9Ni鋼及其焊材發展現狀

白建斌 董海青 朱海濱 曲維春 李佳恒 李鑫利 劉洋

摘要：目前制造液化天然氣LNG儲罐普遍采用9Ni鋼，其焊接材料及焊接技術是LNG低溫儲罐建造的難點和關鍵點，一直僅為世界上少數發達國家所掌握，9Ni鋼焊接的國產化已成為行業的焦點。在近年9Ni鋼及其焊接材料相關研究的基礎上，總結了9Ni鋼的發展及技術特性，指出9Ni鋼的焊接難點，例如如何確保焊接接頭的低溫韌性、消除熱裂紋、避免電弧的磁偏吹等，詳細討論了其焊接材料發展現狀、焊接方法及工藝等方面，并展望了國內9Ni鋼配套焊材的發展趨勢。

關鍵詞：9Ni鋼;焊接材料;焊接工藝;ENiCrMo-6

中圖分類號：TG457.11 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0057-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.11

0 ? ?前言

天然氣是一種高效、優質的綠色燃料，是現在已知最為清潔的石化能源。近年來，我國天然氣的消耗量逐年大幅上升，它作為綠色能源將逐步替代煤炭和石油。9Ni鋼因其優良的低溫韌性和較低的脆變溫度，滿足LNG儲罐-196 ℃的工作溫度，是LNG儲存和運輸的首選材料。9Ni鋼及其配套焊材已成為行業的又一焦點。

1 9Ni鋼概述

1.1 9Ni鋼發展現狀與應用

1944年9Ni鋼由美國國際鎳公司開發完成，1952 年美國建造了第一個以9Ni鋼為內罐材料的LNG儲罐。1956年，9Ni鋼得到了ASTM認證，可用于超低溫場合。1960年，在實際生產中證明了 9Ni鋼在不進行焊后熱處理時也能滿足 LNG儲罐安全性能后，9Ni 鋼開始大批量應用于大型LNG儲罐的制造。

20世紀70年代后期，世界范圍內能源需求急劇增加，煤炭、石油等能源引發的環境污染越來越嚴重，天然氣作為綠色能源受到了重視，LNG儲罐的數量呈幾何數增加，并向大型化發展。1965年，法國以9Ni鋼為主要材料建造了 “ Jule Verne ”號LNG油輪。1969年日本橫濱根岸港建造3.5萬m3和4.5萬m3的大型 LNG 儲罐，日本9Ni鋼的研究和應用從此開始大規模發展。1977年，日本制定了關于9Ni鋼的標準JIS G3127。1982年，9Ni 鋼超越Cr-Ni不銹鋼成為建造LNG儲罐的首選材料。2005年，韓國和意大利建造了25萬m3的大型LNG儲罐，這是當時最大的壓力容器儲罐。2016年我國也制造了20萬m3的大型LNG儲罐。至今，9Ni鋼已作為國際上廣泛使用的LNG低溫用鋼。

1.2 9Ni鋼技術特性

9Ni鋼的合金元素總量在5%～10%，是中合金低碳馬氏體鋼，其主要化學成分、物理性能及力學性能分別如表1～表3所示。與一般低碳馬氏體鋼相比，9Ni鋼在低溫環境下仍具有良好的韌性，其在-196 ℃下沖擊功可達200～230 J。與奧氏體不銹鋼相比，9Ni鋼熱膨脹系數低且經濟性良好，是目前-196 ℃環境下綜合性能最好的材料。9Ni 鋼具有體心立方結構，有明顯的脆變溫度，其晶粒度、元素組成、組織結構以及雜質含量等因素都對脆變溫度有重要影響。

9Ni鋼的熱處理狀態影響其微觀組織，目前國際常用的熱處理方法有[1]：NNT、QT與IHT。NNT是雙正火+回火，首次900 ℃正火后進行790 ℃正火，再進行570 ℃回火，其組織為回火馬氏體+貝氏體;QT是800 ℃淬火后再進行570 ℃回火，經調質后的組織為低碳馬氏體;IHT是800 ℃水冷后在550～590 ℃溫度區間內回火，即雙相區淬火后回火。

9Ni鋼的回火溫度影響其組織，并進一步影響其低溫韌性，一般在550～600 ℃。眾所周知，殘余奧氏體及逆轉奧氏體可提高材料基體韌性，而9Ni鋼經過回火處理會產生一定量的逆轉奧氏體，并與基體中殘余奧氏體共同固定9Ni鋼中的有害元素，從而提升9Ni鋼基體低溫韌性。當9Ni鋼中雜質含量特別是P含量較高時，其回火敏感性劇烈上升，韌性下降。因此，應當嚴格控制雜質含量。

9Ni鋼的元素組成決定了其性能，其中C與Ni元素含量尤為重要。C含量過高會使其焊接性變差，并導致脆性轉變溫度升高，因此應控制在低碳范圍內（即 0.13%）。Ni 是9Ni鋼中最重要的合金元素，它固溶在基體中，增加位錯的交叉滑移能力，減少位錯與溶質原子之間的交互作用，從而改善基體的低溫韌性，并降低脆變溫度。Mn元素的加入更容易得到細小而富有韌性的鐵素體晶粒，從而降低脆性轉變溫度。有些微量的雜質元素（如O、S和P）能使脆性轉變溫度升高，因此也必須嚴格控制。

2 9Ni鋼焊接方法及材料

國際上對9Ni鋼板材低溫韌性要求越來越高，S、 P、O等有害雜質元素含量的要求更加嚴格，并明確提出：達到w（H+O+S+P）<100×10-6的超純目標。為了滿足不斷提高的性能要求，焊接材料的相關標準也在不斷提高，如焊材制備技術、焊接工藝性與焊縫金屬力學性能要求變高。為滿足9Ni鋼的焊接要求，目前國際上對焊縫金屬具體要求為[2]：屈服強度>430 MPa;拉伸強度：690～825 MPa ;伸長率>35% ;-196 ℃沖擊韌性>34 J; -196 ℃側向膨脹量>0.38 mm;-196 ℃剪切強度>60%;-196 ℃裂紋尖端張開位移 CTOD>0.30 mm。

實際生產過程中可用于焊接9Ni鋼的焊接方法有：焊條電弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）、鎢極氣體保護焊（GTAW）和熔化極氣體保護焊（GMAW）等。當前，9Ni鋼用量最大、應用最廣泛的焊接方法為焊條電弧焊和埋弧自動焊。

在9Ni鋼焊接中，鎢極氣體保護焊（GTAW）與熔化極氣體保護焊（GMAW）氣保焊在焊接時使用惰性氣體對熔池進行保護，嚴峻的戶外條件會危害氣保焊焊接接頭的質量，焊接厚板時也容易造成熔合不良。鎢極氬弧焊在窄間隙焊接時能得到高質量接頭，但經濟性不足，焊接效率太低，只適用小規模的管道和薄板材料。

LNG儲罐埋弧焊焊接材料主要采用ERNiCrMo-4焊絲及配套焊劑。埋弧焊（SAW）因其焊接效率較高，適用于焊接水平位置焊縫和橫焊縫，在9Ni鋼的焊接中應用較為廣泛。特別是LNG儲罐、管道等環焊縫焊接，使用環型焊縫焊接機械系統，焊接效率高，焊接質量穩定。

焊條電弧焊焊接靈活，適合于結構件全位置焊接，在9Ni鋼項目工程實踐中用量最大。在9Ni鋼用焊材中，Fe-Ni基（Fe-Ni-Cr系合金）和鎳基（Ni-Cr-Mo系合金）焊材熔覆金屬低溫韌性高，且塑性良好，抗裂性能好，線膨脹系數也接近9Ni鋼，應用廣泛。目前，國內外焊接9Ni鋼時使用最多的是ENiCrMo-6焊條，但ENiCrMo-3、ENiCrFe-4、ENiCrFe-9、ENiMo-8、ENiMo-9等也有一定的應用。9Ni鋼常用焊條熔敷金屬化學成分及主要性能見表4。

無論是低溫韌性、塑性還是熱膨脹系數，Ni基和Fe-Ni基焊材都適用于9Ni鋼的焊接。有關專家曾用Ni基和Fe-Ni基合金焊條對9Ni鋼焊縫性能進行比較， ENiCrMo-6鎳合金焊條焊接質量最好，最適合9Ni鋼的焊接。

ENiCrMo-6 焊條熔敷金屬的線膨脹系數最接近 9Ni 鋼母材，從而可減小因受熱膨脹和冷卻收縮造成的內應力。ENiCrMo-6焊條熔金具有高含Ni量（約60%）、低碳性（C含量約為0.05%），在焊接9Ni鋼時可保證焊縫中有足夠高的奧氏體組織占比，并有效防止碳遷移，避免在熔合區附近出現脆硬組織。ENiCrMo-6焊條熔敷金屬還具有高純度和低含氫量的優勢，從而保證熔合區的低溫韌性。國外常用焊材熔敷金屬的化學成分及力學性能分別如表5、表6所示。

3 9Ni鋼焊接難點

3.1 焊接接頭的低溫韌性

焊接接頭的低溫韌性是判斷 9Ni 鋼焊接質量的關鍵指標，其主要受合金元素及焊接工藝的影響，熱影響區、熔合區及焊縫金屬都可能發生低溫韌性下降。

在焊接9Ni鋼時，如果熔覆金屬C含量較高或者Ni、Cr當量搭配不當，將導致焊縫產生脆硬的馬氏體組織，從而引起焊縫金屬及熔合區低溫韌性急劇下降;焊接工藝及參數決定焊接熱循環的峰值溫度及冷卻速度，從而影響熱影響區的微觀組織。如前文所述，逆轉變奧氏體的存在會改善接頭的低溫韌性。如果焊接過程中熱影響區峰值溫度過高，最終導致逆轉變奧氏體含量嚴重降低，并產生硬脆的貝氏體組織。逆轉奧氏體的減少與貝氏體組織的出現將共同導致熱影響區低溫韌性下降。

嚴春妍等人[3]研究了9Ni鋼熱影響區的韌化因素，焊接材料為ENiCrMo-6焊條，直徑3.2 mm，經過焊接熱循環后，與母材相比熱影響區低溫韌性顯著降低，粗晶區的組織為少量殘余奧氏體分布在馬氏體基體上。在焊接9Ni鋼時，采用小線能量，保持一定的層間溫度，對9Ni鋼的低溫韌性等力學性能有著積極的影響。

3.2 焊接接頭的熱裂紋

鎳基合金焊材的鎳含量較高，使得焊縫多為奧氏體組織，奧氏體焊縫在焊接過程中熱裂敏感性強，容易產生熱裂紋。其原因是單相奧氏體組織結晶具有很強的方向性，利于雜質元素的偏析，當在焊接過程中焊縫金屬存在低熔點共晶物（如P、S等）時，這些雜質熔點低，在最后階段結晶凝固，極易形成晶間液膜，在焊縫應力和收縮力的共同作用下，熔池中這些低熔點共晶物在凝固過程中或凝固后不久被拉開，從而造成晶間開裂[4]。

9Ni鋼焊接時應尤為注意弧坑裂紋的產生。弧坑裂紋是一種典型的在凝固時沿晶間開裂的熱裂紋，尤其是在打底焊的第一層焊縫中發生率很高。在其他各層焊縫中，也有產生弧坑裂紋傾向。隨著焊接層數的增加，焊接坡口增寬，收縮應力變形減小，弧坑裂紋產生幾率減小。

消除熱裂紋的措施主要有：嚴格控制焊條中的化學成分，除了減少P、S等有害雜質元素外，還要避免摻雜如 Pb等低熔點相元素;確保施焊前清潔焊接坡口;嚴格控制焊接工藝參數，適當降低冷卻速度;選取合理的焊接順序，以減小焊接應力;焊接時盡量減小弧坑，并注意填滿弧坑，采用正確的收弧手法，并對弧坑裂紋進行打磨;清根時應打磨成U型坡口，避免出現窄而深的V型坡口。

3.3 焊接接頭的冷裂紋

使用鎳合金焊材焊接時，因焊縫中有足夠高的奧氏體組織含量，不易產生冷裂紋。在嚴格執行焊條烘干、焊接規程等工藝后，可基本避免9Ni鋼的焊接冷裂傾向。

3.4 焊接時電弧的磁偏吹問題

電弧的磁偏吹是指鋼材的磁性導致的電弧偏吹，易造成氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等缺陷，嚴重影響焊接質量。9Ni鋼具有很高的磁導率和剩余磁感應強度，極易在生產過程中被磁化，從而產生嚴重的電弧磁偏吹現象。一般來說，要求9Ni鋼母材剩磁在50 GS以下。在焊接過程中應盡量避免使用碳弧氣刨等磁化母材的器具，盡量避免增大工件剩磁。為克服磁偏吹，可采用磁鐵排以抵消母材的磁場;應盡量采用砂輪打磨，避免用碳弧氣刨清根;焊接時也可以采用交流焊接克服磁偏吹。

4 9Ni焊材研究現狀及展望

國外對9Ni鋼用焊材研究較早，最初世界上僅少數國家掌握9Ni鋼的焊接技術，其配套焊接材料的制造技術及市場也被少數公司壟斷。

近年來，國內關于9Ni 鋼用焊材的研究增多，國內相關領域對9Ni鋼焊接的研究突飛猛進，各項研究成果不斷發表。

顧偉[5]等人采用手工氬弧焊的方式焊接9Ni鋼，分別選用 ERNiCr-3和ERNiCrMo-3焊絲，通過對其接頭韌性、顯微組織、顯微硬度以及焊接工藝進行比較發現，采用ERNiCrMo-3 焊絲，使用小線能量、適當控制層間溫度得到的焊縫金屬純度高、強度高、低溫沖擊韌性好。

中石化第十建設公司的翁大龍[6]等人使用脈沖熔化極氣保焊CMAW-P機動焊焊接工藝進行了立縫焊接9Ni鋼的工藝試驗。所用焊絲為φ1.2 mm的ERNiCrMo-3，電流100～150 A，顯著提高了立焊縫工效，其性能指標均可滿足設計要求，驗證了其用于施工現場的可行性。

南通中集馮金艷[7]等人對9Ni鋼藥芯焊絲電弧焊的工藝進行了研究，采用14 mm厚的V型坡口鋼板開鈍邊進行焊接，結果表面，焊縫成形良好，焊接接頭具有良好的低溫韌性，薄弱區域的平均沖擊韌性大于100 J。

上海交通大學李宇章[8]使用藥芯焊絲弧焊的焊接方法對9Ni鋼接頭低溫斷裂韌性及與微觀組織關聯進行了研究，焊材為日本神鋼的DW-N625。實驗結果表明，焊縫為奧氏體基體組織，析出相主要是Laves相和碳化物。析出相是影響焊縫低溫韌性的主要因素，高熱輸入下接頭焊縫奧氏體晶粒尺寸更大，但析出相明顯減少，反而具有更高的低溫韌性。

武漢理工大學楊超武[9]對奧林康的ENiCrMo-6藥皮與熔敷金屬進行了分析，藥皮成分見表7，其焊條焊心為純鎳焊心，鎳含量極高，熔敷金屬中Ni含量68%，Cr含量13.53%，Mo含量 6.66%，Fe含量4.21%，焊縫合金的元素及其含量決定了焊縫性能，焊條的設計也都圍繞著焊縫合金成分來設計，熔敷金屬的合金體系屬于 Ni-Cr-Mo-Fe，熔敷金屬中出現的Nb、Mo、W、Mn 均為藥皮合金的過渡，而Ni 來自焊芯。焊縫中Si含量0.35%，遠低于焊條藥皮的14%，略高于9Ni 鋼中0.2%的含量， Si以CaSiO3等硅酸鹽的形式熔化到熔渣中，保護焊縫成形。

目前國內焊材企業對9Ni鋼配套焊材的研發工作相對滯后，大多數9Ni鋼用焊材都依賴進口，較為認可的焊材廠家主要有德國伯樂公司、美國林肯公司、SMC國際超合金集團等。國內可提供9Ni鋼用焊材的企業和產品較少，大多數處于前期研發階段，在LNG儲罐制造工程上應用的實例很少。金威焊材公司開發的9Ni鋼用ENiCrMo-6焊條，其前期試驗已經完成，該焊條全位置焊接工藝性能優秀，焊縫塑性、韌性和抗裂性能良好，-196 ℃低溫沖擊值達到80～110 J，完全滿足9Ni鋼的使用要求，目前處于市場推廣及試用階段。

隨著LNG產業的迅速發展，用于制造液化氣體儲存和運輸設備日漸增多，9Ni鋼焊接材料的用量也隨之上升。9Ni鋼的焊接技術及其焊接材料是LNG低溫儲罐建造的關鍵點和難點之一，國內各大高校、制造企業及焊材企業紛紛加快各自領域的研究進度，9Ni鋼焊材的國產化成為行業的焦點。可以相信，在未來1～3年內，國產9Ni鋼配套焊接材料的研制及應用將有重大突破，將打破發達國家對我國 9Ni鋼焊接材料的壟斷，擺脫焊接材料依靠進口的現狀，促進我國液化天然氣（LNG）儲罐的自主化進程和發展。

參考文獻：

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楊超武. 9Ni 鋼焊條焊接冶金特性和熔敷金屬顯微組織分析[D].湖北：武漢理工大學，2016.

收稿日期：2020-08-19;修回日期：2020-12-03

作者簡介：白建斌（1995—），男，學士，主要從事焊接材料的相關研究。E-mail：540144425@qq.com。