蔡忠彪 董長樂 謝成富 劉海林 蘇衍福

摘 要：針對9Ni低溫鋼特性、9Ni鋼焊接施工中存在問題的控制措施、9Ni低溫鋼焊接核心技術(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié)。通過現(xiàn)場實踐可知，按照改進(jìn)的施工方法能夠有效避免9Ni鋼焊接過程中易產(chǎn)生的問題，達(dá)到理想的施工效果。

關(guān)鍵詞：9Ni鋼；LNG；低溫儲罐；焊接

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，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 9Ni鋼焊接施工中存在問題的控制措施

2.1 冷裂紋和熱裂紋的控制措施

冷裂紋產(chǎn)生的主要原因有應(yīng)力、硬組織和焊縫金屬擴(kuò)散氫含量，而熱裂紋的產(chǎn)生則與應(yīng)力、雜質(zhì)和化學(xué)成分有關(guān)?？刂拼胧┤缦拢?/p>

（1）選擇低氫、低碳的焊接材料，使焊材與母材在室溫和高溫下的線膨脹系數(shù)基本相近，從而避免因不均勻的熱脹冷縮造成的熱應(yīng)力。

（2）施焊前，利用有機(jī)溶液清洗或打磨的方法。對焊接坡口表面進(jìn)行清理，保證坡1：3及其附近沒有氧化皮、油污、水和有機(jī)物等雜質(zhì)。

（3）環(huán)境溫度低于5℃時，焊接前必須對母材進(jìn)行預(yù)熱處理。

（4）施焊過程中，認(rèn)真做好層間清理工作，確保無熔渣等雜質(zhì)，然后再進(jìn)行下一層的焊接。

（5）焊材嚴(yán)格按照要求保存，對于開啟密封裝置后，4h內(nèi)未用完的焊條，要放回烘干箱內(nèi)烘干后方可使用；且放在保溫桶內(nèi)隨取隨用，對于埋弧焊絲和焊劑，在不能及時使用時必須妥善保管，嚴(yán)禁長時間暴露在空氣中。

（6）采用合理的組裝工藝和焊接順序來減少拘束應(yīng)力。

（7）嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程施工。

2.2 低溫韌性的保證措施

9Ni鋼焊接時焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)在焊接后低溫韌性都有可能降低，焊縫金屬的低溫韌性主要與焊接材料有關(guān)，熔合區(qū)的低溫韌性主要與所出現(xiàn)的脆性組織有關(guān)，而焊接熱輸入、層間溫度是焊接熱影響區(qū)低溫韌性的主要影響因素?？刂拼胧┤缦拢?/p>

（1）正確選擇焊接材料，選擇高Ni的焊材，焊接時雖然通過高溫?fù)p耗和母材對焊縫金屬的稀釋，仍有足夠高的奧氏體組織，避免熔合線出現(xiàn)脆硬馬氏體帶。

（2）嚴(yán)格控制線能量（采用小電流），盡量采用較小的熱輸人焊接。

（3）母材超過8mm時必須采用多道、多層焊接。

（4）嚴(yán)格控制層間溫度，最高層間溫度為170℃。

（5）焊縫背面清根時盡量采用砂輪機(jī)打磨，減少滲碳層的產(chǎn)生。

（6）焊條擺動寬度不允許超過焊條直徑的3倍，每層的填充厚度不超過4mm。

2.3 磁偏吹的控制措施

（1）母材在加工運輸過程中避免與磁性材料接觸。如仍有剩磁，焊前可對9Ni鋼進(jìn)行消磁處理，確保母材的剩磁量在要求值之內(nèi)。

（2）選擇防止電弧磁偏吹的焊接材料。

（3）在焊接設(shè)備上選擇交流方波焊接電源。

（4）盡量用砂輪打磨，避免氣刨或采用直流焊機(jī)引起的母材磁化問題。

（5）注意消除因坡口加工引起的磁化與污染。

3 9Ni低溫鋼焊接核心技術(shù)

3.1 焊接方式

LNG儲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，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，分為手工電弧焊和埋弧自動焊來進(jìn)行焊接工藝評定試驗。

3.2 9Ni低溫鋼材料

9Ni低溫鋼在低碳馬氏體型低溫用鋼中，9（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，因為其含量過高會損害鋼的低溫韌性，一般Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.6%左右。為降低AC3點、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，因為S和P的存在會降低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

整個低溫儲罐的關(guān)鍵是LNG內(nèi)罐壁板的焊接質(zhì)量。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，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。連接儲罐罐體的焊縫必然經(jīng)受熱膨脹循環(huán)，因LNG儲罐在運行過程中隨工作溫度的變化會產(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

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。焊接性包括兩個方面的內(nèi)容，結(jié)合與使用兩個性能。9Ni鋼焊接時可能遇到焊接氣孔、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)計文件所規(guī)定的試驗要求以及擬定的焊接程序，通過力學(xué)性能試驗判斷該工藝是否滿足試驗要求，并為了驗證在LNG內(nèi)罐壁板中實施焊接的埋弧自動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?，F(xiàn)場產(chǎn)品試板的厚度分別為10mm和24.4mm，試板厚度10mm的評定厚度范圍為10-20mm，而試板厚度24.4mm的評定厚度范圍為范圍覆蓋內(nèi)罐壁板所有厚度16-48.8mm。對不同板厚及焊接位置進(jìn)行焊接工藝評定試驗，要按照內(nèi)罐壁板的實際厚度及坡口形式分別進(jìn)行。

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)施項目。針對LNG低溫儲罐使用的9Ni鋼，本文也介紹了9Ni鋼在焊接施工時易出現(xiàn)的問題，也提出了解決問題的應(yīng)對措施。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9Ni鋼焊接性進(jìn)行研究，對項目施工進(jìn)行總結(jié)。

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