大型LNG儲罐內罐大角縫埋弧自動焊技術研發

摘要： 由于LNG 儲罐大角縫焊接位置的特殊性，目前中國完成施工的LNG儲罐大角縫焊接全部采用手工電弧焊焊接（SMAW）進行大角縫焊接，受焊縫板材較厚，焊接工作量大且焊接空間受限，焊接煙塵較大等因素影響，且手工電弧焊焊接（SMAW）焊接方法焊接效率低周期長，人力設備資源占用較多，且每道焊縫焊接完畢后需打磨處理，外觀成形差，對施工過程中工期及費用的控制產生很大的影響。

關鍵詞： 大角縫；埋弧焊；受力大；位置受限

中圖分類號： TG 47

Research and development of large angle SAW technology for LNG storage tank

Ding Xiaojian

（Anhui Changjiang Liquefied Natural Gas Co.， Ltd.，Wuhu 241000，Anhui，China）

Abstract： Due to the special welding position of large fillet of LNG storage tanks， all large fillet welds of LNG storage tanks under construction in China are carried out by shielded metal arc welding welding （SMAW） process， this welding method has long welding cycle， takes up much manpower and equipment resources， and every weld needs to be polished after welding， and its appearance is poor， it has great influence on the control of time limit and cost in the construction process.

Key words： "big angle seam；submerged arc welding；high stress；limited position

0 前言隨著國家對清潔能源的大力發展，在沿海城市近年來建造了一大批LNG接收站，來從國外進口液態的LNG能源儲存，以保證國內LNG的使用要求，而在LNG接收站中，儲罐是其中最核心的非標大型靜設備［1］，其中內罐的焊接質量是整個儲罐的施工國承認內各自的重中之重，特別是位于儲罐底部的大角縫是整個儲罐受力最大的位置，承受著液體靜壓力，以及底部壁板產生向外傾斜的彈性變形。保證大角焊縫的焊接質量，對于保證大型LNG儲罐安全、平穩、長周期運行意義重大。

目前國內大型LNG儲罐壁板環縫埋弧自動焊（submerged-are welding， SAW）焊接工藝［2］已經非常成熟，采用焊絲配套焊劑進行環焊縫水平位置的焊接，但大腳焊縫目前全部都是采用手工焊［3］。因此結合國內LNG儲罐焊接的技術積累與沉淀，對焊接9%Ni鋼材料、埋弧自動焊機性能、焊接填充材料以及焊接工藝技術等有了很好的掌握，文中通過焊接工藝試驗開發出使用埋弧自動焊技術焊接LNG儲罐大角縫的焊接工藝，提高焊接施工效率和焊接質量，解放勞動力，使用自動化焊接技術。并能希望能在工程實體上得到推廣運用。

文中主要從焊接材料選用，焊接參數，力學性能，焊接排道、工裝準備、檢測要求和經濟效果評價逐一進行分析。

1 焊接準備

1.1 焊接材料選用

根據目前國內已經完成的LNG埋弧自動焊采用的焊絲焊劑情況，對于9Ni鋼埋弧焊［4］的焊材選擇，不同的項目選擇有細微的區別，以下列舉典型的幾個不同項目的焊材選用牌號，如表1所示。

從表1可以看出國內以瑞典伊薩的焊材使用較多，同時從項目使用情況的調研和反饋，文中研發選用焊絲為按AWS標準由瑞典伊薩公司生產的為ERNiCrMO-4，與之匹配的焊劑牌號為OK FLUX 10.90。

1.2 試板下料要求

鋼板下料采用等離子切割。坡口采用機械加工方法，加工坡口前去除等離子切割面端至少3 mm厚，對于從板邊下料的試件，坡口不應加工在板邊側。坡口加工完畢后應由質檢人員檢查坡口角度、鈍邊尺寸，確保滿足圖紙要求。

1.3 組對要求

大角縫立板厚30 mm，底板厚35.2 mm，因模擬試板尺寸較小，因此立板可不進行滾弧；組對前應將坡口及底板焊縫位置打磨干凈；組對時應保證立板垂直度及立板與底板之間的間隙符合要求，為確保焊透和方便清根，組對間隙可在圖紙要求2 mm基礎上適當增加至3～4 mm。

為真實模擬現場施工狀況，立板兩側底板外露長度應有一側符合實際情況，即外露長度71 mm，最小50 mm；底板外露較短一側為儲罐外側，外露較長一側為儲罐內側；為防止焊接變形，通常在儲罐內側焊接臨時支撐，因此也應在試板內側焊接臨時支撐；按圖紙要求大角縫為K形接頭，雙面坡口，全焊透，如圖1所示。

2 試板焊接

2.1 工裝準備

由于LNG罐9%Ni鋼板不能與磁性物質接觸，因此焊機不能靠磁力吸附于壁板上作為軌道；根據儲罐外側大角縫操作空間的局限性，在壁板上焊接的臨時角鋼軌道，角鋼的尺寸不能小于∠100×5 mm，然后聯系埋弧焊接廠家，定制一套倒掛機頭的埋弧焊設備，用于儲罐夾層受限位置的焊接，如圖2所示。

儲罐內側大角縫由于施工過程中有臨時支撐的限制，可由改進的平角焊機施焊，焊接時要確保底板的平整，暢通，如圖3所示。

2.2 焊接要求

大角縫焊接應先焊接夾層側，在焊接第一道（打底焊）時，在大角縫另一面也應填充焊劑；打底焊完成后應檢查焊道兩面，特別檢查正面是否存在表面缺陷和反面是否存在未融合，如果有，應及時修補［5］；打底焊完成且目視檢查合格后進行PT檢測； PT檢測合格后，用不銹鋼鋼絲刷或不銹鋼砂輪片將焊道表面藥劑打磨干凈后即可繼續下一道焊接；焊接每一道過程中用儀器測量焊接電流、焊接電壓和層間溫度，計算焊接速度及線能量并做好記錄；焊接過程中，施焊焊工應密切觀察焊機運行情況，特別注意焊接電流焊接電壓是否有比較大的跳躍性的變化及焊接槍頭是否發生偏離，如果有，應及時停機并調整好后繼續施焊；根據焊道坡口進行填充直至達到圖紙要求尺寸，填充過程中每道焊層應適當調整焊接速度以保證焊道的整體成形。

3 焊接工藝參數

按照PWPS文件以及焊接過程中記錄得到的焊接參數，焊接方法為埋弧自動焊，焊絲為直徑為2.4 mm的ERNiCrMo-4焊絲，配套焊劑為OK 10.90，其他焊接工藝參數如表2所示。

4 焊接工藝評定

4.1 焊接工藝評定方法

焊接工藝需進行外觀檢查，執行NB/T 47014-2011的相關規定［6］。試樣需進行無損檢測，清根后和焊接完成后表面滲透檢測，執行JB/T 4730.5-2005，I級合格。之后進行大角縫T形接頭彎曲試驗［7］，NB/T 47014-2011文件中對大角縫沒有彎曲試驗的要求，為了更好的驗證角焊縫接頭的力學性能，因此參照GB 50128-2013立式圓筒型鋼制焊接儲罐施工規范附錄A關于大角縫T形接頭橫向彎曲試驗技術要求，如圖4和圖5所示。即采用機械方法在焊接試件上取樣，取樣長度沿底板兩側各150 mm，沿罐壁取60 mm高，寬度32 mm，試樣數量2件。使用萬能試驗機進行彎曲試驗，施加載荷持續觀察有無裂紋產生，當出現裂紋時記錄底板變形角度，并將試件壓至60°角度，變形角度30°時不發生開裂即為試驗合格。宏觀金相試驗，執行NB/T 47014-2011的相關規定。硬度試樣每組1件，試驗方法采用GB/T 4043.4-2009，試驗部位及檢驗數量執行設計文件，合格指標為不大于400 HV10（目標值為不大于360 HV10）。

4.2 工藝評定結果

按焊接工藝評定方法進行工藝評定。對焊接接頭按彎曲檢測GB/T 50128-2014附錄A要求進行得到大角縫T形試件彎曲，標準要求為變形角度不小于15°時無裂紋判定為合格；當加載到變形角度15°無裂紋時應繼續加載，紙質變形角度達到60°，在此過程中出現裂紋時應停止加載，并記錄開始產生裂紋的角度。彎曲檢測報告，如表3所示，試驗彎曲后的狀態，如圖6所示。按ISO 17639：2022進行宏觀金相檢測，試樣材質為06Ni9DR，試樣為5個，試驗方法為用3：1鹽酸硝酸溶液腐蝕后檢查，檢驗結果為試件經5倍放大鏡檢查未見裂紋和未融合缺陷，判定結果為合格。宏觀金相如圖7所示，宏觀金相檢測的要求及結果如表4所示。

硬度檢測按標準ISO 9015-1：2001進行，檢測最大硬度值為305 HV10，完全滿足不大于400 HV10的要求。具體硬度檢測數據，如表5所示，硬度試樣，如圖8所示。

5 評定結果及技術要求

從上述焊接評定的試驗結果表明，采用埋弧自動焊焊接大角焊縫，無論從技術還是力學性能，操作的可行性完全滿足要求，該技術的關鍵是埋弧焊接設備的改造，要聯合設備廠家進行改造，文中的焊接參數、檢驗項目以及工裝的展示給予同行一個借鑒，具體的一些過程技術要求見表7。

6 與手工電弧焊對比的成果效益

通過此次LNG低溫儲罐大角縫焊接工藝開發，焊接試驗以及實驗室進行力學性能等試驗，最終焊接試驗結果完全能夠滿足設計對大角縫的內在性能要求。大角縫埋弧自動焊接完畢的焊道成形好，焊接過程中無煙塵、無弧光、無飛濺，焊工容易操作，減少了焊工的勞動強度，加快了焊接速度，提高了施工效率和焊接質量。

如果LNG儲罐大角縫使用埋弧自動焊焊接，則它與手工電弧焊接兩者經濟效益對比如下：按照內罐半徑R=40 000 mm計算，單臺LNG儲罐大角縫焊縫總長度L=251 m。如果采用手工電弧焊按照每名焊工每天焊接1 m計算，如果安排10名焊工進行焊接，則需要251/10≈25天才能完成焊接。9Ni鋼焊工人工費為300元/天，則共需要花費25×10×300=75 000元。而采用埋弧自動焊，使用100×10扁鋼及9Ni鋼板邊角余料制作埋弧自動焊機運行軌道共計約2 000元；按照每臺自動焊機每天焊接6 m計算，安排4臺焊機進行焊接，則需要251/（6×4）≈11天就可以焊完，9Ni鋼自動焊工人工費為300元/天，則共需要花費11×4×300＋2 000=15 200元。

埋弧自動焊在原油儲罐大角縫焊接已經非常成熟，但LNG大型儲罐大角縫焊接一直采用手工電弧焊，通過以上試驗的驗證，假如國內LNG儲罐采用埋弧自動焊那么將大幅度提高焊接的效率，解放勞動力，給整個行業的焊接水平推動是一個極大的促進。

7 結論

通過對焊接試件的制作，力學性能檢測均滿足規范要求，無論從焊接效率還是焊接質量都優于手工電弧焊。隨著國內焊工的銳減，自動化焊接技術勢在必行，目前國內LNG大型儲罐越來越多，可以運用一些新技術新方法進行施工，但在使用前一定要做好焊評制作以及試驗的整個過程，特別在現場實施時要做好焊接參數的執行監督，通過本文大角縫采用自動埋弧焊接試驗的可行性，以及解決了如何將埋弧焊掛在罐壁上的問題，明確了力學性能試驗項目、焊接參數，希望給同行起到借鑒和引用的作用。

參考文獻

［1］ 林文虎，華學明， 蔡艷，等.9Ni焊接工藝適應性研究［J］.焊接技術，2016（3）：43-47.

［2］ 張亞余；徐崢，葉海明，等.9Ni鋼大型LNG低溫儲罐的焊接施工［J］.電焊機。2009，39（9）：78-81

［3］ 白建斌，董海青，朱海濱，等.9Ni鋼及其焊材發展現狀［J］.電焊機，2021（4）：57-61.；

［4］ 國家能源局.NB/T 47013-2015承壓設備無損檢測［S］.北京，中國標準出版社，2015.

［5］ 國家質檢總局.GB50128-2014立式圓筒型鋼制焊接儲罐施工規范［S］.北京，中國標準出版社，2014.

［6］ 韋寶成，楊尚玉，郭鷹.LNG儲罐9%Ni鋼立縫全自動焊技術［J］.電焊機，2020（6）：113-116.

［7］ 張良鋒，黃江中，曹軍，等.LNG儲罐內罐底板9%NI鋼的焊接缺陷分析與控制［J］.焊接技術，2020（5）：130-132.

收稿日期： 2024-01-13

丁小見簡介： 1989年9月生；中級工程師，焊接檢驗師：277787998@qq.com