楊偉鋒,翁耿賢,魏笑科,徐勛,沈洪濤

(1.廣州文船重工有限公司 技術(shù)開發(fā)部,廣州 510725;2.中船黃埔文沖船舶有限公司 重工事業(yè)部,廣州 510715)

裝載LNG的儲(chǔ)罐要求能滿足溫度極低的載運(yùn)環(huán)境,9Ni鋼因低溫韌性好、膨脹系數(shù)小、強(qiáng)度高、焊接性能優(yōu)異等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于LNG儲(chǔ)罐制造[1-2]。9Ni鋼主要使用焊條電弧焊、埋弧自動(dòng)焊和鎢極氬弧焊方法焊接,其中以焊條電弧焊的應(yīng)用最為廣泛。焊接材料通常選用Ni基型合金,雖然價(jià)格較昂貴,但Ni基型焊材具有優(yōu)良的低溫韌性、線膨脹系數(shù)與9Ni鋼相近等特點(diǎn)[3]而被普遍使用。在焊接工藝試驗(yàn)初期,9Ni鋼對(duì)接接頭在彎曲試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了較多試樣開裂的情況,需分析原因并對(duì)焊接工藝及實(shí)施進(jìn)行優(yōu)化或改進(jìn)。為此通過焊接工藝試驗(yàn),分析9Ni鋼對(duì)接接頭試樣彎曲開裂的原因并制定相應(yīng)對(duì)策。將優(yōu)化后的焊接工藝應(yīng)用于LNG儲(chǔ)罐產(chǎn)品的建造,焊接質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)所有焊接試板使用側(cè)彎試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn),以期方便彎曲試驗(yàn)實(shí)施的同時(shí),降低焊接試板的材料成本。

1 9Ni鋼焊接工藝試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用9Ni鋼試板為EN 10028-4標(biāo)準(zhǔn)中的X7Ni9牌號(hào),厚度14 mm,調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨。試板采用焊條電弧焊方法焊接,焊條型號(hào)為ENiCrMo-6,焊條規(guī)格為直徑3.2 mm和直徑4.0 mm,焊前在250℃烘干后盛裝保溫筒內(nèi)儲(chǔ)存,使用YK-305AA交流焊接電源焊接試板。試板、焊條熔敷金屬的化學(xué)成分分別見表1和表2,力學(xué)性能見表3。

表1 X7Ni9鋼試板化學(xué)成分 %

表2 ENiCrMo-6焊條熔敷金屬化學(xué)成分 %

表3 X7Ni9鋼試板及ENiCrMo-6焊條熔敷金屬力學(xué)性能

1.2 試板焊接

使用氧-丙烷火焰切割試板,組對(duì)前使用砂輪打磨坡口見白,試板尺寸為700 mm×200 mm×14 mm,按圖1坡口節(jié)點(diǎn)組對(duì)。試板焊接采用雙面焊工藝,即坡口正面焊接完成后在坡口背面使用碳弧氣刨清根,打磨清潔坡口后再焊接一道封底焊。為保證焊接接頭的低溫沖擊韌性,遵照焊材廠家的建議,將單道焊的焊接熱輸入均控制在35 kJ/cm以下,焊接參數(shù)見表4。

圖1 9Ni鋼試板對(duì)接縫坡口節(jié)點(diǎn)(尺寸單位：mm)

表4 X7Ni9鋼試板焊接參數(shù)

初次試驗(yàn)焊接6塊試板,由3位焊工焊接,每位焊工各焊1塊橫對(duì)接試板和立對(duì)接試板。

1.3 試板檢測(cè)結(jié)果及分析

對(duì)試板的焊接接頭進(jìn)行著色滲透(PT)和X射線(RT)檢測(cè)。PT發(fā)現(xiàn)1橫對(duì)接試板的焊縫表面局部有少量點(diǎn)狀氫氣孔缺陷;RT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)3塊橫對(duì)接試板焊縫內(nèi)部均有不同程度的氣孔缺陷和夾渣缺陷,有2塊立對(duì)接試板的焊縫邊緣發(fā)現(xiàn)有局部未熔合缺陷。

從試板焊接接頭中取樣分別進(jìn)行全焊縫縱向拉伸強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度、-196℃低溫沖擊、硬度和側(cè)彎試驗(yàn)檢測(cè),側(cè)彎試樣采用輥筒彎曲法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度能達(dá)到母材X7Ni9鋼規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度680 MPa的要求,但焊縫的屈服強(qiáng)度在410～460 MPa之間,小于X7Ni9鋼規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度585 MPa的要求。焊接接頭各區(qū)-196℃低溫沖擊值最小有72 J,比規(guī)范規(guī)定值34 J有較多富余。焊接接頭各區(qū)硬度值在190～350 HV之間,滿足規(guī)范規(guī)定不大于420 HV的要求。側(cè)彎試樣彎曲后有部分試樣出現(xiàn)開裂甚至斷開的現(xiàn)象,提取的24個(gè)側(cè)彎試樣中有11個(gè)試樣出現(xiàn)開裂長(zhǎng)度超3 mm的情況,占比約45.8%,裂紋出現(xiàn)在焊縫(見圖2)或熔合區(qū),開裂情況多出現(xiàn)在熔合線的拐角處,見圖3。

圖2 側(cè)彎試樣在焊縫開裂

圖3 側(cè)彎試樣沿熔合線開裂

試驗(yàn)表明,上述9Ni鋼的焊接工藝存在焊縫容易出現(xiàn)焊接缺陷、焊縫屈服強(qiáng)度過低和接頭彎曲容易開裂的問題,在產(chǎn)品正式焊接前需設(shè)法解決。鎳基焊材熔化后的鋼水較粘稠,氣孔及夾渣物溢出困難,后續(xù)將通過火焰除濕及強(qiáng)化焊前清潔來減少焊接氣孔及夾渣物。文獻(xiàn)[4]對(duì)數(shù)種Ni基焊材在9Ni鋼焊后的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析,焊縫金屬的屈服強(qiáng)度均與母材相差較大,這是9Ni鋼焊接領(lǐng)域無法回避的問題,故在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),9Ni鋼的焊接按抗拉強(qiáng)度進(jìn)行匹配,屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求一般不低于400 MPa。焊接接頭彎曲易裂問題涉及到焊接工藝的可行性及產(chǎn)品使用的安全性,需重點(diǎn)分析原因并對(duì)焊接工藝及其實(shí)施進(jìn)行改進(jìn)。

2 彎曲試樣開裂的原因分析

彎曲試驗(yàn)是檢查焊接接頭塑性、驗(yàn)證接頭的連續(xù)性和致密性的一種檢測(cè)方法,多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試樣按要求彎曲后不得出現(xiàn)超過3 mm 的開口缺陷。導(dǎo)致9Ni鋼焊接接頭彎曲容易開裂有材料自身特性的原因。

2.1 試樣在焊縫區(qū)開裂

導(dǎo)致彎曲試樣從焊縫區(qū)開裂常見的原因有焊材的雜質(zhì)含量超標(biāo)、焊接熱輸入過大、焊縫存在焊接缺陷等。從表2可知,焊條的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,可排除焊條雜質(zhì)元素含量超標(biāo)方面的原因。焊接參數(shù)符合廠家的推薦且熱輸入值均低于35 kJ/cm,亦可排除焊接熱輸入方面的原因。在試樣的開口表面發(fā)現(xiàn)有氣孔或夾渣物缺陷,焊接缺陷使焊縫組織的連續(xù)性和致密性受損,導(dǎo)致試樣彎曲開裂。經(jīng)多次反復(fù)對(duì)比焊接試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)夾渣、氣孔缺陷多出現(xiàn)在橫對(duì)接焊縫中,這與Ni基焊材的物理特性有關(guān),焊材中含鎳量較高,熔化后的鋼水較粘稠,焊接時(shí)氣體或焊渣溢出所需的時(shí)間長(zhǎng),導(dǎo)致焊縫易出現(xiàn)氣孔和夾渣缺陷。

2.2 試樣在熔合區(qū)開裂

統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)彎曲試樣在熔合區(qū)開裂有12個(gè)(有3個(gè)裂口未超過3 mm),其中裂紋只出現(xiàn)在熔合線平整段試樣有3個(gè),裂紋出現(xiàn)在熔合線拐角處的試樣有9個(gè)。用放大鏡觀察試樣裂口或斷面,有3個(gè)試樣的裂口或全斷試樣的斷面發(fā)現(xiàn)有黑色可見夾渣物,有2個(gè)試樣的開口內(nèi)發(fā)現(xiàn)有未熔合缺陷,其他7個(gè)試樣的裂口或斷面未發(fā)現(xiàn)有可見的焊接缺陷。未熔合缺陷均出現(xiàn)在立對(duì)接縫的熔合區(qū),原因是鎳基合金焊縫熔點(diǎn)較母材低約100 ℃[5],加之鎳基合金鋼水的粘稠特性,使得焊接電弧的穿透能力較差,施焊運(yùn)條不當(dāng)則會(huì)在坡口面出現(xiàn)未熔合缺陷。9Ni鋼焊接接頭的熱影響區(qū)和熔合線在多次受熱后其晶粒不可避免會(huì)粗化,加之母材與焊縫在熔合區(qū)存在相互稀釋,使得熔合區(qū)的塑性和韌性等力學(xué)性能有一定程度的下降。

從表3中X7Ni9鋼和ENiCrMo-6焊條的復(fù)驗(yàn)值可知,焊縫金屬實(shí)際的屈服強(qiáng)度比母材低約200 MPa,側(cè)彎試樣在進(jìn)行彎曲時(shí),熔合線的拐角存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。前述原因綜合導(dǎo)致9Ni鋼對(duì)接接頭彎曲試驗(yàn)時(shí)在接頭的熔合區(qū)容易開裂。

為避免因9Ni鋼和焊縫金屬之間屈服強(qiáng)度差異過大而導(dǎo)致的彎曲試驗(yàn)結(jié)果失真,有企業(yè)在9Ni鋼的焊接試板使用縱向彎曲試樣進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)。證明縱向彎曲試樣在彎曲試驗(yàn)時(shí)是焊縫、熱影響區(qū)、母材一并彎曲,不存在因強(qiáng)度差別過大產(chǎn)生的彎曲變形不均或應(yīng)力集中問題,彎曲試驗(yàn)的合格率高[6]。但縱向彎曲試樣需占用的焊縫較長(zhǎng)(通常單個(gè)試樣長(zhǎng)度不小于200 mm),在試板上取樣所占的焊縫長(zhǎng)度約是側(cè)彎試樣的20倍,試驗(yàn)占用的材料成本高;另外,儲(chǔ)罐產(chǎn)品上會(huì)有多種板厚規(guī)格,檢測(cè)機(jī)構(gòu)配齊適用各種板厚的彎芯配件會(huì)存在困難,且頻繁更換不同規(guī)格的彎芯會(huì)使彎曲試驗(yàn)的效率低下。

3 對(duì)策及實(shí)施

3.1 對(duì)策

1)強(qiáng)化焊前的坡口清潔。坡口使用不含碳或碳化物的氧化鋁打磨片打磨坡口,避免坡口面因增碳而降低焊接接頭特別是熔合區(qū)的韌性和塑性。清理焊道間的焊渣,使用不銹鋼鋼絲刷清理坡口面的煙塵吸附物,必要時(shí)通過機(jī)械打磨方法徹底清理雜質(zhì),防止焊縫出現(xiàn)夾渣物。Ni基焊材焊后易出現(xiàn)弧坑熱裂紋,焊接收弧端如出現(xiàn)裂紋則將裂紋打磨干凈。9Ni鋼焊前無需預(yù)熱,但天氣潮濕或坡口內(nèi)有水汽時(shí)需使用火焰烘烤去除濕氣,避免焊接過程中焊縫出現(xiàn)氫氣孔。

2)嚴(yán)格控制焊接熱輸入及層間溫度。按表4規(guī)定的焊接參數(shù)焊接試板,確保各焊道的熱輸入小于30 kJ/cm,焊道間的溫度控制在150 ℃以下,以抑制焊接接頭的晶粒長(zhǎng)大及縮小9Ni鋼焊接接頭在母材、影響區(qū)、焊縫之間的力學(xué)性能差異,文獻(xiàn)[7]的試驗(yàn)研究亦表明通過控制焊接參數(shù)和層間溫度可提高焊接接頭的塑性。

3)優(yōu)化坡口設(shè)計(jì)。母材與焊縫金屬互相稀釋在打底焊即熔合線拐角處最為強(qiáng)烈,焊縫背面清根時(shí)需將第1層打底焊道完全刨除。刨槽的寬度b不小于8 mm,打磨滲碳層并修磨成約55°的坡口,為焊條留出擺動(dòng)的空間,防止在坡口面產(chǎn)生未熔合缺陷。將坡口的根部修磨成U形使得清根側(cè)坡口邊線和先焊面?zhèn)鹊娜酆暇€交角純化 (見圖4),減小熔合線拐角處的應(yīng)力集中。

圖4 接頭清根修磨后的坡口形式

4)優(yōu)化焊接運(yùn)條方法,使焊接電弧充分熔化母材,避免焊縫出現(xiàn)未熔合缺陷。在9Ni鋼施焊時(shí)使用盡可能短的焊接電弧,焊條傾斜角度盡量小于15°,平對(duì)接焊、橫對(duì)接焊時(shí)焊條不擺動(dòng),焊接電弧稍偏向母材側(cè);立對(duì)接焊時(shí)焊條作橫向擺動(dòng)并使焊接電弧在母材側(cè)稍作停留,以充分加熱和熔化母材的坡口面。

5)強(qiáng)化焊工培訓(xùn),使焊工熟練掌握9Ni鋼的焊接特點(diǎn)及技能,增強(qiáng)焊工施焊的規(guī)范意識(shí)。9Ni鋼使用交流電源焊接,交流焊接電弧的穩(wěn)定性較差,焊工需通過強(qiáng)化實(shí)操訓(xùn)練。Ni基焊縫易出現(xiàn)氣孔、夾渣等焊接缺陷,通過理論與實(shí)操相結(jié)合的培訓(xùn),使焊工充分認(rèn)識(shí)缺陷產(chǎn)生的原因并有效落實(shí)預(yù)防措施。9Ni鋼焊接接頭的強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能對(duì)焊接熱輸入和焊道層間溫度敏感,直接影響焊接接頭彎曲試驗(yàn)的結(jié)果,需強(qiáng)化焊工施焊的規(guī)范意識(shí),嚴(yán)格按工藝規(guī)定的參數(shù)進(jìn)行施焊。

3.2 對(duì)策實(shí)施及效果

將各項(xiàng)對(duì)策落實(shí)至后續(xù)9Ni鋼試板的焊接,試板接頭經(jīng)RT檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)的焊接缺陷,各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足要求。側(cè)彎試樣按標(biāo)準(zhǔn)彎曲后均未出現(xiàn)有開裂或斷裂的情況,側(cè)彎試樣彎曲檢測(cè)合格。立對(duì)接接頭彎曲后的試樣形貌見圖5。

圖5 立對(duì)接試板側(cè)彎試樣彎曲后形貌

圖5中焊縫區(qū)出現(xiàn)了縮頸變形,焊縫與母材沿熔合線出現(xiàn)較明顯的臺(tái)階,熔合線拐角被鈍化使得整體線形較平緩。為滿足LNG液貨罐產(chǎn)品焊接的需要,分別進(jìn)行了9Ni鋼14 mm橫對(duì)接和立對(duì)接、30 mm平對(duì)接焊接工藝評(píng)定試驗(yàn),試驗(yàn)過程由CCS船級(jí)社驗(yàn)船師監(jiān)督。試板按CCS散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[8]的要求進(jìn)行無損檢測(cè)和力學(xué)性能檢測(cè)一次合格,3項(xiàng)9Ni鋼焊接工藝獲得了CCS船級(jí)社的認(rèn)可,準(zhǔn)予用在LNG儲(chǔ)罐9Ni鋼的焊接。30 mm厚試板接頭的側(cè)彎試樣彎曲后未發(fā)現(xiàn)有開口缺陷(見圖6),試驗(yàn)表明改進(jìn)后的9Ni鋼焊接工藝應(yīng)用于厚板的焊接,其接頭的抗彎性能也表現(xiàn)良好。側(cè)彎試樣在試板中是橫向取樣,單個(gè)試樣只占10 mm的焊縫長(zhǎng)度,側(cè)彎試樣在焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)中的成功使用,不僅減少了試板、焊材的用量,還可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一使用直徑40 mm的彎芯,對(duì)提高彎曲試驗(yàn)檢測(cè)效率有利。

圖6 30 mm厚試板側(cè)彎試樣彎曲后的形貌

4 工藝應(yīng)用

為滿足LNG儲(chǔ)罐9Ni鋼的焊接需要,組織17名焊工參加9Ni鋼焊接的專項(xiàng)培訓(xùn)及船級(jí)社焊工資格考試,取得了CCS船級(jí)社頒發(fā)的9Ni鋼焊工資格證。

將新9Ni鋼焊接工藝應(yīng)用于9 500 m3LNG運(yùn)輸船2臺(tái)C型液貨罐和2臺(tái)C型甲板罐(見圖7)的制作,罐體對(duì)接縫的一次RT探傷合格率達(dá)到98.86%,整體焊接質(zhì)量良好。

圖7 9 500 m3 LNG運(yùn)輸船液貨罐和甲板罐

為評(píng)估罐體焊接接頭的力學(xué)性能是否滿足設(shè)計(jì)圖紙和規(guī)范要求,隨罐體對(duì)接縫按規(guī)范要求布置和焊接40塊產(chǎn)品試板,對(duì)試板焊接接頭進(jìn)行強(qiáng)度拉伸、橫向彎曲和低溫沖擊試驗(yàn)檢測(cè)。檢測(cè)試驗(yàn)表明,所有試板對(duì)接接頭的強(qiáng)度、低溫沖擊韌性指標(biāo)符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。40塊產(chǎn)品試板中有39塊產(chǎn)品試板的側(cè)彎試樣經(jīng)彎曲試驗(yàn)檢測(cè)合格,有1塊產(chǎn)品試板的側(cè)彎試樣彎曲后有出現(xiàn)大于3 mm開裂的現(xiàn)象,在復(fù)試中還出現(xiàn)了試樣彎曲后斷開的情況,需對(duì)該產(chǎn)品試板所代表的焊縫進(jìn)行返修處理。

究其原因,該彎曲試驗(yàn)不合格的產(chǎn)品試板安裝在2#甲板罐封頭溫帶板對(duì)接縫的端部。甲板罐的封頭以封頭端面為基面臥造,溫帶板間的對(duì)接縫需在立焊位置焊接,受封頭圓弧線形的影響,在溫帶板立對(duì)接縫進(jìn)行裝配、打磨、焊接等工作較困難。檢查開裂的試樣發(fā)現(xiàn)其熔合線拐角均較尖銳,也是裂紋的起始端,與圖3試驗(yàn)中出現(xiàn)開裂情況一致,是熔合線拐角處的應(yīng)力集中導(dǎo)致試樣開裂。

考慮項(xiàng)目所處的施工狀態(tài)和改善焊縫返修的施工環(huán)境,決定在封頭合龍階段對(duì)試板所代表的約38 m封頭對(duì)接縫進(jìn)行返修焊接。通過滾輪架的配合調(diào)節(jié),將所有封頭溫帶板間的對(duì)接縫變?yōu)闄M焊位置進(jìn)行焊接,降低封頭對(duì)接縫線形對(duì)坡口打磨、焊接及檢查工作的不利影響。返修焊縫經(jīng)100%RT檢測(cè)合格,隨封頭焊制的產(chǎn)品試板各項(xiàng)力學(xué)性能檢測(cè)合格,LNG液貨罐和甲板罐的焊接質(zhì)量獲得了船檢和船東的認(rèn)可。

5 結(jié)論

1)9Ni鋼焊接過程中易出現(xiàn)焊接缺陷,從強(qiáng)化焊前清潔、提升焊工技能方面可顯著提高焊接質(zhì)量。

2) 焊縫與母材在力學(xué)性能上的差異及熔合線拐角引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致了9Ni鋼焊接接頭在進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)時(shí)容易開裂。

3)在合理的焊接工藝參數(shù)和因素控制下,9Ni鋼對(duì)接接頭可實(shí)現(xiàn)使用側(cè)彎試樣通過彎曲試驗(yàn)檢測(cè)。

4)焊接工藝在LNG儲(chǔ)罐建造中的成功應(yīng)用,驗(yàn)證了新9Ni鋼焊接工藝的可行性。