9%Ni鋼LNG低溫儲(chǔ)罐用埋弧焊焊接材料研制

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(1.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150028；2.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028；3.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

0 前言

液化天然氣(LNG)作為一種清潔、高效的能源，眾多國(guó)家都已將LNG列為首選燃料，正以每年12%的速度增長(zhǎng)，成為全球增長(zhǎng)最激烈的能源行業(yè)。近幾年，全球LNG的生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，LNG作為新型稀缺清潔資源，正成為世界油氣工業(yè)的新熱點(diǎn)。中國(guó)的LNG主要依賴于國(guó)外進(jìn)口，需要大量的低溫儲(chǔ)罐和輸送管網(wǎng)，雖然在2007年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了9%Ni鋼國(guó)產(chǎn)化，但還沒有在LNG低溫儲(chǔ)罐中廣泛應(yīng)用。

大型LNG低溫儲(chǔ)罐用9%Ni鋼焊接技術(shù)是LNG低溫儲(chǔ)罐建設(shè)的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)缺少針對(duì)大型LNG低溫儲(chǔ)罐用9%Ni鋼焊接材料和焊接工藝的研究。 到目前為止，國(guó)內(nèi)在LNG液化儲(chǔ)存技術(shù)方面剛剛起步，與LNG低溫儲(chǔ)罐用9%Ni鋼配套的焊接材料和焊接工藝的研究也處于起步階段，焊接材料完全依賴于進(jìn)口。試驗(yàn)主要是研制大型低溫LNG儲(chǔ)罐9%Ni鋼專用焊接材料，實(shí)現(xiàn)大型低溫LNG儲(chǔ)罐焊接材料[1-3]國(guó)產(chǎn)化。

1 試驗(yàn)要求與方法

1.1 技術(shù)要求

LNG低溫儲(chǔ)罐的焊接材料技術(shù)要求對(duì)HNi276焊絲及HNi276/SJ609熔敷金屬的C，S，P，Si元素含量進(jìn)行了嚴(yán)格控制，見表1。對(duì)熔敷金屬焊態(tài)力學(xué)性能要求嚴(yán)格，特別是-196 ℃沖擊性能，見表2。同時(shí),要求研制的焊絲、焊劑適用于交流、直流電源兩用的埋弧平焊和橫焊現(xiàn)場(chǎng)焊接。

1.2 試驗(yàn)方法

母材為Q345(16Mn)鋼，對(duì)接試板用ENiCrMo-4焊條焊3層過渡層，試板厚度為20 mm，焊接方式為交流埋弧平焊[4]。具體焊接工藝參數(shù)見表3。

按照ASTM A751-2014《鋼產(chǎn)品化學(xué)分析的試驗(yàn)方法、規(guī)程和術(shù)語》進(jìn)行化學(xué)分析。焊縫金屬力學(xué)性能分別按照GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》、GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》、GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行拉伸、沖擊及彎曲試驗(yàn)。

表1 HNi276焊絲及HNi276/SJ609熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 熔敷金屬力學(xué)性能

表3 焊接工藝參數(shù)

2 焊接材料的研制

2.1 焊絲成分設(shè)計(jì)

9%Ni鋼焊接材料熔敷金屬力學(xué)性能指標(biāo)一般包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和沖擊吸收能量，此外還要考慮焊接材料的低溫韌性、焊縫金屬熔化溫度和熱膨脹系數(shù)。分析成分對(duì)性能的影響，焊接工藝及參數(shù)對(duì)性能的影響。同時(shí)研究制備技術(shù)對(duì)焊絲表面質(zhì)量、焊接工藝性能及力學(xué)性能的影響，為樣品成分設(shè)計(jì)和制備技術(shù)提供依據(jù)。結(jié)合已有的研究數(shù)據(jù)和產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)研究焊絲HNi276的化學(xué)成分。設(shè)計(jì)主要原則：①主成分滿足技術(shù)條件；②嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素，特別是C，S，P和Si元素的含量。

2.2焊劑的研制

2.2.1焊劑類型定型

埋弧焊焊劑按照制造方法采用燒結(jié)型埋弧焊劑。燒結(jié)型焊劑可以減少焊劑過渡較多的C元素,從而降低鎳基合金中C元素對(duì)熱裂紋影響,且有利于保證焊劑合金過渡的要求。因此, 對(duì)新研制的焊劑選為燒結(jié)型。

2.2.2焊劑渣系的選擇及調(diào)試

焊劑的選用首先要考慮焊接工藝性, 其次要考慮焊劑渣系及其組分對(duì)焊縫熔敷金屬力學(xué)性能的影響。按焊劑的堿度分為3組, 進(jìn)行焊接工藝性能調(diào)試，第一組堿度<1.5； 第二組堿度為1.5～ 2.0；第二組堿度為2.0～3.0。工藝性能主要考核焊劑的脫渣性能、焊道成形、電弧穩(wěn)定性3個(gè)方面。通過焊劑組分的變化及含量的調(diào)整, 研究焊劑組分與脫渣性能、焊渣的熔點(diǎn)高低及粘度大小的變化關(guān)系，對(duì)焊劑的焊接工藝性能進(jìn)行優(yōu)化, 分別調(diào)試了幾十種配方, 優(yōu)化出工藝性能優(yōu)良的1號(hào)(B為1.2)、2號(hào)(SJ609)(B為1.8) 和3號(hào)(B為2.5)燒結(jié)焊劑試樣，分別對(duì)上述3種焊劑進(jìn)行熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)。焊絲為規(guī)格φ2.4 mm的 HNi276，焊劑粒度為0.28～2.00 mm。焊接工藝規(guī)范為焊接電流350 A、電弧電壓30 V、焊接速度550 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 熔敷金屬力學(xué)性能

由表4可知, 采用2號(hào)試樣熔敷金屬有良好抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性,而采用1號(hào)、3號(hào)試樣熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性較差。

對(duì)于鎳基埋弧焊用焊劑，保證具有良好工藝性的同時(shí)具備較低的合金燒損能力。鋁酸鹽基屬于中性渣系，具有較低的合金燒損能力，選定新研制的2號(hào)(SJ609)焊劑主渣系為Al2O3-SiO2-CaF2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊絲、焊劑的工藝性能

通過調(diào)整新研制的焊劑 SJ609 主渣系，使熔渣具有合適的粘度和表面張力，改善焊劑交流穩(wěn)弧性，提高焊接材料交流平焊及橫焊的工藝性能。采用新研制的焊絲HNi276/焊劑SJ609交、直流電源兩用的平焊和橫焊，工藝性能優(yōu)良，電弧穩(wěn)定，脫渣容易，焊縫成形較好。圖1為交流埋弧橫焊及橫焊焊道形貌。

3.2 熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能

熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表4，其中2號(hào)試樣-196 ℃沖擊吸收能量平均值達(dá)到112 J，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)側(cè)彎試驗(yàn)測(cè)試，試樣完好無裂紋，如圖2所示。研制的焊絲HNi276/焊劑SJ609及熔敷金屬化學(xué)成分分析結(jié)果見表5。

圖1 交流埋弧橫焊及焊道

圖2 側(cè)彎試樣

表5 HNi276焊絲及HNi276/SJ609熔敷金屬的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3.3 金相組織

圖3為試樣宏觀形貌，未見裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等缺欠。

圖3 宏觀形貌

圖4a為母材區(qū)組織，為馬氏體回火組織。圖4b為焊縫區(qū)組織，為γ固溶體，呈偏析特征，晶內(nèi)、晶界均有析出物存在，晶內(nèi)析出物呈顆粒狀(或小塊狀)，晶界析出物主要呈斷續(xù)棉絮狀；過熱區(qū)金相組織為板條馬氏體(圖4c)，檢驗(yàn)面上未見裂紋、夾渣、未熔合等缺欠。

3.4 焊接工藝評(píng)定

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備用焊接工藝評(píng)定》進(jìn)行焊接工藝評(píng)定[5]，母材為9%Ni鋼，試板厚度為20 mm，其化學(xué)成分見表6，采用交流埋弧平焊焊接。具體焊接工藝參數(shù)見表3。母材和焊接接頭的力學(xué)性能見表7，焊接接頭斷裂于焊縫區(qū)，接頭側(cè)彎試樣均完好，無裂紋，如圖5所示。焊縫中心、熔合線以及熱影響區(qū)的-196 ℃沖擊吸收能量均高于60 J。

3.5 國(guó)內(nèi)外焊接材料性能對(duì)比

在表3工藝參數(shù)條件下，對(duì)采用國(guó)內(nèi)外同類HNi276/SJ609焊接材料焊接的弧焊產(chǎn)品進(jìn)行比較。1#試樣采用進(jìn)口焊接材料，2#試樣采用新研制的HNi276/SJ609焊接材料，其產(chǎn)品形貌對(duì)比，如圖6所示。而兩者熔敷金屬的力學(xué)性能見表8。

表6 母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表7 母材和焊接接頭的力學(xué)性能

圖5 接頭試樣

圖6 國(guó)內(nèi)外弧焊產(chǎn)品的形貌對(duì)比

表8 熔敷金屬力學(xué)性能

從圖6和表8看出，研制開發(fā)的埋弧焊絲HNi276/焊劑SJ609焊接工藝性、拉伸性能和沖擊性能水平同國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品相當(dāng)，均能滿足于考核指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

(1) 研制出大型低溫LNG儲(chǔ)罐埋弧焊絲HNi276及燒結(jié)焊劑SJ609，其熔敷金屬化學(xué)成分和各項(xiàng)性能均滿足項(xiàng)目要求。

(2) 研制的鎳基埋弧焊絲HNi276及燒結(jié)焊劑SJ609具有良好的焊接工藝性能，熔敷金屬具有較低的S，P含量，-196 ℃沖擊吸收能量平均值達(dá)到110 J以上。

(3)研制的鎳基埋弧焊絲HNi276及燒結(jié)焊劑SJ609與國(guó)外同類產(chǎn)品工藝性能及力學(xué)性能水平相當(dāng)。