吳建英，王曉軍，趙文軍，薛 洲，李?yuàn)^昆

(1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3.中石油第二建設(shè)公司，甘肅蘭州 730060)

焊條電弧焊和埋弧焊在大型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐壁板焊接施工中的應(yīng)用

吳建英1，2，王曉軍1，2，趙文軍2，薛 洲3，李?yuàn)^昆3

(1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3.中石油第二建設(shè)公司，甘肅蘭州 730060)

大型LNG低溫儲(chǔ)罐是液化石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的核心設(shè)備，其建造技術(shù)復(fù)雜，要求嚴(yán)格。而9% Ni鋼內(nèi)罐壁板的焊接技術(shù)是大型LNG低溫儲(chǔ)罐建設(shè)的關(guān)鍵，其焊接接頭性能的好壞直接關(guān)系到儲(chǔ)罐的施工質(zhì)量與安全可靠性。重點(diǎn)介紹了焊條電弧焊和埋弧自動(dòng)焊在LNG儲(chǔ)罐壁板焊接施工中的應(yīng)用，包括焊接材料的選擇、焊接工藝參數(shù)的確定、焊接坡口的設(shè)計(jì)、焊接施工順序以及焊接施工的注意事項(xiàng)。焊條電弧焊常用于儲(chǔ)罐壁板立焊縫的焊接，埋弧自動(dòng)焊常用于儲(chǔ)罐壁板橫焊縫的焊接，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行了焊接性評(píng)定。結(jié)果證明，兩種焊接方法得到的焊接接頭均符合LNG低溫儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)要求。

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐壁板；焊條電弧焊；埋弧自動(dòng)焊

0 前言

天然氣是在氣田中自然開(kāi)采出來(lái)的可燃?xì)怏w，主要成分由甲烷組成。液化天燃?xì)釲NG(Liquefied Natural Gas)是通過(guò)在常壓下氣態(tài)的天然氣冷卻至-162℃，使之凝結(jié)成液體[1-2]。

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求與重視程度也在與日俱增。由于天然氣具有熱量值高、污染小、價(jià)格低等許多優(yōu)點(diǎn)[3]。天然氣作為清潔能源越來(lái)越受到青睞，很多國(guó)家都將LNG列為首選燃料，天然氣在能源供應(yīng)中的比例迅速增加。液化天然氣正以每年約12%的高速增長(zhǎng)，成為全球增長(zhǎng)最迅猛的能源之一[4]。近年來(lái)全球LNG的生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，LNG已成為稀缺清潔資源，是世界油氣工業(yè)的新熱點(diǎn)。為保證能源供應(yīng)多元化和改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，一些能源消費(fèi)大國(guó)越來(lái)越重視LNG的引進(jìn)，日本、韓國(guó)、美國(guó)、歐洲都在大規(guī)模興建LNG接收站。國(guó)際大石油公司也紛紛將其利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)轉(zhuǎn)向LNG業(yè)務(wù)，LNG將成為繼石油之后下一個(gè)全球爭(zhēng)奪的熱門(mén)能源商品。

大型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐壁板的焊接施工通常采用焊條電弧焊和埋弧自動(dòng)焊兩種焊接方法來(lái)完成。焊條電弧焊常用于立焊縫的焊接和橫焊縫的打底焊，埋弧自動(dòng)焊常用于橫焊縫的填充和蓋面。

1 LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括一個(gè)混凝土外罐、一個(gè)金屬外罐、一個(gè)半封閉金屬罐和一個(gè)9%Ni鋼金屬內(nèi)罐[5]。金屬外罐由混凝土內(nèi)襯板、底板襯板、拱頂和轉(zhuǎn)向板組成。半封閉金屬罐包括二層底板和TCP熱角保護(hù)裝置。9%Ni鋼金屬內(nèi)罐由內(nèi)罐壁板、上層底板和鋁合金吊頂組成，且鋁合金吊頂是通過(guò)吊桿與金屬外罐的拱頂相連接。

焊接施工主要包括封閉金屬外罐、半封閉金屬罐及封閉的金屬內(nèi)罐的組裝及焊接。在此重點(diǎn)介紹內(nèi)罐壁板的焊接施工技術(shù)。

圖1 LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)

2 壁板母材選擇

內(nèi)罐壁板承擔(dān)著盛裝冷夜和密封的作用，是低溫儲(chǔ)罐的主要構(gòu)件，由耐低溫且具有較好機(jī)械性能的9%Ni鋼焊接而成。內(nèi)罐壁板共有11層，每一層的厚度都不相同，且厚度自下而上越來(lái)越小，如某公司160000m3的LNG低溫儲(chǔ)罐的壁板厚度最大28.59mm，最小12mm。內(nèi)罐壁板材質(zhì)型號(hào)EN10028-4GrX7Ni9，相當(dāng)于GB 24510-2009 9Ni509B，由比利時(shí)的阿塞洛公司生產(chǎn)，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 EN10028-4GrX7Ni9的化學(xué)成分

表2 EN10028-4GrX7Ni的力學(xué)性能

焊材選用美國(guó)SMC(Special Metals company)國(guó)際鎳合金集團(tuán)生產(chǎn)的焊接材料，埋弧焊材選用SMC國(guó)際鎳合金集團(tuán)生產(chǎn)的INCO-WELD Filler Metal C-276焊絲，INCOFLUX 9焊劑。

3 內(nèi)罐壁板的焊接施工

內(nèi)罐壁板的焊接工藝為埋弧自動(dòng)焊和焊條電弧焊，并且在壁板的立縫焊接時(shí)，為了較好地操作，采用焊條電弧焊來(lái)完成，現(xiàn)場(chǎng)組焊，焊接接頭形式為開(kāi)坡口的對(duì)接接頭。在內(nèi)罐壁板的環(huán)向焊接時(shí)，為了提高焊接效率，采用埋弧自動(dòng)焊來(lái)完成，焊接接頭形式也是開(kāi)坡口的對(duì)接接頭形式，其坡口形式均為K形坡口。焊接時(shí)，由于壁板的厚度不同，為了安全，在厚度方向每塊板子的中性層是對(duì)齊的。內(nèi)罐壁板的焊接鋪設(shè)如圖2所示。

3.1 焊條電弧焊

3.1.1 焊條選用和使用要求

根據(jù)AWS A5.11／A5.11M-2005(焊條電弧焊鎳和鎳合金焊條)選用ENiCrMo-3，化學(xué)成分如表3所示。

使用要求如下：

(1)焊條庫(kù)庫(kù)內(nèi)溫度不得低于10℃，相對(duì)濕度不大于60%。

(2)焊條使用前應(yīng)進(jìn)行烘干(300℃～350℃，1 h)，烘干后放置于恒溫干燥箱內(nèi)(110℃～150℃)，焊接使用時(shí)必須置于手提式通電保溫桶中，桶內(nèi)溫度至少保持在50℃～160℃。

圖2 內(nèi)罐壁板的焊接鋪設(shè)示意

表3 ENiCrMo-3的化學(xué)成分%

(3)焊條置于空氣中4 h，必須回爐再烘干，再烘干次數(shù)不得超過(guò)一次。

(4)要特別注意焊條的保存條件，不同廠(chǎng)家的焊條，其烘干要求可能不一樣。

由于是9%Ni鋼用焊材，其熔敷金屬不僅應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度性能和-196℃低溫沖擊韌性的要求，而且應(yīng)與母材的線(xiàn)膨脹系數(shù)相近。因?yàn)長(zhǎng)NG儲(chǔ)罐在運(yùn)行過(guò)程中，隨著工作溫度的變化會(huì)產(chǎn)生膨脹和收縮，連接儲(chǔ)罐殼體的焊縫必然同時(shí)經(jīng)受熱膨脹循環(huán)，如果焊縫金屬與9%Ni鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)相差太大，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭疲勞壽命下降。研究表明，ENiCrMo-3型鎳基合金的線(xiàn)膨脹系數(shù)與9%Ni鋼母材最接近。

3.1.2 焊前準(zhǔn)備

(1)焊前接頭清潔要求。在坡口或焊接處兩側(cè)30mm范圍內(nèi)影響焊縫質(zhì)量的毛刺、油污、水、鐵銹、氧化皮等臟物必須清除干凈。

(2)焊接時(shí)，采用采用直流反接，工件接負(fù)極。

(3)焊接設(shè)備選用山大奧太，型號(hào)為WSME-500。根據(jù)板厚選擇焊條直徑，確定焊接電流，如表4所示。

3.2 埋弧自動(dòng)焊

3.2.1 焊絲、焊劑、焊接規(guī)范選擇

根據(jù)AWS A5.14／A5.14M-2005(鎳和鎳合金填充絲和焊絲)選用ERNiCrMo-4，其化學(xué)成分和埋弧自動(dòng)焊的相關(guān)焊接參數(shù)分別如表5、表6所示。

表4 焊條電弧焊焊條、直徑和電流選擇

表5 ERNiCrMo-4的化學(xué)成分%

表6 埋弧自動(dòng)焊相關(guān)焊接相關(guān)參數(shù)

3.2.2 焊前準(zhǔn)備

焊前準(zhǔn)備是焊接施工之前不可或缺的一步，其直接影響到焊接施工效率及焊接質(zhì)量。應(yīng)從以下幾步準(zhǔn)備：

(1)焊絲外表不得有油、銹存在，且應(yīng)在干燥室存放。

(2)焊劑使用前必須進(jìn)行烘焙150℃～200℃×2 h后使用，使用剩余焊劑應(yīng)重新烘焙。

(3)采用直流正接。

(4)選用奧特埋弧橫焊機(jī)，型號(hào)為AUTO SAHW-Ⅰ／Ⅱ。

3.3 壁板的焊接順序

內(nèi)罐壁板的焊接順序?yàn)椋?/p>

(1)通過(guò)3個(gè)25 t塔吊吊裝預(yù)制好的壁板，且在罐內(nèi)需要4、5個(gè)人進(jìn)行固定組裝。

(2)每?jī)蓧K壁板之間先通過(guò)門(mén)形卡進(jìn)行固定，然后進(jìn)行點(diǎn)焊定位，最后拆除門(mén)形卡，依次重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到整圈壁板都定位好。

(3)整圈壁板定位好之后，進(jìn)行壁板徑向焊縫的正式焊接，第一層應(yīng)采用分段退焊的方法，焊工沿圓周方向均勻分布，同步焊接。

(4)進(jìn)行上一層壁板的組裝、焊接。

(5)焊接兩圈壁板之間的環(huán)向焊縫，自動(dòng)焊機(jī)均勻分布，并沿同一方向焊接。先焊大坡口，待大坡口焊接完，反面采用碳刨清根，再用砂輪機(jī)打磨、焊道光滑，背面清根時(shí)保持合理的U型坡口形狀，避免出現(xiàn)窄而深的V型坡口，經(jīng)PT檢查，直至缺陷全部清除為止。

3.4 焊接坡口

焊接坡口的加工形式和尺寸隨著壁板厚度的不同而不同，且各坡口的尺寸主要取決于母材的厚度。立縫和環(huán)縫的主要焊接接頭形式如圖3、4所示。

3.5 注意事項(xiàng)

焊接施工過(guò)程中從安全、焊縫質(zhì)量等方面考慮，應(yīng)遵循一定的注意事項(xiàng)：

(1)焊接過(guò)程中，每焊完一根焊條，收弧處必須打磨，再進(jìn)行下一根焊條的焊接，以防止弧坑裂紋。

(2)焊機(jī)電源線(xiàn)和焊把線(xiàn)使用時(shí)，不允許盤(pán)成封閉的環(huán)形，必須拉直，以避免鋼板產(chǎn)生磁性。

(3)焊接前必須打磨、除銹。點(diǎn)焊焊縫應(yīng)有一定強(qiáng)度，一般不小于50 mm。

圖3 壁板立縫的焊接坡口形式

圖4 壁板環(huán)縫的焊接坡口形式

4 焊接試驗(yàn)結(jié)果和討論

對(duì)焊縫進(jìn)行了目視檢測(cè)(VT)、滲透檢測(cè)(PT)和射線(xiàn)檢測(cè)(RT)，均符合標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)焊縫進(jìn)行常溫拉伸和彎曲、低溫沖擊(-196℃)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 焊接接頭機(jī)械性能

由表7可知：兩種焊接工藝所得的焊接接頭機(jī)械性能均合格，只是焊條電弧焊工藝所得焊縫的低溫沖擊吸收功低于埋弧自動(dòng)焊，但是從沖擊斷口看，仍為韌性撕裂，并非脆斷。

5 結(jié)論

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐壁板的焊接施工可以采用焊條電弧焊與埋弧自動(dòng)焊兩種焊接方法完成。焊條電弧焊用于立焊縫的焊接，埋弧自動(dòng)焊用于橫焊縫的焊接。焊接試驗(yàn)證明，通過(guò)焊條電弧焊與埋弧自動(dòng)焊兩種焊接方法相結(jié)合可以完成內(nèi)罐壁板的焊接，且埋弧焊工藝所得焊縫質(zhì)量比焊條電弧焊工藝的質(zhì)量好。

[1]嚴(yán)春妍，李午申，薛振奎，等.LNG儲(chǔ)罐用9%鋼及其焊接性[J].焊接學(xué)報(bào)，2008，29(3)：49-51.

[2]吳智武，王移山，李少華，等.LNG儲(chǔ)罐用9Ni鋼的焊接材料與工藝[J].焊接技術(shù)，2009，38(8)：40-41.

[3]李建軍.LNG儲(chǔ)罐的建造技術(shù)[J].焊接技術(shù)，2006，35(4)：54-56.

[4]吳 浩，盧云祥.上海LNG儲(chǔ)罐外罐的建造方案研究[J].中國(guó)水運(yùn)，2008，8(1)：138-139.

[5]張亞余，徐 崢，葉海明，等.9Ni鋼大型LNG低溫儲(chǔ)罐的焊接施工[J].電焊機(jī)，2009，39(9)：78-81.

Application of SMAW and SAW during the construction of the wall plate for LNG storage tank

WU Jian-ying1，2，WANG Xiao-Jun1，2，ZHAO Wen-jun2，XUE Zhou3，LI Fen-kun3
(1.State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.School of Materials Science and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；3.The Second Construction Company of CNPC，Lanzhou 730060，China)

LNG storge tank is core equipment of LNG storage and transportation and its construction technology is complex and strict.The welding technique of tank wall plate with 9%Ni steel is the key of the construction of LNG storage tanks at low temperature.The welding joint is directly connected to the tank's construction quality，safety and reliability.The paper focuses on applications of SMAW and SAW during the construction of tank wall plate，including the choice of welding materials and parameters，designing welding groove，welding sequence and procedure specification.SMAW is applied to vertical position welding，and SAW is applied to horizontal position of girth welding.Welding procedure qualification is carried out and the properties of joints are measured.The results show that two weld joints are qualified.

the tank wall plate of LNG storage tank；SMAW；SAW

TG457.5

B

1001-2303(2011)05-0076-04

2010-10-22

吳建英(1985—)，女，甘肅天水人，在讀碩士，主要從事新材料的焊接工藝評(píng)定和焊接施工技術(shù)方面的研工作。