郭 鷹，楊尚玉，周 聰，阮見峰，夏福龍

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

0 前言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）作為一種運(yùn)用普遍、全天然的深冷液體燃料，在日常生活、發(fā)電及車用等諸多方面廣泛涉及［1］。伴隨著國(guó)家能源政策的不斷傾斜，LNG接收站儲(chǔ)氣設(shè)施的擴(kuò)建步伐明顯提速，LNG儲(chǔ)罐是其中極為重要的一環(huán)。EN 10028 X7Ni9［2］是一種適用于-196 ℃使用的低碳調(diào)質(zhì)鋼，具有強(qiáng)度高、低溫韌性好、熱脹系數(shù)小、經(jīng)濟(jì)性較高等優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)際上普遍采用其作為L(zhǎng)NG內(nèi)罐的建造材料［3］，其焊接工藝方法直接關(guān)乎LNG儲(chǔ)罐的建造質(zhì)量。

目前在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐環(huán)縫自動(dòng)焊接主要采用埋弧焊，存在幾方面問(wèn)題：蓋面余高及清根打磨量大，焊材浪費(fèi)嚴(yán)重［4-6］；粉塵噪聲污染嚴(yán)重；需要碳弧氣刨清根，由于操作工技能水平不一、刨削速度和碳棒送進(jìn)速度不穩(wěn)、壓縮空氣壓力偏小、碳棒鍍銅質(zhì)量不好等因素影響，容易出現(xiàn)夾碳、粘渣、銅斑及滲碳等問(wèn)題，影響焊縫的性能質(zhì)量［7-8］。

為了提高焊接施工質(zhì)量，適應(yīng)市場(chǎng)多樣化需求，貫徹國(guó)家低碳環(huán)保、清潔能源理念，中海油自主研發(fā)了LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐環(huán)縫全自動(dòng)TT焊接系統(tǒng)，并對(duì)9Ni鋼板的環(huán)縫TT焊接工藝進(jìn)行深入研究，開發(fā)出了一套LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐環(huán)縫TT全自動(dòng)氬弧焊接工藝。應(yīng)用此工藝完成的焊縫，其焊接接頭性能完全符合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求，且更節(jié)省焊材。

1 焊接難點(diǎn)及解決措施

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐環(huán)縫焊接長(zhǎng)度約占整罐焊縫總長(zhǎng)度的80%，焊接質(zhì)量要求高，同時(shí)由于環(huán)縫焊接位置的特殊性導(dǎo)致焊接成形困難，對(duì)焊接工藝的開發(fā)造成很大挑戰(zhàn)。

（1）低溫沖擊韌性要求高。

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐焊接要求焊接接頭-196℃低溫沖擊功不低于70 J。焊接熱輸入、層間溫度是影響低溫韌性的主要因素。全自動(dòng)TT環(huán)縫焊接系統(tǒng)采用TIP-TIG送絲技術(shù)，具有熱絲和振動(dòng)送絲功能，熱絲有助于減少焊接熱輸入和提高焊接效率，振動(dòng)送絲（振動(dòng)頻率20 Hz）有效地破壞熔滴和熔池的表面張力、細(xì)化晶粒、使裹挾在熔池中的氣體及夾雜容易逸出，大幅度提高熔敷效率和熔池的冶金性能，提高焊縫沖擊韌性。

（2）熔池受重力影響下墜。

在環(huán)縫焊接過(guò)程中，焊材及母材熔化后形成焊接熔池，熔池會(huì)在重力作用下自然下墜，容易造成焊縫上坡口熔合不良。全自動(dòng)環(huán)縫TT焊接系統(tǒng)依靠鐘擺系統(tǒng)（焊槍擺動(dòng)角度可達(dá)30°），可以使鎢針能量最集中的中心弧柱區(qū)到達(dá)坡口上側(cè)壁，并且電弧在坡口兩側(cè)的停留時(shí)間可以分別設(shè)置，當(dāng)熔池受重力影響產(chǎn)生下墜時(shí)，增大焊槍在上側(cè)坡口的停留時(shí)間，使上側(cè)坡口完全熔合，克服上側(cè)坡口未熔合問(wèn)題。

（3）焊接電弧磁偏吹問(wèn)題。

9Ni鋼對(duì)磁性極其敏感，焊接過(guò)程中由于焊接電流產(chǎn)生的工藝磁性很容易出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象，導(dǎo)致焊縫成形不良，影響焊接質(zhì)量。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在環(huán)縫TT焊接過(guò)程中，焊接磁性最大的位置始終在焊接熔池前方約150 mm處，而且磁性最大位置會(huì)隨著焊接的推移而向前遷移。由于儲(chǔ)罐內(nèi)罐環(huán)縫是一個(gè)首尾相接的大型圓柱形，磁性會(huì)隨著焊接一直向前遷移，磁性最大處永遠(yuǎn)在熔池的前方，對(duì)焊接未造成明顯影響。

2 試驗(yàn)材料及方法

（1）母材及焊材。

試驗(yàn)?zāi)覆臑閲?guó)產(chǎn)X7Ni9鋼板，尺寸1 000 mm×200 mm，壁厚15 mm和29.7 mm，模擬施工現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。設(shè)備為TT環(huán)縫全自動(dòng)氬弧焊接系統(tǒng)，采用直流正接模式。焊材選用直徑1.0 mm的AWS A5.14 ERNiCrMo-4［10］焊絲，牌號(hào)為 OK Autrod NiCrMo-4。母材和焊絲成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire（wt.%）

表2 母材和焊絲的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of base metal and welding wire

（2）保護(hù)氣體。

保護(hù)氣體（包括背保護(hù)氣體）為純度99.99%的Ar，保護(hù)氣流量為15～20 L/min，打底焊和熱道焊需要背部氬氣保護(hù)，在熱道焊接完成之后背部氣體保護(hù)撤銷。

（3）坡口設(shè)計(jì)。

坡口設(shè)計(jì)的原則是在保證焊縫成形質(zhì)量的前提下，綜合考慮環(huán)縫焊接位置特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工組對(duì)難度、焊材節(jié)約、提高施工效率等多方面因素。經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定采用上側(cè)為雙J型，下側(cè)為平面的坡口設(shè)計(jì)，如圖1所示，該坡口設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)的60°X型坡口，焊接填充量減少50%以上。考慮到不同壁厚焊接時(shí)的工況，依據(jù)不同壁厚設(shè)計(jì)了不同的坡口。其中當(dāng)壁厚t＜20 mm時(shí)，上側(cè)J型坡口開口角度為15°；當(dāng)壁厚t≥20 mm時(shí)，上側(cè)J型坡口開口角度為12°，坡口其余參數(shù)保持一致。

圖1 坡口設(shè)計(jì)Fig.1 Groove design

（4）組對(duì)工藝。

由于現(xiàn)場(chǎng)大多是高空作業(yè)，需要在高空進(jìn)行鋼板組對(duì)，施工難度很高，全自動(dòng)焊接系統(tǒng)工藝采用圖1的坡口形式很大程度上降低了現(xiàn)場(chǎng)鋼板組對(duì)的難度；經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證，確定鋼板組對(duì)間隙為（3±0.5）mm。以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的鋼板組對(duì)為例，組對(duì)前將坡口兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)的鐵銹和氧化皮等用砂輪機(jī)打磨光亮，露出金屬光澤，并用酒精擦拭，去除油污。然后將3 mm的專用組對(duì)墊片放置在下側(cè)鋼板，即直坡口一側(cè)，之后再將上側(cè)鋼板吊至對(duì)應(yīng)位置，利用背杠進(jìn)行固定，注意保持鋼板的豎直度。固定好后對(duì)鋼板坡口進(jìn)行點(diǎn)焊，點(diǎn)焊間距為500～1 000 mm（根據(jù)鋼板壁厚的不同確定，壁厚越厚，點(diǎn)焊間距越短，壁厚越薄，點(diǎn)焊間距越長(zhǎng)），點(diǎn)焊長(zhǎng)度50 mm。點(diǎn)焊后即完成了整個(gè)鋼板的組對(duì)工作。

（5）預(yù)熱和層間溫度。

焊前無(wú)需預(yù)熱，保證焊接環(huán)境溫度不低于5℃即可，焊接過(guò)程中層間溫度要求最高為100℃?，F(xiàn)場(chǎng)LNG儲(chǔ)罐建造時(shí)，X7Ni9鋼板板幅大（一般長(zhǎng)約12 m，寬約3.5 m），焊接時(shí)散熱很快，層間溫度幾乎達(dá)不到100℃。

（6）焊接工藝參數(shù)。

TT環(huán)縫氬弧自動(dòng)焊系統(tǒng)具有焊接參數(shù)實(shí)時(shí)采集、視頻監(jiān)控并存儲(chǔ)功能，焊工可以在監(jiān)控屏上清晰地看到焊接熔池狀態(tài)，以及實(shí)時(shí)的電流電壓、送絲速度和焊接速度等。根據(jù)熔池不同狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整鎢針位置和微調(diào)焊接參數(shù)，獲得理想的成形效果。待無(wú)損檢測(cè)和性能檢測(cè)結(jié)束后，結(jié)合檢測(cè)結(jié)果，從而確定最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。根據(jù)前期試驗(yàn)和結(jié)果分析，適合壁厚15 mm、29.7 mm的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)如表3、表4所示。

表3 9Ni鋼環(huán)縫焊接工藝參數(shù)（壁厚15 mm）Table 3 Circumferential weld welding process parameters of 9Ni steel（wall thickness 15 mm）

表4 9Ni鋼環(huán)縫焊接工藝參數(shù)（壁厚29.7 mm）Table 4 Circumferential weld welding process parameters of 9Ni steel（wall thickness 29.7 mm）

3 結(jié)果分析

（1）無(wú)損檢測(cè)。焊接完成24 h后對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。目視檢測(cè)（VT）：焊縫表面均勻平整，呈銀白色金屬色澤，表面無(wú)咬邊、氣孔等缺陷（見圖2）。滲透檢測(cè)（PT）：未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷；射線檢測(cè)（RT）：射線底片焊道均勻、干凈，熔合線邊界整齊，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣和未熔透等焊接缺陷，滿足ISO 5817中B級(jí)規(guī)范（見圖3）。

圖2 焊縫表面成形Fig.2 Weld surface forming

圖3 射線檢測(cè)底片F(xiàn)ig.3 Radiographic inspection film

（2）拉伸試驗(yàn)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 4136：2012，每塊試板取兩個(gè)試樣（見圖4），均在母材處韌性斷裂，結(jié)果均滿足要求（見表5）。結(jié)果表明，焊接接頭處焊縫抗拉強(qiáng)度高于母材和焊接熱影響區(qū)，拉伸性能滿足驗(yàn)收要求。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Tensile test results

圖4 拉伸試樣Fig.4 Tensile specimen

彎曲試驗(yàn)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 5173：2009進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲角度為180°，彎心直徑40 mm，每塊試板4個(gè)試樣（見圖5）。標(biāo)準(zhǔn)要求試樣沿任何方向不得有大于3 mm的任何單一缺陷。彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，彎曲試樣未出現(xiàn)裂口，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Bending test results

圖5 彎曲試樣Fig.5 Bend specimen

（3）沖擊試驗(yàn)。分別在兩塊試板上的焊縫和熱影響區(qū)取3件10 mm×10 mm×55 mm尺寸的試樣進(jìn)行-196℃低溫沖擊試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表7，試樣的低溫沖擊功和側(cè)向膨脹量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Impact test results

（4）宏觀金相。依據(jù)ISO 17639：2013（E），每塊試板取兩個(gè)金相試樣進(jìn)行進(jìn)行宏觀金相檢測(cè)。宏觀金相照片如圖6所示，焊縫完全熔合和焊透，未出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣或咬邊等缺陷。

圖6 宏觀金相照片F(xiàn)ig.6 Macro metallographic photos

（5）微觀組織。接頭微觀組織金相如圖7所示，枝晶間距小，晶粒尺寸小，奧氏體含量大，故而焊縫延展性好，屈服強(qiáng)度大。

圖7 微觀組織形貌Fig.7 Microstructure morphology

（6）硬度試驗(yàn)，依據(jù)ISO 9015-1：2001進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，硬度試驗(yàn)點(diǎn)分布如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。試塊的維氏顯微硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，試板硬度合格。

表8 硬度試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Hardness test results

圖8 硬度試驗(yàn)后樣品照片F(xiàn)ig.8 Photos of samples after hardness test

4 結(jié)論

（1）采用LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐環(huán)縫TT氬弧全自動(dòng)焊接裝備及焊接工藝系統(tǒng)可進(jìn)行儲(chǔ)罐環(huán)縫縫位置的焊接。

（2）針對(duì)9Ni鋼環(huán)縫焊接，采用TT自動(dòng)焊焊接工藝焊接獲得的焊接接頭拉伸、彎曲、沖擊、硬度、金相等性能優(yōu)異，完全滿足設(shè)計(jì)要求，尤其-196℃低溫沖擊韌性約是標(biāo)準(zhǔn)要求的2倍以上。

（3）針對(duì)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐9Ni鋼環(huán)縫焊接，TT全自動(dòng)氬弧焊接工藝具有焊縫質(zhì)量高、焊材消耗少、施工環(huán)境清潔等優(yōu)點(diǎn)。

（4）目前單臺(tái)設(shè)備的焊接效率較低，工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)少。后續(xù)應(yīng)繼續(xù)探索工藝，改進(jìn)設(shè)備，提高焊接效率，節(jié)省施工時(shí)間，并爭(zhēng)取應(yīng)用到更多的工程項(xiàng)目中，為全自動(dòng)TT環(huán)縫自動(dòng)焊的推廣奠定基礎(chǔ)。