淺談LNG儲罐中9Ni低溫鋼焊接

蔡忠彪 董長樂 謝成富 劉海林 蘇衍福

摘 要：針對9Ni低溫鋼特性、9Ni鋼焊接施工中存在問題的控制措施、9Ni低溫鋼焊接核心技術進行了歸納總結。通過現場實踐可知，按照改進的施工方法能夠有效避免9Ni鋼焊接過程中易產生的問題，達到理想的施工效果。

關鍵詞：9Ni鋼；LNG；低溫儲罐；焊接

1 9Ni低溫鋼特性

與普通碳鋼相比，9Ni鋼屬耐低溫的合金鋼，世界各國普遍采用該材料作為LNG用鋼。9Ni鋼在-165℃乃至-196℃低溫下仍具有較好的強度和韌性，因此其在低溫狀態下具有抗沖擊性能強、低溫韌性好的特點，其可焊接性優于一般高強度鋼。為了獲得良好的低溫性能，應嚴格控制硫、磷的含量，以增加9Ni鋼回火脆的敏感性。另外，保持硅和鉬元素處于較低的含量，以促進9Ni鋼的低溫韌性。因此，通過化學成分的最佳搭配以及熱處理方法能控制9Ni鋼材料的組織。

2 9Ni鋼焊接施工中存在問題的控制措施

2.1 冷裂紋和熱裂紋的控制措施

冷裂紋產生的主要原因有應力、硬組織和焊縫金屬擴散氫含量，而熱裂紋的產生則與應力、雜質和化學成分有關。控制措施如下：

（1）選擇低氫、低碳的焊接材料，使焊材與母材在室溫和高溫下的線膨脹系數基本相近，從而避免因不均勻的熱脹冷縮造成的熱應力。

（2）施焊前，利用有機溶液清洗或打磨的方法。對焊接坡口表面進行清理，保證坡1：3及其附近沒有氧化皮、油污、水和有機物等雜質。

（3）環境溫度低于5℃時，焊接前必須對母材進行預熱處理。

（4）施焊過程中，認真做好層間清理工作，確保無熔渣等雜質，然后再進行下一層的焊接。

（5）焊材嚴格按照要求保存，對于開啟密封裝置后，4h內未用完的焊條，要放回烘干箱內烘干后方可使用；且放在保溫桶內隨取隨用，對于埋弧焊絲和焊劑，在不能及時使用時必須妥善保管，嚴禁長時間暴露在空氣中。

（6）采用合理的組裝工藝和焊接順序來減少拘束應力。

（7）嚴格按照焊接工藝規程施工。

2.2 低溫韌性的保證措施

9Ni鋼焊接時焊縫、熔合區和熱影響區在焊接后低溫韌性都有可能降低，焊縫金屬的低溫韌性主要與焊接材料有關，熔合區的低溫韌性主要與所出現的脆性組織有關，而焊接熱輸入、層間溫度是焊接熱影響區低溫韌性的主要影響因素。控制措施如下：

（1）正確選擇焊接材料，選擇高Ni的焊材，焊接時雖然通過高溫損耗和母材對焊縫金屬的稀釋，仍有足夠高的奧氏體組織，避免熔合線出現脆硬馬氏體帶。

（2）嚴格控制線能量（采用小電流），盡量采用較小的熱輸人焊接。

（3）母材超過8mm時必須采用多道、多層焊接。

（4）嚴格控制層間溫度，最高層間溫度為170℃。

（5）焊縫背面清根時盡量采用砂輪機打磨，減少滲碳層的產生。

（6）焊條擺動寬度不允許超過焊條直徑的3倍，每層的填充厚度不超過4mm。

2.3 磁偏吹的控制措施

（1）母材在加工運輸過程中避免與磁性材料接觸。如仍有剩磁，焊前可對9Ni鋼進行消磁處理，確保母材的剩磁量在要求值之內。

（2）選擇防止電弧磁偏吹的焊接材料。

（3）在焊接設備上選擇交流方波焊接電源。

（4）盡量用砂輪打磨，避免氣刨或采用直流焊機引起的母材磁化問題。

（5）注意消除因坡口加工引起的磁化與污染。

3 9Ni低溫鋼焊接核心技術

3.1 焊接方式

LNG儲罐一般情況下容積較大，以致焊接工作量較大。在內罐壁進行立縫焊接操作時，采用手工電弧焊完成組焊，焊接接頭形式是開坡口。采用埋弧自動焊（SAW）可提高內罐壁板環縫焊接效率。焊接接頭的形式和手工電弧焊一樣，也是開坡口。同時，分為手工電弧焊和埋弧自動焊來進行焊接工藝評定試驗。

3.2 9Ni低溫鋼材料

9Ni低溫鋼在低碳馬氏體型低溫用鋼中，9（Ni）含量為8.5%-9.5%，因此其具有明顯的脆性轉變溫度和體心立方結構。不同化學成分的含量，尤其是Ni和C的含量，決定了9Ni低溫鋼的低溫力學性能，且鋼的純凈度及微觀組織還決定9Ni低溫鋼的韌性。要降低Mn、Mo和Cr這幾種元素的含量，因為其含量過高會損害鋼的低溫韌性，一般Mn的質量分數控制在0.6%左右。為降低AC3點、細化晶粒和脆性轉變溫度，以改善材料低溫韌性，鋼中還要添加質量分數為9%的Ni，添加少量Cu元素可提高9Ni鋼的強度和韌性。此外，為有效地細化晶粒，鋼中應加入少量的Nb元素，順便也可提高材料的低溫韌性。此外，因為S和P的存在會降低9Ni鋼的低溫韌性，所以要嚴格限制S和P的含量。

3.3 焊材的選擇

整個低溫儲罐的關鍵是LNG內罐壁板的焊接質量。選擇9Ni鋼焊接材料，要考慮到以下問題：

（1）9Ni鋼用來生產低溫設備。焊縫要在低溫下進行，焊縫的低溫韌性問題要考慮到。

（2）9Ni鋼線膨脹系數大。為降低焊接殘余應力，在選擇焊接材料時，焊縫金屬的熱膨脹系數要盡量接近9Ni鋼的熱膨脹系數。

（3）9Ni鋼易出現磁偏吹現象，是因其是一種強磁性材料。因此，盡量選用適應交流電源施焊的焊條或焊絲焊劑。連接儲罐罐體的焊縫必然經受熱膨脹循環，因LNG儲罐在運行過程中隨工作溫度的變化會產生膨脹和收縮。由于是9Ni鋼所使用的焊材，其熔敷金屬應與母材的線膨脹系數相近，且要滿足強度性能及-196℃低溫沖擊韌性的要求。

3.4焊接試驗

焊接關鍵技術是9Ni鋼的焊接，也是建造低溫壓力容器的難點。焊接性包括兩個方面的內容，結合與使用兩個性能。9Ni鋼焊接時可能遇到焊接氣孔、未熔合、焊接冷、熱裂紋、未焊透、變形大、焊接接頭低溫韌性的降低以及焊接應力和磁偏吹等問題，這些問題與所采用的焊接材料等方面有很大關系。

根據相關國際標準及設計文件所規定的試驗要求以及擬定的焊接程序，通過力學性能試驗判斷該工藝是否滿足試驗要求，并為了驗證在LNG內罐壁板中實施焊接的埋弧自動焊及手工電弧焊工藝是否滿足技術要求，測定焊接接頭是否具備所要求的性能。現場產品試板的厚度分別為10mm和24.4mm，試板厚度10mm的評定厚度范圍為10-20mm，而試板厚度24.4mm的評定厚度范圍為范圍覆蓋內罐壁板所有厚度16-48.8mm。對不同板厚及焊接位置進行焊接工藝評定試驗，要按照內罐壁板的實際厚度及坡口形式分別進行。

結束語

隨著天然氣消耗量的日益增加，全球范圍內也相繼投入使用更多重要的與天然氣相關的基礎設施項目。針對LNG低溫儲罐使用的9Ni鋼，本文也介紹了9Ni鋼在焊接施工時易出現的問題，也提出了解決問題的應對措施。為使9Ni鋼在低溫設備領域得到更廣泛的應用，應嚴格按照以上措施進行施工，并不斷地對9Ni鋼焊接性進行研究，對項目施工進行總結。

參考文獻

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