大型LNG儲罐中9%Ni鋼的焊接施工

黃淑女，王作乾

（1.中海石油氣電集團有限責任公司，北京100027；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100018）

大型LNG儲罐中9%Ni鋼的焊接施工

黃淑女1，王作乾2

（1.中海石油氣電集團有限責任公司，北京100027；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100018）

大型LNG儲罐的內(nèi)罐采用9%Ni鋼焊接而成，9%Ni鋼的焊接是安裝技術領域的難題。文章介紹了9%Ni鋼的化學成分、機械和工藝性能，分析論述了9%Ni鋼的焊接工藝和內(nèi)罐的焊接安裝方法，總結了廣東LNG儲罐和福建LNG儲罐的焊接施工經(jīng)驗。

LNG儲罐；9%Ni鋼；焊接

我國第一座全容LNG儲罐容量為16萬m3，設計、建造標準為BS-7777，于2004年開工建設，2006年投入使用。全容儲罐通常由預應力混凝土外罐和9%Ni鋼內(nèi)罐組成，液化天然氣存放在用低溫鋼板即9%Ni鋼焊接而成的內(nèi)側有剛性加強結構的開頂垂直圓柱體內(nèi)罐中。

LNG儲罐無論是罐體的結構類型、施工材料還是施工工藝，對于國內(nèi)施工企業(yè)都是全新的。9%Ni鋼的焊接是內(nèi)罐建造的難點，為國際安裝技術領域難題，其施工技術在國際上也僅有少數(shù)幾家公司掌握。但隨著國內(nèi)廣東大鵬LNG、福建LNG項目的相繼完工投產(chǎn)，對于9%Ni鋼焊接技術的掌握有了質(zhì)的飛躍。

1 9%Ni鋼的性能

9%Ni鋼是1944年開發(fā)的含9%Ni的低碳鋼，始創(chuàng)于美國國際鎳公司的產(chǎn)品研究試驗室，使用溫度最低可達-196℃。自1960年通過研究證明不進行焊后消除應力熱處理亦可安全使用以來，9%Ni鋼就成為用于制造大型低溫儲罐的主要材料之一。

目前國外應用最多的是以法國阿賽洛公司（ARCELOR）為代表的含鎳9%中合金低碳低溫鋼（化學成分見表1，性能見表2）。這種合金鋼的合金元素總含量為5%～10%，在－196℃低溫下具有優(yōu)良的韌性。合金鋼的金相組織根據(jù)熱處理工藝的不同有兩種：一種是采用900℃正火加790℃正火加570℃回火，組織為低碳馬氏體加鐵素體加少量高碳奧氏體；另一種是800℃水淬加570℃回火，組織為低碳馬氏體。

合金鋼的化學成分對其低溫力學性能有很大影響，例如磷會大大增加合金鋼的回火脆性，硅和鉬的含量也對低溫韌性有很大影響。另外，考慮到焊接時的磁偏吹問題，合金鋼的鋼板采購、處理和運輸必須控制剩余磁，到達安裝現(xiàn)場時剩余磁最多不能大于5.0×10-3T，同時施工時遠離強磁場，并準備消磁設備。

9%Ni鋼具有良好的焊接性能，對冷裂紋的敏感性很低。要保證焊縫高強度及低溫韌性，焊接時嚴格控制焊接參數(shù)，特別是預熱、層間溫度及熱輸入。通常厚度小于50 mm的焊縫無需預熱，焊前溫度高于10℃即可，層間溫度控制在150℃以下，以避免焊縫熱影響區(qū)韌性的下降，同時焊縫金屬屬于奧氏體材料，可避免熱裂紋的產(chǎn)生。

表1 標準中規(guī)定9%Ni鋼的化學成分/%

表2 標準中規(guī)定9%Ni鋼的機械和工藝性能

2 內(nèi)罐焊接施工

最常用的LNG儲罐焊接方法是手工電弧焊（SMAW）和埋弧自動焊（SAW）。儲罐的環(huán)縫采取埋弧自動焊，立縫采取手工電弧焊。埋弧自動焊和手工電弧焊各有特點，手工電弧焊可適用于各種位置焊接，但效率較低；埋弧自動焊具有很高的熔敷效率，但只適用于平焊及橫焊位置。采用合適的焊接方法和焊接材料以及正確的焊接規(guī)范參數(shù)，可以獲得滿意的焊接結果。罐壁的對接立焊縫采用背襯的手工電弧焊工藝，對接環(huán)焊縫采用埋弧自動焊工藝，而罐底板的焊縫采用手工電弧焊工藝。

LNG儲罐內(nèi)罐罐壁有10層，鋼板高度3.5m左右，每層22塊，現(xiàn)場焊接，內(nèi)罐壁板呈圓筒形結構，直徑為80m，高度為35.43m。內(nèi)罐壁板為變截面厚度，壁厚12～24.9 mm，底層厚度24.9 mm，上部逐層減薄，最上4層為12 mm，總質(zhì)量為1 113.9 t。底板最外圈為環(huán)板。板的卷制、坡口準備已加工完成，施工時由下至上逐層安裝、焊接。吊裝采用吊車及罐頂電動絞車。

安裝過程如下：第一帶的內(nèi)罐直徑比理論值大21 mm，通過楔子和螺母頂起罐壁板，在罐壁和罐底弧板間加厚6 mm薄墊片，既方便焊工對罐壁立縫底部的施焊，又對大角焊縫起到保護作用，這對應力集中的大角焊縫極為重要。用厚3 mm的薄墊片固定，以保證環(huán)縫間焊縫的根部間距。由于環(huán)縫采用埋弧自動焊完成，在T形焊縫處與手工電弧焊處容易形成夾渣、未熔合等缺陷，因此在手工施焊前對坡口進行打磨、清理異物尤為重要。罐壁的立縫可使用倒鏈和夾具組對。應對立縫進行背部清根。立縫的根部焊縫應從底部之上1 m加背襯向上施焊，以保證焊縫的間隙不會在焊接過程中收縮變小。焊接參數(shù)應按照焊接工藝評定進行控制。安裝完第一帶后按照圖紙組對第二帶壁板。吊裝組對3張鋼板后，用夾具、點焊調(diào)節(jié)立縫，在正式焊接前檢查第二帶的垂直度。先施焊立縫，再組對第一個環(huán)縫，點焊，去除3 mm的薄墊片，隨后焊接第一個環(huán)縫。應盡快進行無損檢測，及早確認焊縫質(zhì)量。4張壁板的環(huán)縫完成之后，即可開始下一帶罐壁的組對和立縫的施焊，以加快施工進度。臨時支架去除后，對罐壁做滲透試驗。

3 經(jīng)驗總結

焊接直接決定了內(nèi)罐的質(zhì)量，經(jīng)過廣東LNG、福建LNG儲罐的建造，總結出以下經(jīng)驗：

（1） 焊接工作量大。一臺16萬m3的低溫LNG儲罐，內(nèi)徑80 000 mm，結構總質(zhì)量約1 800 t，焊縫總長度約10 000 m，需相應的焊條18 t、埋弧焊絲6 t/焊劑7 t，X射線片26 000張（雙片）。

（2） 焊接環(huán)境差的應對措施。外罐與內(nèi)罐間距僅1 m，在焊接內(nèi)罐時預應力混凝土外壁已經(jīng)完成，并且9%Ni鋼板的板幅寬超過3.5 m，因此對焊接設備的規(guī)格、性能以及焊接工藝提出了更高的要求。為了保證焊接質(zhì)量，在焊接前，必須選擇合格并富有經(jīng)驗的焊接人員，進行現(xiàn)場培訓，考試合格，取證上崗作業(yè)；焊接時嚴格執(zhí)行相應的焊接程序，并有專人進行焊接參數(shù)測量，保證程序的嚴格執(zhí)行。

（3） 焊接材料的匹配。如選用與9%Ni鋼化學成分相近的焊縫金屬合金系統(tǒng)，焊縫金屬的低溫韌性會比母材低得多。選用鎳基合金焊接材料，焊縫組織為奧氏體，但強度較低，焊接時對熱裂紋敏感性高，熔深較淺，控制不當易產(chǎn)生未焊透及熔合不良等缺陷。我國第一座大型LNG儲罐9%Ni鋼板（ASTM A553M TYPE I）的焊接在采用手工電弧焊時，選用直徑3.2 mm的ENiCrMo6焊條；采用埋弧自動焊時，選用Thyssen Marathon 104熔劑和ERNiCrMo-4 Φ2.4 mm焊條。

（4） 直流焊接時磁偏吹現(xiàn)象的預防。9%Ni鋼屬強磁性材料，用直流電源焊接時會產(chǎn)生磁偏吹現(xiàn)象。預防措施是：焊接母材從鋼廠運到工地的過程中，要避免磁化，不允許用磁力起重機。焊接過程中合理連接地線和焊接電纜，注意電纜的走向和布線方式，同時電纜線不要和工件表面接觸，可采用絕緣支架的形式架離表面；在焊完一層焊道后，測量焊縫的各點剩磁強度，若超標則應采取去磁措施。

[1] 賀星耀.LNG工程中0Cr18Ni9鋼的現(xiàn)場焊接及質(zhì)量控制[J].焊接技術，2003，32（4）：61-65.

[2] 丁文斌，李凡，曹軍，等.LNG低溫儲罐用鎳鋼焊接技術研究進展[J].中國造船，2007，48（B11）：122-127.

Abstract:The internal tank of a large scale LNG storage tank is made of 9%nickel steel by welding,and the steel welding is a very difficult problem in installation technology.This paper introduces the chemical composition,mechanical property and process performance of 9%nickel steel,discusses its welding process as well as the welding and installation methods of the internal tank,and summarizes the construction experience of LNG tanks in Guangdong and Fujian projects.

Key words:LNG storage tank;9%nickel steel;welding

（62）Welding Construction of 9%Nickel Steel Used for Large LNG Storage Tank

HUANG Shu-nu··（CNOOC Gas&Power Group，Beijing 100027，China），WANG Zuo-qian

TE972.5

B

1001－2206（2010）05－0062－02

黃淑女（1978-），女，浙江紹興人，工程師，2005年畢業(yè)于中國石油大學（北京），獲碩士學位，現(xiàn)從事LNG工程建設項目管理工作。

2009-11-05