大型LNG低溫儲(chǔ)罐用9Ni鋼配套鎳基焊條的研制

■ 方子春，葉凡，亢天佑，王青云，宋聚海

1. 概述

由于天然氣具有使用方便、安全、潔凈、高效等優(yōu)點(diǎn)，致使世界能源消耗結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化。目前天然氣的消耗量正逐年大幅度上升，在一些國(guó)家，天然氣的年消耗量已經(jīng)超過(guò)石油。液化天然氣（LNG）工業(yè)的快速發(fā)展，必然促進(jìn)建造大型LNG儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的需求不斷增加。目前常用于LNG儲(chǔ)罐的材料有9Ni鋼、5Ni鋼、奧氏體不銹鋼和鋁鎂合金鋼等，而9Ni鋼以其強(qiáng)度高、易于加工、焊接性好等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于LNG儲(chǔ)罐建設(shè)中。1995年，世界上已建的9Ni鋼制最大儲(chǔ)罐容積就達(dá)到14萬(wàn)m3，目前9Ni鋼已成為國(guó)際上建造低溫儲(chǔ)罐使用最廣泛的鋼種之一。

在9Ni鋼常用的焊接材料中按鎳元素的含量可為4種，即wNi=11%的鐵素體型、wNi=13%和wCr=16%的奧氏體不銹鋼型、wNi＞60%的鎳基型（Ni-Cr-Mo系合金）和wNi≈40%的Fe-Ni基型（Fe-Ni-Cr系合金），其中，由于Ni基和Fe-Ni基型焊材可以獲得良好的低溫韌性，且線膨脹系數(shù)和9Ni鋼接近，所以這兩種焊材是焊接9Ni鋼的最合適選擇。

針對(duì)以上情況，本公司研發(fā)了ENiCrMo—6系焊條。該焊條脫渣容易，焊后的焊縫具有優(yōu)良的塑性、韌性和抗裂性能，可滿足9Ni鋼的使用要求。

2. 研制思路

（1）渣系選擇 渣系類(lèi)型對(duì)焊條的工藝性和熔敷金屬力學(xué)性能至關(guān)重要。為保證熔敷金屬具有較好的力學(xué)性能，本試驗(yàn)通過(guò)多輪配方設(shè)計(jì)，最終選擇新型的CaO-CaF2-SiO2-TiO2堿性渣系。熔渣堿度較高，脫S效果非常好，且具有一定的脫P(yáng)能力，有利于提高熔敷金屬的純凈度。

（2）抗電弧磁偏吹 9%Ni鋼為鐵磁性材料，焊接時(shí)由于磁性引起的電弧磁偏吹現(xiàn)象, 會(huì)造成未焊透、夾渣、氣孔等缺陷，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。通過(guò)調(diào)整原材料中氟化物和穩(wěn)弧劑的比例及選用合適的水玻璃類(lèi)型，使ENiCrMo—6合金焊條具有優(yōu)良的抗磁偏吹能力。

（3）改善焊條工藝性能 鎳基合金的固液相溫度間距小，焊縫金屬粘滯，流動(dòng)性偏低，熔池中的氣泡在凝固時(shí)不易析出，導(dǎo)致鎳基焊條氣孔敏感性強(qiáng)。通過(guò)合理調(diào)整金紅石和螢石，氧化鋁和鎂砂等礦物粉的比例，使焊條熔渣具有較合適的熔點(diǎn)、粘度以及表面張力，焊條不僅具有優(yōu)越的抗氣孔性，還滿足全位置焊接的要求。

（4）提高熔敷金屬的低溫韌性 天然氣的液化溫度為-162℃，9Ni鋼最早是1944年開(kāi)發(fā)的wNi=9%的低碳鋼，使用溫度最低可達(dá)-196℃，因此ENiCrMo—6合金焊條熔敷金屬的低溫韌性是研制工作中的技術(shù)難點(diǎn)。本試驗(yàn)通過(guò)以下幾個(gè)途徑，來(lái)提高熔敷金屬的低溫韌性。

第一，合理控制原材料。在原材料選擇方面，加強(qiáng)對(duì)P、S等雜質(zhì)元素的控制，同時(shí)原材料顆粒度控制在一定范圍內(nèi)；在原材料處理方面，部分礦物粉需進(jìn)行烘焙，以減少其中的水分。

第二，控制熔敷金屬中氧、氮?dú)怏w的含量，氧化物在焊縫中以?shī)A雜物的形式存在會(huì)引起熱裂紋，氮是提高低碳鋼和低合金鋼焊縫金屬?gòu)?qiáng)度、降低塑性和韌性的元素，也是促使焊縫產(chǎn)生氣孔的主要原因之一。合理采取調(diào)整配方中的脫氧、脫氮?jiǎng)┑呐浔龋绻梃F、錳鐵，鈦鐵、鋯鐵和釩鐵的比例，提高焊接過(guò)程中套筒保護(hù)效果等措施，將熔敷金屬中氧、氮?dú)怏w的含量控制在較低的水平。

第三，藥皮中加入一定量的稀土氟化物，可以細(xì)化晶粒，提高熔敷金屬的低溫韌性。

第四，合理控制熔敷金屬的化學(xué)成分。熔敷金屬的低溫韌性主要取決于化學(xué)成分，在合金化過(guò)程中嚴(yán)格控制C的含量，使其保持在低碳范圍內(nèi)，并合理控制Mn、Mo和Cr等主要合金元素的含量。

3. 試驗(yàn)結(jié)果以及分析

（1）工藝性能 在平板和坡口中進(jìn)行工藝性能試驗(yàn)。焊條規(guī)格為φ3.2mm×350mm，試驗(yàn)結(jié)果表明所研制的ENiCrMo—6焊條電弧穩(wěn)定。飛濺較小，脫渣容易。成形美觀，無(wú)氣孔和裂紋等缺陷，適合全位置焊接。

（2）熔敷金屬的化學(xué)成分 熔敷金屬的化學(xué)成分如表1所示。由表1可知，熔敷金屬中S、P等雜質(zhì)元素含量較低，主要合金元素的化學(xué)成分符合AWS 5.11標(biāo)準(zhǔn)。

（3）熔敷金屬的力學(xué)性能 熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)按照GB/T 25774.1《焊接材料試驗(yàn)第1部分：鋼、鎳及鎳合金熔敷金屬力學(xué)性能試樣的制備及檢驗(yàn)》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，組板方式按GB/T 13814—2008《鎳及鎳合金焊條》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。采用伊薩焊機(jī)，電流類(lèi)型為交流，選用20mm厚的碳鋼試板堆邊后進(jìn)行焊接，堆邊厚度≥3mm，焊接電流100～180A，電弧電壓23～25V，道間溫度≤100℃，采用多層多道焊。焊后不進(jìn)行熱處理。熔敷金屬的力學(xué)性能如表2所示。

根據(jù)AWS 5.11的要求，常溫拉伸的屈服強(qiáng)度≥430MPa，抗拉強(qiáng)度≥690MPa，伸長(zhǎng)率≥35%，-196℃沖擊吸收能量均值≥70J，單值≥49J。從表2結(jié)果可知，ENiCrMo——6焊條平焊和向上立焊兩個(gè)位置熔敷金屬塑性、低溫韌性良好。

（4）焊接熱輸入的選擇 鎳基合金的熱裂紋敏感性比較強(qiáng)，針對(duì)平焊位置，設(shè)計(jì)三種不同熱輸入探究熱輸入和熔敷金屬力學(xué)性能之間的聯(lián)系。表3是不同熱輸入下熔敷金屬的力學(xué)性能。

三種熱輸入的試板焊接完成后按照GB/T 3323《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》，射線結(jié)果顯示為Ⅰ級(jí)無(wú)缺陷。從表3結(jié)果可知，熱輸入在10～33kJ/cm內(nèi)波動(dòng)時(shí)，較高的熱輸入會(huì)少許降低熔敷金屬的屈服和抗拉強(qiáng)度，但熱輸入的改變對(duì)熔敷金屬-196℃沖擊韌性的影響不大。

（5）熔敷金屬的金相組織 圖1為ENiCrMo—6焊條熔敷金屬金相組織，圖2為ENiCrMo—6焊條熔敷金屬100倍的夾雜物形貌，金相組織為樹(shù)枝狀?yuàn)W氏體和顆粒狀的夾雜物。

表1 熔敷金屬的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 不同焊接位置下熔敷金屬的力學(xué)性能

表3 不同熱輸入下熔敷金屬的力學(xué)性能

圖1 ENiCrMo—6焊條熔敷金屬金相組織（100×）

4. 結(jié)語(yǔ)

圖2 熔敷金屬夾雜物形貌（100×）

通過(guò)創(chuàng)新渣系，優(yōu)化熔敷金屬成分等手段，成功研制出全位置焊接工藝性能優(yōu)良，塑性和-196℃沖擊吸收能量良好的ENiCrMo—6合金系焊條，可適應(yīng)交流焊接。該焊條可以取代進(jìn)口焊條，應(yīng)用于大型低溫LNG儲(chǔ)罐用9Ni鋼的焊接。

[1] 劉祥儒. 9Ni 鋼低溫儲(chǔ)罐焊接施工經(jīng)驗(yàn)與工藝問(wèn)題探討[J]. 石油工程建設(shè)，1997，23（05）：14-18.

[2] 嚴(yán)春妍. LNG儲(chǔ)罐用9%Ni鋼的焊接性及其模擬研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.