黃淑女，王作乾

（1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100027；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100018）

大型LNG儲(chǔ)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(tuán)有限責(zé)任公司，北京100027；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100018）

大型LNG儲(chǔ)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(shù)領(lǐng)域的難題。文章介紹了9%Ni鋼的化學(xué)成分、機(jī)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(jié)了廣東LNG儲(chǔ)罐和福建LNG儲(chǔ)罐的焊接施工經(jīng)驗(yàn)。

LNG儲(chǔ)罐；9%Ni鋼；焊接

我國(guó)第一座全容LNG儲(chǔ)罐容量為16萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)、建造標(biāo)準(zhǔn)為BS-7777，于2004年開(kāi)工建設(shè)，2006年投入使用。全容儲(chǔ)罐通常由預(yù)應(yīng)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(cè)有剛性加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的開(kāi)頂垂直圓柱體內(nèi)罐中。

LNG儲(chǔ)罐無(wú)論是罐體的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、施工材料還是施工工藝，對(duì)于國(guó)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(diǎn)，為國(guó)際安裝技術(shù)領(lǐng)域難題，其施工技術(shù)在國(guó)際上也僅有少數(shù)幾家公司掌握。但隨著國(guó)內(nèi)廣東大鵬LNG、福建LNG項(xiàng)目的相繼完工投產(chǎn)，對(duì)于9%Ni鋼焊接技術(shù)的掌握有了質(zhì)的飛躍。

1 9%Ni鋼的性能

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

目前國(guó)外應(yīng)用最多的是以法國(guó)阿賽洛公司（ARCELOR）為代表的含鎳9%中合金低碳低溫鋼（化學(xué)成分見(jiàn)表1，性能見(jiàn)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(xué)成分對(duì)其低溫力學(xué)性能有很大影響，例如磷會(huì)大大增加合金鋼的回火脆性，硅和鉬的含量也對(duì)低溫韌性有很大影響。另外，考慮到焊接時(shí)的磁偏吹問(wèn)題，合金鋼的鋼板采購(gòu)、處理和運(yùn)輸必須控制剩余磁，到達(dá)安裝現(xiàn)場(chǎng)時(shí)剩余磁最多不能大于5.0×10-3T，同時(shí)施工時(shí)遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)，并準(zhǔn)備消磁設(shè)備。

9%Ni鋼具有良好的焊接性能，對(duì)冷裂紋的敏感性很低。要保證焊縫高強(qiáng)度及低溫韌性，焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，特別是預(yù)熱、層間溫度及熱輸入。通常厚度小于50 mm的焊縫無(wú)需預(yù)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(shí)焊縫金屬屬于奧氏體材料，可避免熱裂紋的產(chǎn)生。

表1 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定9%Ni鋼的化學(xué)成分/%

表2 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定9%Ni鋼的機(jī)械和工藝性能

2 內(nèi)罐焊接施工

最常用的LNG儲(chǔ)罐焊接方法是手工電弧焊（SMAW）和埋弧自動(dòng)焊（SAW）。儲(chǔ)罐的環(huán)縫采取埋弧自動(dòng)焊，立縫采取手工電弧焊。埋弧自動(dòng)焊和手工電弧焊各有特點(diǎn)，手工電弧焊可適用于各種位置焊接，但效率較低；埋弧自動(dòng)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(mǎn)意的焊接結(jié)果。罐壁的對(duì)接立焊縫采用背襯的手工電弧焊工藝，對(duì)接環(huán)焊縫采用埋弧自動(dòng)焊工藝，而罐底板的焊縫采用手工電弧焊工藝。

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐罐壁有10層，鋼板高度3.5m左右，每層22塊，現(xiàn)場(chǎng)焊接，內(nèi)罐壁板呈圓筒形結(jié)構(gòu)，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(zhǔn)備已加工完成，施工時(shí)由下至上逐層安裝、焊接。吊裝采用吊車(chē)及罐頂電動(dòng)絞車(chē)。

安裝過(guò)程如下：第一帶的內(nèi)罐直徑比理論值大21 mm，通過(guò)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(duì)罐壁立縫底部的施焊，又對(duì)大角焊縫起到保護(hù)作用，這對(duì)應(yīng)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(dòng)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(duì)坡口進(jìn)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(duì)。應(yīng)對(duì)立縫進(jìn)行背部清根。立縫的根部焊縫應(yīng)從底部之上1 m加背襯向上施焊，以保證焊縫的間隙不會(huì)在焊接過(guò)程中收縮變小。焊接參數(shù)應(yīng)按照焊接工藝評(píng)定進(jìn)行控制。安裝完第一帶后按照?qǐng)D紙組對(duì)第二帶壁板。吊裝組對(duì)3張鋼板后，用夾具、點(diǎn)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(duì)第一個(gè)環(huán)縫，點(diǎn)焊，去除3 mm的薄墊片，隨后焊接第一個(gè)環(huán)縫。應(yīng)盡快進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，及早確認(rèn)焊縫質(zhì)量。4張壁板的環(huán)縫完成之后，即可開(kāi)始下一帶罐壁的組對(duì)和立縫的施焊，以加快施工進(jìn)度。臨時(shí)支架去除后，對(duì)罐壁做滲透試驗(yàn)。

3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

焊接直接決定了內(nèi)罐的質(zhì)量，經(jīng)過(guò)廣東LNG、福建LNG儲(chǔ)罐的建造，總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)：

（1） 焊接工作量大。一臺(tái)16萬(wàn)m3的低溫LNG儲(chǔ)罐，內(nèi)徑80 000 mm，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約1 800 t，焊縫總長(zhǎng)度約10 000 m，需相應(yīng)的焊條18 t、埋弧焊絲6 t/焊劑7 t，X射線(xiàn)片26 000張（雙片）。

（2） 焊接環(huán)境差的應(yīng)對(duì)措施。外罐與內(nèi)罐間距僅1 m，在焊接內(nèi)罐時(shí)預(yù)應(yīng)力混凝土外壁已經(jīng)完成，并且9%Ni鋼板的板幅寬超過(guò)3.5 m，因此對(duì)焊接設(shè)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(yàn)的焊接人員，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，考試合格，取證上崗作業(yè)；焊接時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的焊接程序，并有專(zhuān)人進(jìn)行焊接參數(shù)測(cè)量，保證程序的嚴(yán)格執(zhí)行。

（3） 焊接材料的匹配。如選用與9%Ni鋼化學(xué)成分相近的焊縫金屬合金系統(tǒng)，焊縫金屬的低溫韌性會(huì)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(qiáng)度較低，焊接時(shí)對(duì)熱裂紋敏感性高，熔深較淺，控制不當(dāng)易產(chǎn)生未焊透及熔合不良等缺陷。我國(guó)第一座大型LNG儲(chǔ)罐9%Ni鋼板（ASTM A553M TYPE I）的焊接在采用手工電弧焊時(shí)，選用直徑3.2 mm的ENiCrMo6焊條；采用埋弧自動(dòng)焊時(shí)，選用Thyssen Marathon 104熔劑和ERNiCrMo-4 Φ2.4 mm焊條。

（4） 直流焊接時(shí)磁偏吹現(xiàn)象的預(yù)防。9%Ni鋼屬?gòu)?qiáng)磁性材料，用直流電源焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁偏吹現(xiàn)象。預(yù)防措施是：焊接母材從鋼廠(chǎng)運(yùn)到工地的過(guò)程中，要避免磁化，不允許用磁力起重機(jī)。焊接過(guò)程中合理連接地線(xiàn)和焊接電纜，注意電纜的走向和布線(xiàn)方式，同時(shí)電纜線(xiàn)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(cè)量焊縫的各點(diǎn)剩磁強(qiáng)度，若超標(biāo)則應(yīng)采取去磁措施。

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

[2] 丁文斌，李凡，曹軍，等.LNG低溫儲(chǔ)罐用鎳鋼焊接技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)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(guó)石油大學(xué)（北京），獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事LNG工程建設(shè)項(xiàng)目管理工作。

2009-11-05