LNG儲(chǔ)罐9Ni鋼埋弧自動(dòng)橫焊焊接工藝研究

■ 王毅敏

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1. 概述

9%Ni鋼自開發(fā)以來，因其強(qiáng)度高，低溫韌性好，成本比Ni-Cr不銹鋼低，而逐漸被廣泛應(yīng)用。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油等能源越來越緊缺，對(duì)天然氣等的需求增加。根據(jù)我國能源發(fā)展戰(zhàn)略，在今后幾年內(nèi)建造許多大型的低溫儲(chǔ)罐、球罐，對(duì)罐體材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝和施工設(shè)備等方面的要求會(huì)更加嚴(yán)格。因此針對(duì)我們需要進(jìn)入新的低溫儲(chǔ)罐市場(chǎng)，提高生產(chǎn)率，使工藝合理化以及降低成本顯得十分重要。

2. 研究目的

大型LNG低溫儲(chǔ)罐安裝施工，采用的是A553（9%Ni鋼）專用鋼種，焊接是工程中的關(guān)鍵技術(shù)。每臺(tái)儲(chǔ)罐的焊縫總長(zhǎng)度達(dá)到3萬余米，如果采用常規(guī)的手工焊，高素質(zhì)焊工的使用人數(shù)十分龐大，不僅影響其他工程的實(shí)施，而且施工周期長(zhǎng)。另外，從保證焊接質(zhì)量方面考慮，半自動(dòng)焊、自動(dòng)焊質(zhì)量可靠且穩(wěn)定，仍然是施工首選。

（1）針對(duì)大型LNG儲(chǔ)罐的建造，試驗(yàn)出成熟的焊接方法和工藝，積累可靠的焊接技術(shù)資料，為9%Ni鋼的焊接質(zhì)量、焊接工藝評(píng)定奠定基礎(chǔ)。

（2）通過對(duì)焊接設(shè)備和焊接工藝的試用和試驗(yàn)，培訓(xùn)出一批能夠熟練掌握先進(jìn)設(shè)備的焊接技術(shù)人員和操作工人。

3. 研究的內(nèi)容

（1）焊接設(shè)備 YS AGW—Ⅰ型埋弧自動(dòng)橫焊機(jī)是在RANSOME AGW—Ⅰ型原裝機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)生產(chǎn)的自動(dòng)焊機(jī)，其主要性能參數(shù)如下：機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸為1800mm×1000mm×2500mm（寬度×深度×高度），機(jī)架高度寬度可自由調(diào)節(jié)。適用：板厚為8～45mm，板幅為1500～3200mm。適用：安裝工藝為正裝，適用罐體直徑為4500mm以上，焊絲直徑為1.6～4.0mm。機(jī)架重量：約800kg。焊接參數(shù)：焊接電流0～800A，焊接速度0～2700mm/min，無級(jí)調(diào)速。

（2）電源及焊接機(jī)頭 林肯DC600晶閘管焊接電源，該電源是由晶閘管控制的直流電源，并配有電位控制器，可進(jìn)行多種焊接方法之間的切換。通過使用，性能可靠、控制穩(wěn)定，并且按常規(guī)維護(hù)即可使電源處于完好狀態(tài)。

4. 焊接試驗(yàn)階段

（1）模擬試驗(yàn) 600mm×150mm×12mm的16MnR做模擬試驗(yàn)，焊槍與水平線呈15°～40°角。在9%Ni鋼未入廠之前，我們使用碳鋼作為母材，用H08MnA焊絲進(jìn)行焊接試驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)的參數(shù)調(diào)整，尋找出最佳的焊接參數(shù)。板厚12mm、22mm的焊接參數(shù)分別如表1、表2所示。

（2）9%Ni鋼試驗(yàn) 9%Ni鋼在焊接冶金反應(yīng)和熱循環(huán)的作用下，產(chǎn)生脆性相，低溫性能下降，冷、熱裂紋傾向增大。9%Ni鋼的裂紋傾向，低溫韌性的下降，磁化問題和有益元素的稀釋是低溫儲(chǔ)罐焊接中必須解決的四大難題。

第一，裂紋的產(chǎn)生。冷裂紋產(chǎn)生的原因有三方面：①選用含碳量高的焊材將會(huì)因熔合、擴(kuò)散使熔合區(qū)含碳量增高而產(chǎn)生硬化層，而選用含碳量不高于母材的焊材就可避免出現(xiàn)硬化層。查閱大量的相關(guān)文獻(xiàn)后，焊接時(shí)焊材采用焊絲ERNiCrMo3（TH625）、 ERNiCrMo4（TH NIMO C276），焊條EniCrMo—6（TH 13/16 TTW150），這些鎳合金焊接材料含Ni量高達(dá)55%～66%，含碳量與9%Ni鋼相同，均為低碳型，雖有母材的稀釋作用，仍有足夠高的奧氏體元素，避免熔合線出現(xiàn)硬脆的馬氏體帶，從而降低9%Ni鋼焊接冷裂紋傾向。②氫在硬化層中積聚。氫的積聚是由于焊縫坡口附近不潔（有水，油及有機(jī)物），以及焊條擴(kuò)散氫含量高所致。保持坡口清潔并選用低氫焊條，注意焊條、焊劑的烘干、保管，就可避免氫的積聚。③焊接接頭應(yīng)力包括組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和拘束應(yīng)力。選用低含碳量的焊材，可避免出現(xiàn)硬化組織，就不會(huì)產(chǎn)生過大的組織應(yīng)力；控制層間溫度以及選用較小的熱輸入，可控制熱應(yīng)力；合理的組對(duì)安裝和焊接順序，可減小拘束應(yīng)力，這樣就控制了冷裂紋的產(chǎn)生。

熱裂紋的產(chǎn)生與焊縫金屬結(jié)晶過程中的低熔點(diǎn)雜質(zhì)偏析的數(shù)量及分布有關(guān)，液體金屬結(jié)晶過程越長(zhǎng)，偏析越嚴(yán)重。偏析產(chǎn)生的低熔點(diǎn)雜質(zhì)分布在晶界上，尤其在純奧氏體組織中，雜質(zhì)在晶界上的分布是連續(xù)的。避免熱裂紋的辦法應(yīng)是選用熔化溫度區(qū)間范圍小的焊接材料。

第二，低溫韌性。低溫韌性降低的原因有兩個(gè)方面：①焊接材料的影響。如果焊材含碳量過高，或鎳、鉻當(dāng)量搭配以及焊材與母材熔合后的鎳、鉻當(dāng)量搭配落在不銹鋼組織圖中含馬氏體的區(qū)域內(nèi)，都會(huì)引起低溫韌性下降。為保證熔合區(qū)的低溫韌性，采用焊材的含碳量與9%Ni鋼相同或略低。含Ni量高達(dá)55%以上，可有效阻止碳遷移，避免熔合區(qū)產(chǎn)生脆性組織，從而保證熔合區(qū)低溫韌性。②焊接熱輸入和層間溫度會(huì)改變焊接熱循環(huán)的峰值溫度，從而影響熱影響區(qū)的金相組織。峰值溫度過高往往會(huì)產(chǎn)生粗大的馬氏體和貝氏體，從而使低溫韌性下降。因此，在焊接中必須控制熱輸入和適當(dāng)?shù)膶娱g溫度，并采用多道焊，來減少高溫停留時(shí)間，以保證熱影響區(qū)的低溫韌性。

第三，9%Ni鋼的磁化問題。9%Ni鋼是一種磁化傾向較嚴(yán)重的材料，在加工及運(yùn)輸過程中可能被磁化。當(dāng)用直流焊機(jī)焊接時(shí)，可能會(huì)被進(jìn)一步磁化，導(dǎo)致電弧磁偏吹，使焊縫產(chǎn)生各種缺陷，甚至無法正常施焊。克服磁偏吹的途徑：一是對(duì)母材進(jìn)行消磁處理；二是將永久磁鐵放在坡口兩側(cè)，以抵消母材的磁場(chǎng)；三是選用交流焊接，采用交流焊接使焊接質(zhì)量和施工工期都有保證。實(shí)踐表明，采用交流焊接對(duì)克服磁偏吹是行之有效的，同時(shí)為了保證電弧穩(wěn)定燃燒，焊機(jī)應(yīng)具有較高的負(fù)載電壓。

表1 焊接參數(shù)（板厚12mm）

表2 焊接參數(shù)（板厚22mm）

第四，有益元素的稀釋問題。焊接電流過大，焊槍的位置不當(dāng)，能引起熔池中有益元素的稀釋和燒損，從而造成焊縫質(zhì)量不能達(dá)到所要求的力學(xué)性能。因此，在第一層打底焊時(shí)采用交流方波并且控制波形使正弦值大于負(fù)值，從而增大熱輸入，增大熔深，保證根部有一定的熔深。在填充層采用交流方波波形，讓其下移，在增大電流情況下使熱輸入量減小，減少有益元素的稀釋和燒損。焊接時(shí)焊絲對(duì)準(zhǔn)前焊道的頂部也能減少稀釋。

（3）試驗(yàn)內(nèi)容 在模擬試驗(yàn)取得成功的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行9%Ni鋼的焊接。鋼板尺寸：600mm×150mm×12mm。工藝評(píng)定試驗(yàn)所用材料的化學(xué)成分如表3～表7所示。

采用不同的焊接材料和焊接參數(shù)進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)。試驗(yàn)用坡口形式如附圖所示。

工藝評(píng)定號(hào)：PQR0601，電流采用直流CC DC+，焊絲選用THERMANIT 625、φ1.6mm，焊劑為MARATHON 444。具體焊接參數(shù)如表8所示。

工藝評(píng)定號(hào)：PQR0603，電流采用交流 CV SQUAARE WATE，焊絲選用THERMANIT 625、φ1.6mm，焊劑為MARATHON 444。具體焊接參數(shù)如表9所示。

工藝評(píng)定號(hào)：PQR0605，焊接電流采用交流: CV SQUARE WAVE，焊絲選用THERMANIT C276、 φ2.4mm，焊劑為MARATHON 104。具體焊接參數(shù)如表10所示。

工藝評(píng)定號(hào)：PQR0606，焊接電流采用直流: CC DC+，焊絲選用THERMANIT C276、φ2.4mm，焊劑為MARATHON 104。具體焊接參數(shù)如表11所示。

（4）結(jié)果分析 通過采取以上措施，我們?cè)僖淮巫隽W(xué)性能試驗(yàn)，得到合格的焊縫。

坡口形式

表3 9%Ni鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 焊絲THERMANIT NIMO C276的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 焊絲THERMANIT 625的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表6 焊劑MARATHON 444的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表7 焊劑MARATHON 104的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表8 焊接參數(shù)

表9 焊接參數(shù)

表10 焊接參數(shù)

表11 焊接參數(shù)

對(duì)試件PQR0601、PQR0603、PQR0605、PQR0606進(jìn)行金相試驗(yàn)，宏觀腐蝕合格。

對(duì)試件PQR0601、PQR0603、PQR0605、PQR0606進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，在彎曲條件α=180°，A=38的情況下，面彎和背彎合格。對(duì)試件PQR0601、PQR0603、PQR0605、PQR0606進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，在-196℃的條件下，沖擊吸收能量和側(cè)向膨脹量均合格。

5. 結(jié)語

通過上述分析，施工中采用如下措施，即可得到滿意的焊接質(zhì)量。

（1）做好坡口的焊前清理工作，在焊縫兩側(cè)50mm范圍內(nèi)焊前必須用角向砂輪機(jī)打磨干凈，不得有鐵銹及其他污染物。

（2）嚴(yán)格控制焊接熱輸入，選擇合適的焊接電流，電弧電壓及焊接速度。

（3）焊接材料要有嚴(yán)格遵守管理規(guī)定，焊劑一定要烘干，烘干溫度300～350℃，時(shí)間2h，嚴(yán)格執(zhí)行焊接材料發(fā)放、回收、烘干制度。

（4）做好每天的天氣、環(huán)境溫度、濕度記錄工作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況決定預(yù)熱措施等。

（5）保證定位焊縫的質(zhì)量，定位焊長(zhǎng)度應(yīng)＞50mm，正式施焊前應(yīng)檢查定位焊縫，若發(fā)現(xiàn)裂紋要及時(shí)處理。

（6）嚴(yán)禁在9%Ni鋼母材上隨意打弧、點(diǎn)焊，所有弧坑、工夾具缺陷都必須補(bǔ)焊，打磨清理后進(jìn)行著色檢查。

（7）工藝評(píng)定所用的焊材，操作性能、工藝性能好，容易掌握其焊接時(shí)的特點(diǎn)，焊接時(shí)一般可得到滿意的焊接質(zhì)量。

（8）焊工在施工前還必須經(jīng)過培訓(xùn)，以保證實(shí)現(xiàn)焊接的高質(zhì)量、高效率。

（9）對(duì)焊條電弧焊進(jìn)行工藝評(píng)定，以確定焊接的規(guī)范并用于培訓(xùn)焊工。