大型LNG低溫儲(chǔ)罐用9Ni鋼的焊接及組織性能分析

黃信陵(海洋石油工程股份有限公司 天津 300461)

運(yùn)用大氣壓冷卻使天然氣處于零下162攝氏度時(shí)，就會(huì)使天然氣從氣態(tài)變成液態(tài)。而液化天然氣無(wú)色無(wú)味與無(wú)毒以及無(wú)腐蝕性，并且體積比較輕。LNG和石油相比較來(lái)講，具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)天然氣在經(jīng)過(guò)液化之后，可以經(jīng)濟(jì)與可靠地進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，常常比同等條件下的地下管道運(yùn)輸節(jié)約大量的投資成本，并且其比較方便與可靠，同時(shí)適應(yīng)運(yùn)輸變化的能力比較強(qiáng)。但是天然氣的儲(chǔ)存需要運(yùn)用一個(gè)大型的儲(chǔ)罐，這樣對(duì)于儲(chǔ)罐的要求就比較高。一般情況下，儲(chǔ)罐的內(nèi)壁材料會(huì)選用9Ni鋼，因此熟練掌握低溫9Ni鋼的焊接技術(shù)與組織性能就顯得尤為重要。

一、9Ni鋼的組織性能

9Ni剛低溫力學(xué)性能通常有其化學(xué)成分決定，特別是其中Ni與C元素具備的含量。除此之外，9Ni鋼的韌性決定著鋼的純凈度與微觀組織[1]。同時(shí)含碳量能夠在回火過(guò)程中減少馬氏體中對(duì)于碳化物的析出，從而改進(jìn)低溫韌性，另外碳元素的含量要是過(guò)高就造成焊接性能與冷脆性能逐漸惡化，所以在合金化時(shí)一定要嚴(yán)格控制好碳元素的含量，使其可以保持在低含量范圍之內(nèi)。而鎳的固溶作用，在一定程度上加強(qiáng)了基體原有的交叉滑移能力，從而降低間隙原子和位錯(cuò)的交互作用，進(jìn)一步提升材料的韌性，改進(jìn)了鐵素體原有的低溫韌性，還可以降低脆性的轉(zhuǎn)變溫度，錳元素能夠高效地減小脆性的轉(zhuǎn)變溫度，由于錳和鎳相同，可以讓鋼的相變溫度在一定程度上下降，這樣就比較容易獲得具有韌性的鐵素體晶粒。減小碳元素含量與提升Mn/C比例，能夠獲得比較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。而見底Si元素的含量也對(duì)影響著9Ni鋼的低溫韌性，這樣就需要控制Si元素的含量在0.05%上下，才能夠減小低回火的脆性與提升奧氏體基體敏感度以及提升熱影響區(qū)與母材的低溫韌性。如果Si元素的含量比較少，還能夠降低小P對(duì)低溫韌性造成的影響。Ni主要是提升鋼的強(qiáng)度，并不會(huì)降低鋼的塑性，同時(shí)可以改進(jìn)鋼的低溫韌性，還具備鐵素體良好的強(qiáng)化作用效果，可是和Si以及Mn相比較作用效果并不明顯。而Ni與Cr結(jié)合運(yùn)用能夠提升材料具備的淬透性，產(chǎn)生的效果明顯要比單獨(dú)使用的效果要好的多。Nb作為細(xì)化晶粒中比較重要的元素，特別是對(duì)奧氏體晶粒與結(jié)晶組織中細(xì)化作用。Si通常會(huì)起到固溶強(qiáng)化的作用，但是其含量超出規(guī)定范圍就會(huì)使鋼不具備塑性與韌性。在9Ni鋼中通常鎳元素的含量會(huì)非常高，這樣在高溫條件下就比較容易獲取單相奧氏體，經(jīng)過(guò)淬火之后可以獲取擁有高位錯(cuò)密度與形狀為板條狀的馬氏體。

二、9Ni鋼的焊接性能

1.9Ni鋼的焊接性能分析

甲烷是LNG中最重要的組成部分，其沸點(diǎn)大約在零下162攝氏度上線，這樣就需要可以保證其在非常低的溫度下順利工作的儲(chǔ)罐材料，可以在零下162攝氏度之下正常運(yùn)用的材料只有9Ni鋼與鋁合金以及奧氏體不銹鋼等[2]。而低溫儲(chǔ)罐逐漸地大型化，使制造儲(chǔ)罐的材料提出了非常高的要求，比如說(shuō)高強(qiáng)度與加工性好以及焊接性能好等諸多要求，在此種高要求之下，只有9Ni鋼是比較經(jīng)濟(jì)的材料，并且9Ni鋼的運(yùn)用溫度可以到達(dá)零下196攝氏度。9Ni鋼在進(jìn)行電弧焊時(shí)，其材料的選擇一定要綜合考慮。第一，9Ni鋼通常是用于制造低溫設(shè)備的材料，焊縫就一定要在非常低的溫度下進(jìn)行工作，因此在選擇焊接材料的過(guò)程中務(wù)必要考慮到焊縫的低溫韌性。第二，9Ni鋼具有非常大的線膨脹系數(shù)，其在零上20攝氏度至零下192攝氏度之間的線膨脹系數(shù)是8.05X10-6/℃。為了能夠降低接頭處的焊接應(yīng)力，在選取材料的過(guò)程中，一定要讓焊縫金屬和母材的線膨脹系數(shù)比較接近，不可以形成比較大的差異，利用9Ni鋼材料制造的低溫設(shè)施在服役時(shí)一般會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，并且母材與焊接的接頭都要承受溫度變化帶來(lái)的嚴(yán)峻考驗(yàn)，一旦焊接縫金屬具備的熱膨脹系數(shù)與9Ni鋼具備的熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)明顯差距，比較高的熱應(yīng)力就會(huì)集中，從而導(dǎo)致儲(chǔ)罐的熱疲勞與實(shí)效風(fēng)險(xiǎn)加大，所以焊縫金屬具備的熱膨脹系數(shù)要接近9Ni鋼具備的熱膨脹系數(shù)[3]。

2.9Ni鋼焊接工藝要點(diǎn)

為了避免9Ni鋼在進(jìn)行焊接時(shí)出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象從而影響到焊縫的質(zhì)量，一定要運(yùn)用對(duì)應(yīng)的措施進(jìn)行控制，保證9Ni鋼中沒有磁性或者是把磁性盡量減小到最低水平[4]。為了可以減少現(xiàn)場(chǎng)施工周期，可以從鋼廠直接訂購(gòu)預(yù)制造焊接破口相關(guān)的定尺鋼板；如果利用熱切割的鋼板邊緣，就一定要運(yùn)用砂輪進(jìn)行切割邊緣的打磨，以清除氧化膜與過(guò)熱層；在焊接之前應(yīng)該把坡口面與兩側(cè)的母材利用丙酮進(jìn)行清理，清除所有的油污；如果環(huán)境溫度超出零上15攝氏度時(shí)，焊接之前一般不需要進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)時(shí)空氣中濕度比較大的時(shí)候，焊接區(qū)域應(yīng)該利用火焰將其加熱到40至50攝氏度，以能夠去除鋼板表面上的冷凝水。

結(jié)束語(yǔ)

盡管我國(guó)在2007年期間已經(jīng)完成了9Ni鋼國(guó)產(chǎn)化，可是并沒有在LNG的低溫儲(chǔ)罐中普遍運(yùn)用，與此同時(shí)還缺少成熟的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)。因此相關(guān)部門一定要加大對(duì)大型LNG低溫儲(chǔ)罐用9Ni鋼的焊接技術(shù)與組織性能的研究力度，從而為我國(guó)相關(guān)行業(yè)提供幫助。

[1]曹金榮,李國(guó)林,常加貴,等.我國(guó)LNG發(fā)展現(xiàn)狀及擬建20萬(wàn)方裝置的設(shè)想[J].油氣田地面工程,2011，24(2):53—54.

[2]嚴(yán)春妍,李午申,薛振奎等.LNG儲(chǔ)罐用9Ni鋼及其焊接性[C].第十三次全國(guó)焊接會(huì)議.合肥:中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì),2011，（10）16—20.