淺談LNG 低溫儲(chǔ)罐內(nèi)罐焊接技術(shù)

李雪梅

中石化第四建設(shè)有限公司 天津 300270

隨著LNG 行業(yè)的快速發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)已建造多個(gè)LNG 儲(chǔ)罐接收站，包括5 萬(wàn)m3、8 萬(wàn)m3、16 萬(wàn)m3到和22 萬(wàn)m3全容式LNG 低溫儲(chǔ)罐。結(jié)構(gòu)形式上有雙鋼LNG 低溫儲(chǔ)罐、外罐混凝土內(nèi)罐鋼制等兩種形式，其中以外罐混凝土內(nèi)罐9%Ni 鋼制結(jié)構(gòu)形式為主。無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)形式，LNG 內(nèi)罐的焊接是LNG 儲(chǔ)罐施工的關(guān)鍵技術(shù)之一，以下以16 萬(wàn)m3LNG 低溫儲(chǔ)罐為例介紹LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)罐的焊接。

1 LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)介紹

16 萬(wàn)m3低溫儲(chǔ)罐為自承式拱頂儲(chǔ)罐，屬于全包容儲(chǔ)罐。其外罐體為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，內(nèi)罐體為9%Ni 鋼制內(nèi)殼體?；炷镣夤迌?nèi)直徑為82.00m, 外直徑為83.60m，罐頂半徑為 82.005m；金屬內(nèi)罐直徑為80.00m，罐壁高度為35.43m；每臺(tái)儲(chǔ)罐容積為16萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)液位為34.80m。

內(nèi)罐三層罐底板：最下層為防潮底板、中間層為9%Ni 鋼底板、上層為9%Ni 鋼底板。每?jī)蓪拥装彘g有保冷層、水泥層和干沙層（干沙層中間鋪設(shè)充氮降溫管道）；外罐壁內(nèi)側(cè)有一層碳鋼防潮板，內(nèi)罐外壁鋪滿(mǎn)彈性氈，內(nèi)外罐間填充珍珠巖保冷材料；罐內(nèi)部有一個(gè)懸掛在外罐頂部下方的鋁浮盤(pán)。

2 LNG儲(chǔ)罐的焊接內(nèi)容

16 萬(wàn)m3低溫儲(chǔ)罐的焊接內(nèi)容如表1 所示。

表1 16 萬(wàn)m3 低溫儲(chǔ)罐的焊接內(nèi)容

3 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐材質(zhì)特性分析

9%Ni 鋼以其優(yōu)良的低溫韌性和焊接性被認(rèn)為是制造低溫壓力容器的優(yōu)良材料，目前9%Ni 鋼已完全實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，鋼材型號(hào)為06Ni9DR。LNG 儲(chǔ)罐的內(nèi)罐材料無(wú)一例外都采用了9%Ni 鋼，因此，9%Ni 鋼的焊接成為L(zhǎng)NG 工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.1 LNG儲(chǔ)罐用低溫鋼板的化學(xué)成分及機(jī)械性能

16 萬(wàn)m3LNG 低溫儲(chǔ)罐用低溫鋼板的06Ni9DR化學(xué)成分及機(jī)械性能見(jiàn)表2 和表3。

表2 06Ni9DR鋼化學(xué)成分

表3 06Ni9DR鋼機(jī)械性能

3.2 9%Ni 鋼焊接性分析

焊接9%Ni 鋼的主要問(wèn)題是保證焊接接頭的低溫韌性、防止焊接裂紋、防止電弧磁偏吹等問(wèn)題，這與焊接材料的類(lèi)型、焊接熱輸入、焊接工藝有關(guān)。

3.2.1 焊接接頭的低溫韌性

焊接接頭的低溫韌性問(wèn)題可能出現(xiàn)于焊縫金屬、熔合區(qū)和粗晶區(qū)中。焊縫金屬的低溫韌性主要與采用的焊接材料類(lèi)型有關(guān)。用與Ni9 鋼成分相同的焊接材料焊接Ni9 鋼時(shí)，焊縫金屬的低溫韌性很差，一般Ni9鋼的焊接材料主要采用Ni 基(如含Ni 約60%以上的Inconel 型)、Fe- Ni 基(如含Ni 約40%的Fe- Ni 基型)和Ni- Cr (如Ni13%- Cr16%) 奧氏體不銹鋼三種類(lèi)型。Ni 基和Fe- Ni 基焊接材料的低溫韌性良好，含Ni13%- Cr16%奧氏體不銹鋼型焊接材料的強(qiáng)度稍高，但低溫韌性較差，而且易在熔合區(qū)出現(xiàn)脆性組織。

熔合區(qū)的低溫韌性與所出現(xiàn)的脆性組織有關(guān)。當(dāng)采用Ni13%- Cr16%型奧氏體不銹鋼焊材焊接Ni9 鋼時(shí)，熔合區(qū)的化學(xué)成分既非奧氏體鋼也非Ni9 鋼的成分，而是富含Cr、Mn、W 與C 的區(qū)域。熔合區(qū)的硬度明顯比焊縫金屬和熱影響區(qū)的硬度高，而且熔合區(qū)內(nèi)的硬度又隨所處位置的不同而不同。粗晶區(qū)的韌性主要取決于焊接熱輸入與焊后的冷卻速度。

3.2.2 焊接熱裂紋

采用Ni 基、Fe- Ni 基或Ni13%- Cr16%奧氏體不銹鋼焊材焊接Ni9 鋼時(shí)，都可能產(chǎn)生熱裂紋。焊縫熱裂紋易產(chǎn)生于打底焊縫或定位焊縫中，如果夾渣較多，也能從夾渣處產(chǎn)生裂紋。定位焊時(shí)，在起弧處也可能產(chǎn)生裂紋。裂紋傾向還與焊接位置有關(guān)。在立、仰、橫與平四個(gè)焊接位置中，橫焊與平焊的裂紋傾向最大，立焊與仰焊較小。要消除裂紋，最根本的辦法是減少有害雜質(zhì)元素，采用正確的收弧技術(shù)并配合適當(dāng)打磨處理。

3.2.3 電弧的磁偏吹

焊接9%Ni 鋼時(shí)易發(fā)生電弧的磁偏吹。為消除磁偏吹，應(yīng)控制9%Ni 鋼母材的剩磁在50 高斯。同時(shí)，焊接時(shí)應(yīng)盡量采用交流焊接，避免用大電流的碳弧氣刨清根。

4 LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)罐焊接采用的焊接規(guī)范

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于低溫儲(chǔ)罐的施工方面還無(wú)具體的驗(yàn)收規(guī)范，主要參考國(guó)外相關(guān)規(guī)范。焊接工藝評(píng)定及焊接施工主要應(yīng)用的規(guī)范如下：

（1）美國(guó)石油學(xué)會(huì)APl620- 2002《大型焊接低壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建造》；

（2）歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN14620 《設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)建造立式、圓筒形、平底、鋼制、操作溫度介于0～165℃的冷卻液化氣儲(chǔ)罐》；

（3）BS7777《立式圓筒型低溫儲(chǔ)罐》；

（4）ASME IX《焊接和釬焊評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》。

5 焊接方法

LNG 儲(chǔ)罐焊接的主要方法有焊條電弧焊、埋弧自動(dòng)焊，也是目前我國(guó)LNG 儲(chǔ)罐本體普遍采用的焊接方法。其中焊條電弧焊主要應(yīng)用于壁板的立縫、底板、大角縫和角保護(hù)板的焊接，埋弧自動(dòng)焊主要應(yīng)用于壁板的橫縫。

6 焊接設(shè)備

9%Ni 鋼是一種磁化傾向較大的材料。鋼材的磁性會(huì)造成電弧的磁偏吹，并會(huì)嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，造成未焊透、未熔合，以及夾渣、氣孔等缺陷，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法施焊。因此焊接電源采用交流焊接電源，來(lái)避免電弧的磁偏吹現(xiàn)象。

7 焊接材料

目前，在世界各國(guó)LNG 儲(chǔ)罐的建造中，焊條采用ENiCrMo- 6、ENiCrMo- 3、ENiCrFe- 9 等，焊絲采用ER NiCrMo- 3、ERNiCrMo- 4、ER NiCrMo- 8、ER NiMo- 8、ER NiMo- 9 等，但使用ER NiCrMo- 4 的較多。

8 焊接工藝評(píng)定

焊接工藝評(píng)定采用標(biāo)準(zhǔn)主要有ASME 標(biāo)準(zhǔn)API620，以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)ENISO15614- 1 和EN14620。

8.1 評(píng)定的數(shù)量

焊接工藝評(píng)定的項(xiàng)目覆蓋執(zhí)行ASME 標(biāo)準(zhǔn)及EN14620，涵蓋儲(chǔ)罐壁板最小厚度及最大厚度。并按設(shè)計(jì)要求增加一次返修、二次返修的焊接工藝評(píng)定，以及角縫的焊接工藝評(píng)定和罐底的焊接工藝評(píng)定。焊接接頭（包括全焊縫）室溫力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 焊接接頭（包括全焊縫）室溫力學(xué)性能指標(biāo)

8.2 試件取樣要求

試驗(yàn)的試件按ASME 或者國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行取樣，其中返修焊接試件按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行焊接并取樣。

8.3 試驗(yàn)項(xiàng)目

試驗(yàn)項(xiàng)目主要有拉伸、彎曲、沖擊（- 196℃）和硬度檢驗(yàn)。角焊縫進(jìn)行硬度及宏觀金相檢驗(yàn)，且拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)斷裂部分在焊縫金屬時(shí)，應(yīng)增加全焊縫金屬拉伸試驗(yàn)。

8.4 試驗(yàn)可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及合格指標(biāo)

8.4.1 拉伸試驗(yàn)

橫向拉伸試樣每組2 件，試驗(yàn)方法采用GB/ T228- 2002，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)采用NB/ T47014- 2011,合格指標(biāo)見(jiàn)表3。全焊縫金屬拉伸試驗(yàn)方法采用GB/ T228- 2002，檢測(cè)項(xiàng)目為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率，強(qiáng)度合格指標(biāo)見(jiàn)表4，延伸率合格指標(biāo)要求不低于35%。

8.4.2 彎曲試驗(yàn)

縱向彎曲試驗(yàn)每組4 件，試驗(yàn)方法采用GB/ T232- 1999。

8.4.3 沖擊試驗(yàn)

沖擊溫度為 - 196℃， 試驗(yàn)方法采用GB/ T229- 2007，檢測(cè)項(xiàng)目包括沖擊功及側(cè)向膨脹量，合格指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 焊接接頭最小沖擊值（V型缺口）

8.4.4 硬度試驗(yàn)

硬度試驗(yàn)方法采用GB/ T4043.4- 2009，合格指標(biāo)：不大于400HV10（目標(biāo)值為不大于360 HV10）。

9 LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)罐組焊

9.1 內(nèi)罐罐底焊接

9.1.1 罐底邊緣板的焊接

（1）罐底邊緣板按照對(duì)稱(chēng)位置進(jìn)行焊接，焊工均布，在焊接過(guò)程中嚴(yán)格按照工藝評(píng)定的參數(shù)進(jìn)行控制。邊緣板上表面焊完后測(cè)量角變形，若變形較大，在背面清根時(shí)控制焊道打磨深度進(jìn)行反變形處理，盡量保證邊緣板的平整度。

（2）邊緣板對(duì)接焊縫仰臉焊接前在焊道兩側(cè)做馬凳支撐，每條焊道兩側(cè)各放置兩個(gè)不同高度馬凳，靠近焊道的地方放置高700mm 的馬凳，中部支撐500mm的馬凳，從而保證焊道焊接時(shí)受力較小。

（3）焊工在焊接過(guò)程中盡量減少背面焊接的工作量，保證焊接合格率。

9.1.2 罐底中幅板及龜甲縫的焊接

（1）罐底中幅板全部為搭接形式，搭接接頭三層板重疊部分要按照?qǐng)D紙將上層板切角，且在上層底板鋪設(shè)前，先焊接上層底板覆蓋部分的角焊縫；

（2） 底板定位焊后，所有搭接縫間隙不大于1mm；

（3）焊接時(shí)焊工沿罐底中心線對(duì)稱(chēng)分布施焊，先焊短縫、后焊長(zhǎng)縫，由里向外，分段退步焊。

（4）罐底板在保冷玻璃磚鋪設(shè)完畢后進(jìn)行安裝焊接；

（5）定位焊時(shí)應(yīng)使用和正式焊接相同的焊條，焊條型號(hào)為ENiCrMo- 6，規(guī)格為φ3.2mm，定位焊長(zhǎng)度50mm，間隔300mm；

（6）焊前應(yīng)將焊道附近的泥沙、鐵銹、水及油污等雜物清理干凈，并應(yīng)在充分干燥的條件下進(jìn)行焊接，若有水分，用氧炔焰烘烤干凈；

（7）焊接全部采用手工焊接完成；

（8）為防止起弧處產(chǎn)生氣孔，應(yīng)采用退弧引弧法；

9.2 壁板立縫的焊接

（1）焊接時(shí)嚴(yán)格按照工藝評(píng)定的要求進(jìn)行控制，采用小電流、多層多道焊接。

（2）所有立縫全部采用焊條電弧焊，焊接完成后進(jìn)行100%射線檢測(cè)。焊接過(guò)程中每根焊條的收弧位置應(yīng)進(jìn)行打磨處理，以保證焊接質(zhì)量。

（3）立縫均采用焊條電弧焊的焊接方法，焊接時(shí)先焊外側(cè)，后焊內(nèi)側(cè)。

（4） 焊前徹底清除焊縫坡口表面及坡口兩側(cè)20mm 范圍內(nèi)的油、銹、泥等污物。

（5）焊接方向自下而上進(jìn)行，采用退步焊。

9.3 壁板環(huán)焊縫焊接

（1）組對(duì)從罐內(nèi)側(cè)進(jìn)行焊接，定位焊長(zhǎng)度不宜小于50mm，間隔30～500mm。定位焊工藝要求與正式焊接工藝相同，且要保證焊接質(zhì)量。

（2）定位焊前將坡口及坡口邊緣20mm 范圍內(nèi)的泥沙、鐵銹、水分及油污等清除干凈。

（3）如果坡口間隙大于焊接工藝要求，應(yīng)先用手工焊從罐內(nèi)側(cè)修整，并將焊渣打磨掉。

（4）每條環(huán)縫由多臺(tái)焊機(jī)沿圓周均勻分布，并沿同一方向進(jìn)行施焊，同一部位焊縫由一臺(tái)焊機(jī)焊接；環(huán)縫焊接時(shí)先焊外側(cè)再焊內(nèi)側(cè)。

（5）每層焊道引弧后，要檢查焊絲落點(diǎn)是否正確，并應(yīng)立即檢查焊道成型情況，以調(diào)整焊接工藝參數(shù)及焊槍角度位置，調(diào)整中盡量避免改動(dòng)事前確定的電流、電壓，通過(guò)焊接速度和對(duì)準(zhǔn)位置來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

（6）橫縫焊接時(shí)，保證打底焊的質(zhì)量最關(guān)鍵。焊接時(shí)要調(diào)整好焊槍角度，焊絲對(duì)準(zhǔn)坡口的位置，保持每層焊道良好的焊道成型；打底焊后應(yīng)徹底清除焊渣，對(duì)不規(guī)則的部位要進(jìn)行修整。

（7）在焊接過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝評(píng)定，質(zhì)檢員要加強(qiáng)對(duì)焊道層間溫度的測(cè)量，檢測(cè)焊接過(guò)程中電流、電壓和焊接速度。

10 結(jié)論

大型LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)罐9%Ni 鋼橫縫采用埋弧焊，縱縫采用手工焊接，通過(guò)以上的工藝控制措施，保證了LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)罐的焊接施工質(zhì)量，提高了焊接生產(chǎn)率。