遲潤峰

摘 要：9Ni低溫鋼在實(shí)施焊接過程中易出現(xiàn)諸多問題，如冷熱裂紋、低溫韌性降低、電弧磁偏吹等，這是由于LNG低溫儲(chǔ)罐9Ni低溫鋼材料本身的特點(diǎn)造成的。文章對(duì)其進(jìn)行了歸納總結(jié)和詳細(xì)分析，梳理并制定了對(duì)9Ni鋼在焊接施工過程中的問題的控制措施，并提出了9Ni低溫鋼材料焊接的控制要點(diǎn)。要有效避免9Ni低溫鋼焊接過程中易出現(xiàn)的問題，達(dá)到預(yù)期的施工效果，通過現(xiàn)場實(shí)踐可知，按照改進(jìn)的施工方法能夠達(dá)到目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：LNG低溫儲(chǔ)罐；9Ni低溫鋼；控制措施；焊接

引言

LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然氣的英文縮寫。世界上越來越多地出現(xiàn)了LNG儲(chǔ)罐的制造，目前我國使用9Ni鋼的來源基本依賴進(jìn)口，并且對(duì)其配套焊接材料的研究和開發(fā)還比較少。9Ni低溫鋼現(xiàn)已在國際上廣泛應(yīng)用在LNG儲(chǔ)罐方面，然而其關(guān)鍵問題在于9Ni鋼的焊接。9Ni鋼在民用鋼種產(chǎn)品中屬于技術(shù)難度大、要求高的產(chǎn)品，嚴(yán)重制約了我國LNG工業(yè)的發(fā)展形成。為此，分析和探討9Ni鋼用于LNG儲(chǔ)罐的焊接材料與工藝，具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)效益。

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(qiáng)度和韌性，因此其在低溫狀態(tài)下具有抗沖擊性能強(qiáng)、低溫韌性好的特點(diǎn)，其可焊接性優(yōu)于一般高強(qiáng)度鋼。為了獲得良好的低溫性能，應(yīng)嚴(yán)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(jìn)9Ni鋼的低溫韌性。因此，通過化學(xué)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 焊接工藝要點(diǎn)

由于9Ni鋼的焊接過程易出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象，因此為了避免此現(xiàn)象的出現(xiàn)影響到焊縫的質(zhì)量，就要保證9Ni鋼中的磁性盡量減小到最低或是沒有磁性，則應(yīng)運(yùn)用相應(yīng)的措施來控制。要清除氧化膜與過熱層，就一定要運(yùn)用砂輪進(jìn)行熱切割的鋼板邊緣的打磨。從鋼廠直接訂購預(yù)制造焊接破口相關(guān)的定尺鋼板可以減少現(xiàn)場施工周期，在焊接之前利用丙酮清理坡口面與兩側(cè)的母材來清除所有的油污。當(dāng)空氣中濕度比較大的時(shí)候，鋼板表面上易出現(xiàn)冷凝水。為去除冷凝水，在焊接區(qū)域應(yīng)該利用火焰將其加熱到40℃-50℃。當(dāng)環(huán)境溫度超出15℃時(shí)，焊接前則不需進(jìn)行預(yù)熱。

3 9Ni低溫鋼焊接核心技術(shù)

3.1 焊接方式

LNG儲(chǔ)罐一般情況下容積較大，以致焊接工作量較大。在內(nèi)罐壁進(jìn)行立縫焊接操作時(shí)，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(dòng)焊（SAW）可提高內(nèi)罐壁板環(huán)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(shí)，分為手工電弧焊和埋弧自動(dòng)焊來進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。如圖1、圖2所示。

3.2 9Ni低溫鋼材料

9Ni低溫鋼在低碳馬氏體型低溫用鋼中，w（Ni）含量為8.5%-9.5%，因此其具有明顯的脆性轉(zhuǎn)變溫度和體心立方結(jié)構(gòu)。不同化學(xué)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(xué)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?yàn)槠浜窟^高會(huì)損害鋼的低溫韌性，一般Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.6%左右。為降低AC3點(diǎn)、細(xì)化晶粒和脆性轉(zhuǎn)變溫度，以改善材料低溫韌性，鋼中還要添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%的Ni，添加少量Cu元素可提高9Ni鋼的強(qiáng)度和韌性。此外，為有效地細(xì)化晶粒，鋼中應(yīng)加入少量的Nb元素，順便也可提高材料的低溫韌性。此外，因?yàn)镾和P的存在會(huì)降低9Ni鋼的低溫韌性，所以要嚴(yán)格限制S和P的含量。

3.3 焊材的選擇

整個(gè)低溫儲(chǔ)罐的關(guān)鍵是LNG內(nèi)罐壁板的焊接質(zhì)量。9Ni鋼的焊接有技術(shù)含量高、焊接難度大的特點(diǎn)。該種鋼在焊接冶金反應(yīng)作用下，會(huì)出現(xiàn)低溫性能下降，冷、熱裂紋傾向增大并產(chǎn)生脆性相的現(xiàn)象，是因?yàn)槠浣M織成分發(fā)生了改變。盡管現(xiàn)在已研制出與母材成分相同的焊材，但是現(xiàn)在仍以高Ni合金作為9Ni鋼用焊接材料，一般采用鎳基合金作為9Ni鋼的焊接材料。選擇9Ni鋼焊接材料，要考慮到以下問題：

（1）9Ni鋼用來生產(chǎn)低溫設(shè)備。焊縫要在低溫下進(jìn)行，焊縫的低溫韌性問題要考慮到。

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

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

3.4 焊接試驗(yàn)

焊接關(guān)鍵技術(shù)是9Ni鋼的焊接，也是建造低溫壓力容器的難點(diǎn)。焊接性包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，結(jié)合與使用兩個(gè)性能。9Ni鋼焊接時(shí)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(yīng)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(guān)系。

根據(jù)相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)文件所規(guī)定的試驗(yàn)要求以及擬定的焊接程序，通過力學(xué)性能試驗(yàn)判斷該工藝是否滿足試驗(yàn)要求，并為了驗(yàn)證在LNG內(nèi)罐壁板中實(shí)施焊接的埋弧自動(dòng)焊及手工電弧焊工藝是否滿足技術(shù)要求，測定焊接接頭是否具備所要求的性能。現(xiàn)場產(chǎn)品試板的厚度分別為10mm和24.4mm，試板厚度10mm的評(píng)定厚度范圍為10-20mm，而試板厚度24.4mm的評(píng)定厚度范圍為范圍覆蓋內(nèi)罐壁板所有厚度16-48.8mm。對(duì)不同板厚及焊接位置進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，要按照內(nèi)罐壁板的實(shí)際厚度及坡口形式分別進(jìn)行。

4 結(jié)束語

隨著天然氣消耗量的日益增加，全球范圍內(nèi)也相繼投入使用更多重要的與天然氣相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。針對(duì)LNG低溫儲(chǔ)罐使用的9Ni鋼，本文也介紹了9Ni鋼在焊接施工時(shí)易出現(xiàn)的問題，也提出了解決問題的應(yīng)對(duì)措施。為使9Ni鋼在低溫設(shè)備領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，應(yīng)嚴(yán)格按照以上措施進(jìn)行施工，并不斷地對(duì)9Ni鋼焊接性進(jìn)行研究，對(duì)項(xiàng)目施工進(jìn)行總結(jié)。

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