LNG儲罐用9Ni鋼及其焊接性分析

耿都都，嚴(yán)春妍，納學(xué)洋，曲 揚(yáng)，楊順貞

（河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

LNG儲罐用9Ni鋼及其焊接性分析

耿都都，嚴(yán)春妍，納學(xué)洋，曲 揚(yáng)，楊順貞

（河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

介紹了國內(nèi)外9Ni鋼的發(fā)展概況。分析了9Ni鋼的化學(xué)成分，組織結(jié)構(gòu)和性能特點，并對其焊接性進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。分析結(jié)果表明，9Ni鋼以其強(qiáng)度高、易于加工和焊接性優(yōu)良等優(yōu)勢適于在超低溫條件下的LNG儲罐設(shè)備中安全使用。9Ni鋼的冷裂敏感性不大，當(dāng)焊接材料、焊接工藝措施配合適當(dāng)時，可防止焊接熱裂紋和其他焊接缺陷的產(chǎn)生，以及低溫韌性的降低。9Ni鋼焊接時，宜采用小線能量，多層多道焊，焊前不需預(yù)熱，但需控制層間溫度在100℃以下。

焊接；9Ni鋼；焊接性；LNG儲罐

1 國內(nèi)外9Ni鋼的發(fā)展概況

能夠在超低溫條件下安全使用的材料有9Ni鋼、鋁合金、奧氏體不銹鋼及鎳合金等。上述幾種材料中，9Ni鋼以其強(qiáng)度高、易于加工和焊接性優(yōu)良等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于LNG儲罐設(shè)備中。

1.1 國外9Ni鋼的發(fā)展概況

9Ni鋼于1956年初列入ASTM標(biāo)準(zhǔn)，1977年被列入JIS標(biāo)準(zhǔn)。在此期間，美國、法國、日本及阿聯(lián)酋等國先后用該鋼種建造了不少儲罐和容器。1952年，第一臺9Ni鋼儲罐在美國投入使用。1969年，日本在根岸采用手工電弧焊法建造了國內(nèi)第一臺9Ni鋼制 LNG儲罐[1]，隨后又將自動焊應(yīng)用于9Ni鋼制LNG儲罐上。1982年后，9Ni鋼逐漸取代Ni-Cr不銹鋼，成為低溫儲罐的主要結(jié)構(gòu)材料。1995年，世界上已建的9Ni鋼制最大儲罐容積就達(dá)到14萬m3[2]。目前，9Ni鋼已成為國際上建造低溫儲罐使用最廣泛的鋼種之一，其焊接性能良好，焊接工藝日臻成熟。

1.2 國內(nèi)9Ni鋼的發(fā)展概況

1980年，我國曾從法國引進(jìn)7臺9Ni鋼球罐。1982年，大慶石化總廠及燕山石化公司從法國C.M.P公司引進(jìn)8臺1 500 m3的9Ni鋼乙烯球罐[3]。1995年，揚(yáng)子石化公司建造了一套乙烯低溫儲運設(shè)施，其中采用9Ni鋼建造的1萬m3雙層結(jié)構(gòu)乙烯低溫儲罐是工程的核心和難點，當(dāng)時制造如此大型的9Ni鋼化工容器尚屬國內(nèi)首例[4]。2004年，國內(nèi)首個大型低溫液化氣項目——廣東LNG工程開工，共有9Ni鋼制大型儲罐3臺，大罐單臺容積16萬m3，單臺結(jié)構(gòu)質(zhì)量7 000 t，直徑80 m，僅罐頂自重就達(dá)700余t，被稱為“遠(yuǎn)東之最”[5]?？梢灶A(yù)見，在未來幾十年，作為LNG儲運設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)材料，9Ni鋼將被大量使用，9Ni鋼的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)將受到極大的重視。相對于世界LNG的應(yīng)用，我國的LNG發(fā)展剛剛起步，LNG儲罐建設(shè)及9Ni鋼的相關(guān)焊接技術(shù)還沒有完全被消化吸收。因此，我國還需要不斷進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)和技術(shù)交流，在實際應(yīng)用中不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，培養(yǎng)技術(shù)力量，以推動我國LNG儲罐設(shè)備的發(fā)展。

2 9Ni鋼化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和性能特點

2.1 9Ni鋼的化學(xué)成分特點

9Ni鋼是w(Ni)為8.5%～9.5%的低碳馬氏體型低溫用鋼，具有體心立方結(jié)構(gòu)和明顯的脆性轉(zhuǎn)變溫度。鋼中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%的Ni，可以降低AC3點、細(xì)化晶粒、降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，使材料的低溫韌性得到明顯改善。9Ni鋼的低溫力學(xué)性能主要決定于化學(xué)成分，尤其是Ni和C的含量。此外，9Ni鋼的韌性還取決于鋼的純凈度及微觀組織[6]。

9Ni鋼在回火處理時，C，Ni和Mn等元素向彌散分布于基體內(nèi)的奧氏體擴(kuò)散，可得到體積分?jǐn)?shù)為5%～10%的富含C，Ni和Mn的奧氏體，稱為逆轉(zhuǎn)奧氏體(亦稱為回轉(zhuǎn)奧氏體)。這種奧氏體非常穩(wěn)定，在－196℃低溫下不會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，并且呈彌散分布，使9Ni鋼能夠在－196℃表現(xiàn)出很好的低溫韌性，有利于阻止裂紋擴(kuò)展。

Mn，Mo和Cr含量過高會損害鋼的低溫韌性，所以這幾種元素的含量要控制在較低水平。Mn含量降低時會出現(xiàn)下貝氏體，有利于低溫韌性的改善，但Mn含量過低反而會惡化低溫韌性，所以9Ni鋼中Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通?？刂圃?.6%左右[7]。

添加少量元素Cu可提高9Ni鋼的強(qiáng)度，并保證良好的韌性。這是因為Cu提高了奧氏體的數(shù)量和穩(wěn)定性，促進(jìn)了析出強(qiáng)化[8]。

此外，加入少量的Nb素可有效地細(xì)化晶粒，提高材料的低溫韌性[7]。

S和P的存在會降低9Ni鋼的低溫韌性，并且隨P含量的增加，9Ni鋼的回火脆性敏感性隨之增加；同樣，隨S含量的增加， 9Ni鋼的熱裂紋敏感性隨之增加?？傊獓?yán)格限制9Ni鋼中S和P的含量。

前斜角肌綜合征是胸廓出口綜合征中最常見的原因。它與頸椎病神經(jīng)根型有一些相似處，故在臨床上經(jīng)常被誤診，這與其肌肉的位置和功能有關(guān)。前、中、后斜角肌起于頸2～7橫突結(jié)節(jié)處，屬于頸椎深部外側(cè)肌群，受頸2～8神經(jīng)支配。此外，斜角肌還參與吸氣功能。其中，前、中斜角肌及第1肋骨上緣圍成三角形間隙，稱為斜角肌間隙，有鎖骨下動、靜脈、臂叢神經(jīng)穿過。其中，臂叢的內(nèi)側(cè)束由頸8和胸1神經(jīng)組成為尺神經(jīng)從腋窩穿出后沿上肢內(nèi)側(cè)下行，支配無名指尺側(cè)和小指的皮膚[9]。如果斜角肌間隙變窄，就會產(chǎn)生上述部位的疼痛、麻木等功能障礙。通過5項癥狀激發(fā)試驗可與神經(jīng)根型頸椎病進(jìn)行區(qū)別。

2.2 9Ni鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能特點

目前，9Ni鋼主要有三種熱處理供貨狀態(tài)。雙正火+回火（NNT）的組織為回火馬氏體與貝氏體，淬火+回火（QT）以及經(jīng)雙相區(qū)淬火+回火（IHT）后的主要組織均為低碳回火馬氏體。在這三種熱處理規(guī)范中，經(jīng)NNT處理的9Ni鋼，其低溫韌性最差，經(jīng)IHT處理的9Ni鋼的低溫韌性最好[9]。

3 焊接性分析

在實際焊接應(yīng)用方面，9Ni鋼焊接成為建造低溫LNG儲罐的關(guān)鍵技術(shù)，也是建造低溫壓力容器的重點和難點。焊接性是指同質(zhì)材料或異種材料在制造工藝條件下，能夠焊接形成完整接頭并滿足預(yù)期使用要求的能力。它包括兩個方面的內(nèi)容，其一是結(jié)合性能，其二是使用性能[10]。9Ni鋼焊接時可能遇到的問題有焊接冷裂紋、焊接熱裂紋、焊接接頭低溫韌性的降低、磁偏吹、焊接氣孔、未熔合、未焊透以及焊接應(yīng)力和變形大等問題。這些問題與所采用的焊接材料，焊接工藝和焊接線能量有很大關(guān)系。

3.1 焊接冷裂紋

9Ni鋼的冷裂敏感性不大，正常施焊條件下一般不會產(chǎn)生冷裂紋。但在焊接工藝條件不當(dāng)時，會產(chǎn)生一定的氫致裂紋。應(yīng)選用低氫，低碳含量焊材并配合合適的焊接工藝規(guī)程，特別要烘干焊條，保持焊接環(huán)境干燥，合理控制層間溫度和熱輸入，即可降低冷裂敏感性。

3.2 焊接熱裂紋

9Ni鋼焊接熱裂紋主要有弧坑裂紋，高溫液化裂紋，顯微疏松裂紋和高溫失塑裂紋。研究表明，后三種裂紋的尺寸一般較小，對儲罐的使用不會造成危害。相比之下，弧坑裂紋是需要重點預(yù)防的，其原因是合金中的S和P等元素極易與Ni形成低熔點共晶物，造成晶間偏析。因此要嚴(yán)格控制焊材和鋼材中的S和P含量，并且選用熔化溫度區(qū)間范圍小的，或偏析雜質(zhì)在焊縫金屬晶界的分布為不連續(xù)狀的 (非單一奧氏體組織)焊條[11]。

3.3 低溫韌性

9Ni鋼用于制造LNG儲罐的主要因素之一就是其優(yōu)異的低溫韌性。9Ni鋼具有良好低溫韌性的機(jī)理，目前有三種解釋得到普遍認(rèn)可，一種解釋是回轉(zhuǎn)奧氏體阻止裂紋的擴(kuò)展即裂紋尖端鈍化效應(yīng)。另一種解釋是回轉(zhuǎn)奧氏體發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，阻止了裂紋的萌生和擴(kuò)展，還有一種解釋是回轉(zhuǎn)奧氏體吸收使鐵素體變脆的C和N等元素，使基體得到凈化，從而提高低溫韌性，即回轉(zhuǎn)奧氏體的凈化作用[12]。

9Ni鋼焊接后，焊接接頭中的焊縫，熔合區(qū)和焊接熱影響區(qū)的低溫韌性都有可能降低。焊縫金屬的低溫韌性主要與采用的焊接材料有關(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)，焊接熱影響區(qū)的低溫韌性主要與焊接熱輸入和層間溫度有關(guān)[13]。

3.4 磁偏吹

9Ni鋼為鐵磁性材料，焊接時容易出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象，從而影響焊接質(zhì)量。為避免磁偏吹現(xiàn)象，盡量選擇適于交流焊接的焊材，同時配以交流焊接電源。必要時，還需要進(jìn)行消磁處理。

3.5 焊接氣孔

9Ni鋼焊接時由于鎳合金的固液相溫度間距小，焊縫金屬粘滯，流動性偏低，熔池中的氣泡在凝固時不易排出[14]，而且如果母材及焊材表面清理不徹底，焊材烘干不合格，就容易產(chǎn)生氣孔。所以在焊接時，要嚴(yán)格遵守焊接工藝規(guī)程。

3.6 未熔合，未焊透

焊接時，如果采用異質(zhì)焊材，焊材與母材的熔化溫度區(qū)間差異較大，在焊接過程中容易產(chǎn)生熔合不良等問題。所以一般采用鎳基合金焊材。

3.7 焊接應(yīng)力和變形

9Ni鋼熱膨脹系數(shù)較大，在20℃到－196℃之間線膨脹系數(shù)為 8.05×10－6/℃[8]， 為了減小焊接接頭的應(yīng)力和變形，在選擇焊接材料時，盡量選擇熱膨脹系數(shù)與9Ni鋼相接近的焊材。

4 焊接工藝

4.1 焊接方法

目前，9Ni鋼可采用的焊接方法主要有：焊條電弧焊（SMAW），埋弧焊（SAW），熔化極惰性氣體保護(hù)焊（GMAW），鎢極氬弧焊（GTAW）。SMAW適合各種焊接位置，靈活性大，合金過渡系數(shù)高；SAW熔敷效率高，適于環(huán)焊縫橫焊位置的焊接；GTAW的焊接效率太低，在工程中選擇此焊接方法不太經(jīng)濟(jì)，但能得到具有窄坡口高質(zhì)量的焊接接頭，所以只有在特定場合才選擇GTAW。GMAW方法在應(yīng)用時由于存在較大缺陷和局限性，所以9Ni鋼的現(xiàn)場焊接基本只采用SMAW和SAW。

4.2 焊接材料

為獲得性能優(yōu)越的焊接接頭，保證焊縫具有與9Ni鋼相適應(yīng)的低溫韌性，焊接生產(chǎn)中需采用合適的焊接材料，按Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分為：①60%以上的Ni基型 （Ni-Cr-Mo系合金）；②40%的Fe-Ni基型（Fe-Ni-Cr系合金）；③13%的13Ni-16Cr-Mn-W型奧氏體不銹鋼；④11%的鐵素體型。其中，采用Ni基和Fe-Ni基型焊材可以獲得良好的低溫韌性，且線膨脹系數(shù)與9Ni鋼接近，盡管焊接過程中熱裂紋敏感性較高，但通過調(diào)整焊接工藝措施和焊接工藝參數(shù)可以解決，所以這兩類焊材是焊接9Ni鋼的最合適選擇[9]。

4.3 焊接電流

為避免磁偏吹，最好采用交流方波焊接電源，并配合交流焊接的鎳基合金焊條。

4.4 焊前清理及坡口加工

焊接前，采用有機(jī)溶劑清洗或打磨的方法，對焊接坡口表面進(jìn)行清理，保證坡口表面及其附近區(qū)域沒有氧化皮、油污、水分和有機(jī)物等雜質(zhì)。

坡口加工：通常采用X形和Y形坡口。由于大型LNG儲罐的9Ni鋼內(nèi)壁鋼板厚度為10～36 mm，厚度的跨度比較大，因此，開坡口時，較薄的鋼板采用單邊V形(Y形)坡口，較厚的鋼板采用X形坡口[7]。

4.5 預(yù)熱溫度、層間溫度和焊接熱輸入

預(yù)熱溫度，層間溫度和焊接熱輸入會直接影響鋼材焊后的冷卻速度。冷卻速度越慢，晶粒長大越顯著，導(dǎo)致低溫韌性下降，故9Ni鋼在焊前一般不需要預(yù)熱，且應(yīng)控制層間溫度在100℃以下，焊接熱輸入應(yīng)控制在7～35 kJ/cm之間[2]。

對板厚超過8 mm的9Ni鋼，焊接時盡量采用多層多道焊，避免單道焊。研究表明[15]，小線能量(15 kJ/cm)單道熱循環(huán)CGHAZ的低溫(－196℃)沖擊功比較低，經(jīng)過800℃或900℃二次熱循環(huán)后，低溫沖擊功明顯提高，三次熱循環(huán)還能進(jìn)一步改善CGHAZ的低溫韌性。在實際操作中，還要認(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 焊接檢測

LNG儲罐用9Ni鋼焊接檢測方法主要有無損檢測和壓力檢測、真空箱法檢測等。其中，無損檢測主要包括射線檢測、超聲波檢測及滲透檢測。射線檢測和超聲波檢測主要檢測焊縫的內(nèi)部缺陷，滲透檢測主要是檢測焊縫的表面缺陷[16]。

6 結(jié) 語

伴隨著全球范圍內(nèi)天然氣消耗量的持續(xù)增長，建造新的LNG設(shè)施的需求不斷增加，9Ni鋼作為LNG儲罐的主體結(jié)構(gòu)材料，將被大量使用。本文回顧總結(jié)了近幾十年9Ni鋼焊接技術(shù)的發(fā)展，針對其焊接性及焊接工藝進(jìn)行了詳細(xì)闡述，將為今后9Ni鋼在LNG儲罐中的實際運用提供依據(jù)，以推動我國在該領(lǐng)域的發(fā)展。

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Analysis on 9Ni Steel Used for LNG Store Tank and its Weldability

GENG Dudu,YAN Chunyan,NA Xueyang,QU Yang,YANG Shunzhen
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,Jiangsu,China)

In this article,it introduced the development of 9Ni steel at home and abroad,analyzed its chemical composition,microstructure,properties characteristics,and systematically expatiated weldability.The analysis results showed that 9Ni steel is with some advantages,such as high strength,easy to be processed,good weldability and so on,which is suitable for usage in LNG tank under ultra-low temperature conditions.9Ni steel is with little cold crack sensitivity,when matching welding materials with welding process is applicable,the welding hot cracking and other welding defects can be avoided,as well as the decrease of low temperature toughness.In practical welding,it should adopt low heat input and multi-layer,multi-pass welding.The preheating before welding is not necessary,but the interlayer temperature should be controlled lower than 100℃.

welded pipe;appearance inspection;measure template;deviation

TG133.26

A

1001－3938（2015）05-0005-04

耿都都（1992—），女，河海大學(xué)本科在讀，即將于天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院繼續(xù)攻讀碩士學(xué)位，專業(yè)為材料加工工程，研究方向為材料焊接冶金及焊接結(jié)構(gòu)分析。

2015-01-14

謝淑霞