni钢成功，并通过了液氮温度下的爆破增压试验。后来开发的9%Ni钢的双正火+回火(NNT)热处理工艺和淬火+回火(QT)热处理工艺使9%Ni钢的焊接不需进行焊后消除应力的热处理。1962年，ASTM规范认定：,精选,10,板厚不超过38mm的储罐可以不进行消除焊接接残余应力热处理，1963年又扩大到50mm，使9%Ni钢用于大型LNG储罐制造成为可能。1952年,第一台9%Ni钢储罐在美国投入使用。1965年法国用9%Ni钢建造了第一艘LNG油轮JulesVerne号，舱容2.584万m3。日本大规模使用9%Ni钢开始于1969年横滨港建成的3.5万m3和4.5万m3LNG储罐，1977年将Ni9钢列入JIS标准，JISG3127对9%Ni钢的热处理进行了如下要求：双正火+回火处理(NNT)和淬火+回火处理(QT)。1980年日本建成了7.5万m3LNG储罐。,精选,11,1991年JISG3127中明确指出：根据需要可进行中间热处理。1982年后，9%Ni钢已经成为低温储罐主材，逐渐取代了Ni-Cr不锈钢，截止到1995年世界上已建的最大9%Ni钢储罐容积为14万m3。由此可见，9%Ni钢已是国际上低温设备领域广泛使用的钢种，其焊接性能良好，焊接工艺已日臻成熟。而在我国由于对9%Ni钢焊接的研究和应用比较晚，特别是在LNG储罐焊接方面,还没有形成自己的标准，工艺规范也不完善。,精选,12,目前推荐并且常用的热处理方法有三种：(1)NNT处理第一次正火加热至900空冷。第二次正火加热至790空冷，然后在550-580回火后急冷处理后的组织为回火马氏体与贝氏体。(2)QT处理800水淬或油淬，然后550-580回火处理后的组织为低碳马氏体。(3)+双相区淬火+回火(IntercriticalHeatTreatment，简称IHT)一般为800水淬+670水淬，然后经550580回火，处理后的组织为低碳马氏体。,精选,13,Ni是9%Ni钢的主要合金元素，它在该钢中的作用是降低钢的脆性转变温度，提高它的冲击韧性。Mn在该钢中可以细化晶粒，同时还可以提高w（Mn）/w（C）的比值，起到提高钢的韧性，降低转变温度的作用。C在该钢中可以提高钢强度。S、P含量应严格控制，否则会使脆性转变温度升高，增加热裂纹的倾向。因此，为了保证9%Ni钢具有良好的低温韧性，应严格控制该钢中的C、Si等其它元素及S、P等杂质含量。,精选,14,9%Ni钢的化学成分和力学性能(wt,%),精选,15,上海LNG用低温钢板的化学成分及机械性能见下表：,A553TYPE1钢化学成分,A553TYPE1钢机械性能,精选,16,2.39%Ni钢的焊接性能9%Ni钢以其优良的低温性能和焊接性能被认为是制造低温压力容器/储罐的最佳材料，焊接9%Ni钢主要问题是保证焊接接头的低温韧性、防止焊接裂纹、防止电弧磁偏吹等问题，这与焊接材料的类型、焊接热输入、焊接工艺有关。（1）焊后低温韧性下降:焊接接头的低温韧性问题出现在焊缝区、熔合区和粗晶区。焊缝金属的低温韧性与采用焊接材料的类型有关，采用与9%Ni钢成份相同的焊材时，焊缝金属低温性能很差，主要是由焊缝金属含氧量过高造成的。,精选,17,熔合区的低温韧性与所出现的脆性组织有关。当采用Ni13%Cr16%型奥氏体不锈钢焊接材焊接9%Ni时，熔合区的化学成份既非奥氏体钢也非9%Ni钢的成份，而是富含Cr、Mn、W与C的区域。熔合区的硬度明显比焊缝金属的硬度和热影响区的硬度高，熔合区的硬度又随位置的不同而不同，熔合区存在脆硬层，该区域是板条马氏体和挛晶马氏体复合而成。,精选,18,（2）焊接热裂纹采用Ni基、FeNi基或Ni13%Cr16%奥氏体不锈钢焊材焊接Ni9钢时，都可能产生热裂纹，如用25Cr16Ni13Mn8W3焊条焊接Ni9钢时，可能产生弧坑裂纹、高温失塑裂纹、液化裂纹，也可能在熔合区中产生显微疏松。焊接热裂纹易产生在打底焊缝或定位焊缝中。如果夹渣较多时，也能从夹渣处产生裂纹，定位焊时在起弧处也可能产生裂纹。,精选,19,显微疏松或称折叠中的显微裂纹主要产生在熔合区，这种缺陷一般很小，所谓折叠是焊接过程中由于电弧的搅动，把部分母材带入焊缝中造成的。带入焊缝中的这部分母材虽经熔化，但未与焊条金属相混合，其成分基本上是原9%Ni钢的成分，因为焊缝金属的合金元素比母材高的多，其熔点低于9%Ni钢。陷入折叠之中的焊缝金属的凝固晚于周围的折叠金属，因而在它凝固时的不到金属的补充而产生裂纹实际是显微疏松。消除以上裂纹的方法是减少有害元素，采用正确的焊接技术并配和适当的打磨。,精选,20,（3）焊接冷裂纹9%Ni钢与同强度的其它低合金钢相比有较好的抗冷裂性能，在低氢条件下不产生冷裂纹，但采用低Ni高Mn的奥氏体焊条时，因母材稀释作用在熔和区附近会出现高硬度的马氏体带，对氢脆敏感，防止焊接冷裂纹的措施是：施焊中严格执行焊接工艺规程特别是焊条烘干、焊接环境湿度、焊接规范等。采用Ni基焊材时可使熔合区不出现高硬马氏体，有效防止冷裂纹。,精选,21,（4）电弧磁偏吹焊接9%Ni钢时易发生磁偏吹，防止措施是控制母材剩磁率在50高斯以下，但是焊接过程中剩磁率在20高斯以上。因此，应尽量采用交流焊接避免用大电流的碳弧气刨清根，或采用磁铁消磁。,精选,22,三、焊接工作的难点及关键点,在LNG焊接施工中，通过对9%Ni钢的焊接性进行分析，内罐作为储罐焊接施工的核心，其主要焊接难点如下：钢材硬度大，坡口加工的难度较大；钢材易磁化；焊缝易产生冷、热裂纹；焊接电弧的磁偏吹；,精选,23,四、主要应用的规范,目前国内对于低温储罐的施工方面还无具体的验收规范，施工主要参考国外相关规范，焊接工艺评定及焊接施工主要应用的规范如下：BS7777-1993立式圆筒型低温储罐EN287-1：1992钢熔化焊焊工考试EN287-2：1992铝熔化焊焊工考试EN288-3-1992金属材料焊接工艺评定-钢材EN288-4-1992金属材料焊接工艺评定-铝及铝合金,精选,24,EN571-1997无损检测着色检测EN895-2001拉伸试验EN910-1996弯曲试验EN10045-1993冲击试验EN1043-1997硬度试验ENISO5817-2003焊缝无损检测评定ASME焊接和钎焊评定标准,精选,25,51外罐的焊接方法外罐的焊接，主要为SMAW，螺柱的焊接采用螺柱焊和SMAW。,五、焊接方法的选择,外罐壁板安装焊接,拱顶螺柱焊接,精选,26,铝吊顶的焊接焊接,精选,27,52内罐的焊接方法目前焊接9%Ni钢主要焊接方法是焊条电弧焊(SMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)、熔化极惰性气体保护电弧焊(GMAW)和埋弧焊(SAW)。钨极氩弧焊的焊接效率太低，在工程中选择这种焊接方法不太经济，但是，能得到具有窄坡口的高质量的焊接接头，特别是采用,精选,28,低镍型焊接材料焊接9%Ni钢时，钨极氩弧焊是非常好的焊接方法。所以只是在特定的场合下才选择使用钨极氩弧焊。手工熔化极惰性气体保护电弧焊的熔敷速率大，但对焊工的焊接技术要求较高。该焊接方法的主要缺点是容易产生熔合不良和气孔。焊条电弧焊是9%Ni钢现场焊接的一种适合各种焊接位置、非常灵活且可行的焊接方法。该焊接方法可以达到很高的合金过度系数，甚至高达170%。,精选,29,埋弧焊是熔敷速率最高的一种焊接方法，特别是在环焊缝焊接时，由于使用了环缝焊接机械系统，埋弧焊的优点表现得更加突出，但它只适合于焊接横焊缝和水平位置焊缝。对于立式储罐的纵焊缝，虽然现在已经开发出了气电立焊设备，且自动化程度很高，但是由于气电立焊的线能量偏大且不易控制，所以不适合用来焊接9%Ni钢。立焊缝仍然用焊条电弧焊焊接。,精选,30,生产实践证明，焊条电弧焊和埋弧焊是9%Ni钢储罐现场焊接效率最高的焊接方法。由于LNG储罐的焊接工作量大，对于9%Ni钢的焊接目前主要应用的方法有：手工电弧焊、埋弧自动焊，也是目前我国LNG储罐本体普遍采用的焊接方法。其中手工电弧焊主要应用于壁板的立缝、底板、大脚缝、热转角保护板，埋弧自动焊主要应用于壁板的横缝。下面是我公司上海LNG储罐的焊接方法示意图:,精选,31,精选,32,内罐壁板角缝焊接,内罐壁板环缝焊接,精选,33,9%Ni钢的焊接材料可归纳为四种类型，即含Ni约60%以上的Inconel型；含Ni约40%的Fe-Ni基型；含Ni13%-Cr16%的奥氏体不锈钢型和含Ni11%的铁素体型。铁素体型焊材具有成本低的优点，但其成分与9%Ni钢相同，焊后如果不进行热处理，得到的焊缝低温韧性很差。研究表明这主要是因为焊缝金属中的含氧量太高，有时可达600ppm。焊后热处理虽然,六、焊接材料,精选,34,可以较好地提高焊缝的低温韧性，但在施工现场的环境下特别是对大型储罐的焊接，热处理是很难实现的。因此，用于9%Ni钢电弧焊的焊材主要是前三者。Ni13-Cr16奥氏体不锈钢型焊接材料的强度稍高，但低温韧性较差，线膨胀系数与9%Ni钢相差较大，易产生高的热应力集中，从而增大焊缝的热疲劳和失效的风险，而且容易在熔合区出现硬脆组织而使冷裂纹倾向大大增加。,精选,35,Ni基和Fe-Ni基焊接材料的线膨胀系数与9%Ni钢相近，并且所得焊缝金属均为奥氏体，具有优异的低温韧性。但这两种焊接材料也有缺点，主要表现在以下方面：由于奥氏体焊缝结晶特点，焊接过程中热裂纹敏感性很强，更易出现弧坑裂纹；Ni基合金焊缝金属的熔点一般要比母材低100-150，焊接时熔深较浅，流动性较差，往往会形成未焊透缺陷，但通过调整焊接工艺，可以克服这些问题。此外，这两种材料的成本过高，焊缝强度略低于母材。,精选,36,四类焊接材料类型及特点如下表：,9%Ni钢焊接材料类型及其特点,精选,37,目前，在世界各国LNG储罐的建造中，焊条采用ENiCrMo-6、ENiCrMo-3、ENiCrFe-9等，焊丝采用ERNiCrMo-3、ERNiCrMo-4、ERNiCrMo-8、ERNiMo-8、ERNiMo-9等，但使用ERNiCrMo-3的较多。我们在上海LNG中焊条采用ENiCrFe-9，焊丝采用ERNiMo-8。,精选,38,SAW焊丝,精选,39,SMAW焊条,精选,40,9%Ni钢是一种磁化倾向较大的材料。钢材的磁性会造成电弧的磁偏吹，并将严重影响焊接质量，造成未焊透，未熔合，夹渣、气孔等缺陷，严重时甚至无法施焊。目前手工电弧焊主要采用交流焊接电源，来避免电弧的磁偏吹现象,也有采用直流焊接电源；埋弧自动焊，根据使用焊丝的特点及经验，目前采用交流或直流焊接电源都有。,七、焊接设备,精选,41,林肯POWERWAVEAC/DC1000焊机,米勒Dynasty350AC/DC焊机,精选,42,焊接工艺评定目前主要是按照EN288-3：1992标准进行(上海LNG焊接工艺评定是根据EN288-3及项目的有关技术要求进行试验)，试验项目主要有外观检查、焊缝根部及表面着色检查、射线检查、拉伸、弯曲、冲击、宏观金相、硬度、侧向膨胀值的测定。,八、焊接工艺评定,精选,43,8.1弯曲试验对接接头的弯曲试验应按照EN910的要求进行。试验过程中，试件上延任何方向不能出现长度大于3mm的单个裂纹，出现在试件棱角处的裂纹可忽略不记。对于9%Ni钢的焊接，弯曲试验采用纵向弯曲试验,对接接头的试样的准备和试验根据ASME-1998的有关要求进行(根据上海LNG的技术要求)。,精选,44,8.2拉伸试验对接焊缝的试样和试验根据BS7777和EN895的要求进行,厚度采用全板厚。最小抗拉强度不能低于下表：,精选,45,8.3冲击试验冲击试验采用V型缺口冲击试验,每个位置应取3个试样，冲击试件的选择、加工、试验根据BS7777-2和EN10045-1的有关要求进行，冲击值不能低于下表要求：,精选,46,精选,47,8.4宏观金相试验试件的准备和腐蚀根据EN1321的有关要求进行，其熔合线、热影响区、焊道应该清楚。宏观金相试验应包括母材金属。合格标准为EN25817规定的B级。8.5硬度试验硬度试验根据EN1043-1的要求进行，其他方面根据EN288-3的要求进行，硬度试验的最大值应符合下表要求。,精选,48,同种材料焊缝金属硬度的最大值,精选,49,异种材料焊缝金属硬度的最大值,精选,50,8.6有关9%Ni钢焊接试验结果,见下表:,焊接工艺评定结果,精选,51,91所依据的考试标准：内罐、外罐主要是根据EN287-1要求进行资格评定。手工焊条电弧焊焊工位置采用2G和3G两种。埋弧自动焊使用2G。铝吊顶根据EN287-2的要求进行考试。92由于9%Ni钢焊缝容易产生冷、热裂纹，特别是弧坑裂纹，焊工培训、考试过程中，要严格控制焊接线能量及层间温度，要求每根焊条焊接时中间最多只允许有一个接头，培养焊工养成良好的习惯，减少焊接接头，减少焊接缺陷的产生。,九、焊工考试与管理,精选,52,收弧时尽量减少熔池尺寸，把弧坑引向坡口边缘或引回焊道边缘，并进行适当的打磨处理。93参加9%Ni钢焊接的焊工，最好有焊接不锈钢、耐热钢、哈氏合金方面的焊接经验。94由于采用镍基焊接材料，焊缝金属的熔点要比9%Ni钢低100-150左右，很容易造成未熔合等缺陷，所以在考试中，我们采用了双面焊接，对焊缝背面进行清根处理。959%Ni钢焊工考试,射线拍片合格后,根据ASME卷对焊缝做纵向弯曲试验。,精选,53,10.1坡口形式外罐的坡口形式：主要是V形、X形和角焊缝。铝吊顶的坡口形式：主要是X形和角焊缝。内罐的坡口形式：由于采用镍基焊接材料焊接9%Ni钢时，焊缝的熔深小，可适当增加坡口角度，其大脚缝、环缝、纵缝坡口如下图所示。开坡口时,较薄的钢板采用单边V形(Y形)坡口,较厚的钢板采用X形坡口。,十、焊接坡口准备,精选,54,精选,55,10.2坡口加工：碳钢坡口主要采用加工火焰加工。9%Ni钢坡口主要采用机械加工(在工厂进行预制)。不锈钢材料采用等离子加工。,精选,56,11.1材料到货后，要对材料进行剩余磁通量的检查，当磁通量大于50高斯时，要进行消磁处理；钢板表面不允许有划伤等，否则要进行修复。11.2焊条要按要求进行烘干，以降低扩散氢水平，降低冷裂纹产生的可能性。11.3清理坡口表面以及母材表面20mm范围的的水分、油污等杂质，（特别是坡口边缘处）进行打磨，直至出现金属光泽,防止气孔、裂纹等缺陷的产生。,十一、9%Ni钢焊接工艺及操作要点,精选,57,11.4焊接过程必须严格按照焊接工艺指导书的有关要求进行焊接，并严格控制焊接线能量，采用多层多道焊，其最大焊接线能量控制见下表所示。最大焊接线能量,精选,58,焊条电弧焊最佳焊接工艺参数,精选,59,11.5由于此类焊条/焊丝焊接时，粘度较大，铁水的流动性较差，焊条电弧焊的摆动，应小于2.5倍的焊条直径，SAW采用不摆动。焊接过程中尽量采用排道焊；为了提高焊接工作效率，确保焊接质量，,埋弧焊可选用2.4mm的焊丝。11.6为保证定位焊缝的焊接质量，定位焊长度应大于50mm，确保焊接过程中焊缝不致开裂。11.7每条焊缝应一次焊完，因故被迫中断，继续焊接前必须对焊缝进行检查，确认无裂纹后，方可按原工艺进行焊接。,精选,60,11.8、收弧时，应将弧坑填满，每个接头焊接前，必须磨去弧坑缺陷，确认无裂纹，方可进行焊接。11.9、焊接过程中，尽量减少焊接接头，防止裂纹的产生。11.10、起弧应在坡口内，严禁母材表面引弧、收弧、试验电流、电弧擦伤等。11.11多层焊时，各层间的接头应错开50mm以上。11.12严格控制层间温度控制在100以下。11.13由于9%Ni钢很容易磁化，应将材料与铁磁性材料分开，避免钢板磁化，焊接过程中，不应使用磁性工具，具有磁性的设备应距离焊接件保持一定距离，焊缝层间清理采用不锈钢砂轮片。,精选,61,使用碳弧气刨清根时，避免采用大电流，一般磁性小于50高斯，可以不进行消磁处理，对于磁化较严重的焊缝，可采用U型磁铁进行消磁处理。11.14严禁在9Ni钢母材上表面随意打弧、点焊；对必须的卡具应绘图记录；所有弧坑、工卡具焊疤必须补焊、打磨清理后进行着色检验。11.15焊条使用前，必须经过200-250烘干，恒温1小时；烘干后的焊条必须放置于恒温箱内（100150），使用时，焊工应使用保温桶随用随领，严禁超过4小时；焊条置于空气中4小时，必须重新烘烤，重复烘干不得超过一次。（采用真空包装的除外）,精选,62,11.16当焊件表面有雨水、雪、冰或下雨、下雪、刮大风等情况时，没有采取相应措施，否则应严禁施焊；当环境温度低于-10时，严禁施焊，环境温度为-1010时，应在始焊处75mm范围内预热10以上，方可焊接。,精选,63,12.1焊接完成后，焊缝表面应打磨到和母材齐平，焊缝表面不得有咬边、裂纹、弧坑、夹渣和气孔等缺陷。焊接接头上的熔渣及两侧的飞溅物必须打磨清除干净。外观质量不合格的焊缝，必须返修合格，否则不许进行其它项目的检查。