X7Ni9鋼制LNG運輸船液貨艙焊接工藝及應用

(1.武漢一冶鋼結構有限責任公司,武漢 430080；2.武漢大學 動力與機械學院,武漢 430072；3.湖北錦翔能源工程有限公司,武漢 430074)

0 引言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)是目前公認的高效清潔能源之一，隨著LNG工業(yè)和民用需求量[1-2]的不斷增加，國內大力推進LNG儲運設備及儲罐用9%Ni鋼[3]的國產(chǎn)化與應用。在儲存領域，隨著大型LNG儲罐技術[4]的不斷發(fā)展，陸用固定式大型LNG儲罐[5]已建成較多；在運輸領域，近年來用于遠洋運輸?shù)腖NG運輸船建造發(fā)展迅猛，其關鍵設備是儲存LNG的低溫液貨艙(運輸船裝載液體貨物的容器)。LNG運輸船液貨艙有多種形式，根據(jù)其結構形式和選材，目前LNG運輸船的C形艙主要采用低溫鋼建造。9%Ni鋼在-196 ℃具有良好的韌性和較高的強度，是實現(xiàn)LNG運輸船液貨艙大容積化和輕量化的首選材料。

歐美及日韓等國家發(fā)展9%Ni鋼已有幾十年的歷史[6]，我國近幾年才實現(xiàn)9%Ni鋼[7]的國產(chǎn)化并納入相關國家標準。9%Ni鋼在EN 10028-4[8]中的牌號為X7Ni9，首次應用于建造國內LNG船液貨艙。本文采用不同合金系的鎳基焊材匹配國產(chǎn)X7Ni9同種鋼及其與S30408異種鋼接頭，進行焊接工藝試驗及性能分析，根據(jù)試驗結果，選擇Ni-Cr-Fe系焊接材料應用于國內首艘雙燃料30 000 m3LNG運輸船項目，取得較好的應用效果。

1 X7Ni9鋼化學成分及力學性能

X7Ni9鋼經(jīng)淬火+回火調質熱處理，獲得了以回火板條狀馬氏體為主的組織，在馬氏體基體內部還分布著一定量的逆轉變奧氏體[9]和殘余奧氏體，因此既有高的強度，又具有良好的低溫韌性。

9%Ni鋼的化學成分和力學性能與各國標準比較如表1，2所示,表中實物值是南鋼產(chǎn)17 mm厚的X7Ni9鋼板。從表1可以看出,GB 24510—2009對鋼板S，P含量要求較低；從表2可以看出，EN 10028-4和GB 24510—2009對鋼板低溫沖擊韌性要求較高，南鋼X7Ni9鋼實物-196 ℃的KV2達160 J以上，遠高出國內外標準的要求。

表1 9%Ni鋼化學成分 %

表2 9%Ni鋼力學性能

2 X7Ni9鋼焊接性分析

X7Ni9鋼屬于低碳回火板條馬氏體組織，焊接時具有自回火特性，不易產(chǎn)生淬硬組織，因此對冷裂紋不敏感，一般厚度25 mm以下不用預熱；對焊接熱輸入較敏感，焊接時盡可能采用較小熱輸入；由于低碳馬氏體極易被磁化，焊接時易產(chǎn)生磁偏吹。

X7Ni9鋼用焊接材料不可采用鐵基或奧氏體不銹鋼焊材，國內外均采用鎳含量高達55%以上的鎳基合金焊材，焊縫為全奧氏體組織，因此，對9%Ni鋼焊接性分析更多的是鎳基焊材形成的奧氏體焊縫與9%Ni鋼異種金屬之間的熔合問題。該焊縫金屬Ni基上添加了Cr,Mo,W,Nb等合金元素來提高焊縫的強度，當母材稀釋率增加時，焊縫金屬的強度會下降；該焊材焊接工藝性一般，由于Ni含量高，施焊時熔液黏性較大，鐵水不易攤開；焊縫金屬熔點比9%Ni鋼約低100 ℃左右[10]，易產(chǎn)生未熔合類焊接缺陷；在仰焊位置時，由于氣體難以溢出，易產(chǎn)生密集型氣孔；焊縫中Ni含量較高，易與雜質元素P,S相結合，在晶間生成低熔共晶的磷化鎳和硫化鎳，在焊縫金屬凝固過程中易產(chǎn)生熱裂紋。

3 X7Ni9同種鋼焊接

3.1 焊接材料

9%Ni鋼配套的焊接材料主要有4種類型[11]，試驗時選用了Ni-Cr-Mo系(ENiCrMo-6)和Ni-Cr-Fe系(ENiCrFe-9)焊條進行試驗。其中，ENiCrMo-6焊條分別為瑞典ESAB公司和法國OERLIKON公司生產(chǎn)，熔敷金屬名義成分為65%Ni,14.5%Cr,7%Fe,7%Mo,3%Mn,1.5%W和1.5%(Nb+Ta)；ENiCrFe-9焊條選擇日本神戶制鋼產(chǎn)品NI-C70S，熔敷金屬名義成分為70%Ni,14%Cr,9%Fe,4%Mo,1%W和1.5%(Nb+Ta)。焊條直徑4.0 mm，其熔敷金屬化學成分如表3所示，力學性能如表4所示。

鎳基合金焊材熔敷金屬化學成分與母材X7Ni9鋼有較大的差異，以低溫韌性較好的奧氏體組織[12]為主，熔敷金屬的屈強比低于母材，表現(xiàn)為抗拉強度與母材等強匹配，而屈服強度則遠低于母材。

表3 焊條熔敷金屬的化學成分 %

表4 焊條熔敷金屬的力學性能

3.2 焊接性能試驗

X7Ni9鋼制液貨艙的焊接接頭包含了平焊、橫焊、立焊和仰焊4種焊接位置，為防止產(chǎn)生未熔合缺陷，坡口角度不宜過小。在焊接時，焊條要有足夠的擺動空間，根據(jù)不同板厚，采取不對稱X形和V形兩種坡口形式，如圖1所示。

(a)X形坡口

(b)V形坡口

圖1 X7Ni9鋼焊接坡口

打底焊接時，母材與焊材的互相稀釋強烈，引起焊縫力學性能下降，在背面清根時，需將打底焊焊肉完全清除。起弧時采用后退法，更換焊條的速度要快，盡量在前一道焊縫尾部處于紅熱態(tài)時重新引?。皇栈r，將電弧移開焊縫，在坡口上收弧，然后打磨處理，有利于消除表面細微的裂紋等缺陷，每一層焊道的弧坑裂紋必須處理干凈后才能進行下一道的焊接。同時，層與層之間的接頭應錯開，避免缺陷重疊而產(chǎn)生更大的缺陷。X7Ni9鋼為高感磁性鋼，通常要求鋼板出廠時剩磁量不大于50 Gs，在加工及運輸過程中以避免鋼板被磁化，采用真空吸盤代替電磁吊具進行吊裝，焊接時采用交流電源，焊機地線對稱分布，從而有效地減少焊接過程中的磁偏吹。X7Ni9鋼采用焊條電弧焊的工藝參數(shù)見表5。

表5 X7Ni9鋼焊接工藝參數(shù)

3.3 試驗結果

在焊接試板經(jīng)無損檢測[13]合格后，對焊接接頭進行橫向拉伸、低溫沖擊、彎曲及硬度等試驗，同時沿焊縫長度方向取樣進行焊縫金屬拉伸試驗。焊縫金屬和熱影響區(qū)-196 ℃KV2如圖2所示。

圖2 不同焊條匹配X7Ni9鋼焊接接頭沖擊吸收能量

從圖2可看出，接頭各區(qū)域的低溫沖擊韌性較好，三種不同焊材焊縫金屬的低溫沖擊韌性均低于熱影響區(qū)。焊縫金屬的-196 ℃KV2都在80 J以上，ENiCrMo-6沖擊吸收能量較ENiCrFe-9焊條高，但ENiCrMo-6焊條低溫韌性受焊接位置(焊接熱輸入)的影響較明顯，熱輸入較小的2G位置接頭低溫韌性明顯高于熱輸入較大的3G位置，而ENiCrFe-9焊條在3G位置相對2G位置焊縫金屬低溫韌性下降幅度不大。由于試板母材的批號不同，未對熱影響區(qū)低溫韌性進行對比分析。

焊接接頭和焊縫金屬拉伸試驗結果見表6。可以看出，9%Ni鋼焊縫金屬的屈服強度與母材相差較大，這是9%Ni鋼焊接領域無法回避的問題，因9%Ni鋼的焊接是按抗拉強度進行匹配的，ENiCrMo-6焊條施焊的焊接接頭的平均抗拉強度稍高于ENiCrFe-9焊材。根據(jù)試驗結果統(tǒng)計，ENiCrFe-9焊條焊縫金屬低溫韌性比ENiCrMo-6焊條表現(xiàn)更穩(wěn)定，焊接工藝性也比后者好。

表6 不同焊材焊接接頭和焊縫金屬拉伸試驗結果

分別對ENiCrFe-9焊條施焊的不同位置的焊接接頭進行了硬度測試，圖3示出硬度值取點位置，其試驗結果見圖4。從圖4可以看出，兩種焊接位置，焊接接頭維氏硬度均表現(xiàn)出熱影響區(qū)>母材>焊縫的規(guī)律。由于焊接過程中的熱循環(huán)作用，熱影響區(qū)硬度增大，表明有一定的淬硬傾向。

綜合以上X7Ni9鋼匹配不同焊材的焊接接頭各項試驗結果，選用了ENiCrFe-9焊條建造本次X7Ni9鋼制LNG運輸船液貨艙。

圖3 維氏硬度試驗取點位置

(a)2G位置不同區(qū)域的硬度值

(b)3G位置不同區(qū)域的硬度值

圖4 X7Ni9鋼接頭硬度

4 X7Ni9與S30408不銹鋼焊接

4.1 異種鋼焊接性分析

液貨艙氣室碟形封頭如采用X7Ni9鋼制造，需熱壓成形，再經(jīng)調質處理來恢復性能，因此，該封頭采用S30408奧氏不銹鋼制造可避免此問題。液貨艙X7Ni9鋼與封頭S30408異種鋼焊接需兼顧兩側不同母材的特性，異種鋼受兩種材料的化學成分、熱膨脹系數(shù)、合金元素尤其是碳元素的擴散影響，其接頭組織更復雜，不同母材的差異性使得異種鋼的焊接較同種鋼的焊接具有更大的難度。X7Ni9鋼極易磁化的特性與無磁性的奧氏體不銹鋼熱物理性有明顯的差異，焊接時熔池兩側邊緣液態(tài)金屬熔化溫度各不相同，增加了焊接接頭產(chǎn)生缺陷的幾率，增大了焊接難度。

4.2 異種鋼焊接試驗

X7Ni9鋼與S30408異種鋼對接采用ENiCrFe-9進行試驗。采用WSME-500型逆變式交流脈沖焊機。20 mm厚焊接試板坡口開不對稱X形坡口，2G位置焊接，焊接工藝參數(shù)見表7，其試驗結果見表8。

表7 焊接工藝參數(shù)

試驗結果表明，異種鋼采用ENiCrFe-9焊條，焊接接頭低溫韌性較好，而且焊接接頭強度介于兩種鋼之間，使X7Ni9鋼、焊縫金屬和S30408鋼三者的強度呈遞減梯度，有利于避免內應力集中。

表8 異種鋼對接試板力學性能及彎曲性能試驗結果

5 焊接工藝應用及效果

綜合以上焊接工藝試驗，X7Ni9鋼同種鋼、異種鋼焊接均采用ENiCrFe-9焊條，該工藝應用于國內首艘雙燃料主機30 000 m3LNG運輸船液貨艙建造。該船獨立C形液貨艙由3臺8 500 m3的雙筒相貫型儲罐和1臺4 500 m3的圓筒型儲罐組成，為充分利用船艙的有限空間，液貨艙分布如圖5所示。其中8 500 m3的儲罐筒體和半球形封頭采用雙筒相貫、中間隔板連接方式，該結構有效實現(xiàn)了液貨艙容積的最大化，但同時增加了焊接接頭的復雜性以及現(xiàn)場施工難度。

圖5 液貨艙分布示意

該30 000 m3LNG運輸船液貨艙對接焊縫總長4 700 m,角焊縫長3 200 m。對接焊縫按每50 m 焊接一塊產(chǎn)品試件，并進行力學性能試驗，試驗結果全部合格，驗證了本次焊接工藝的合理性。

6 結論

(1)X7Ni9鋼具有良好的焊接性，采用鎳基合金焊條時，焊接熱輸入宜控制在30 kJ/cm以內，較小的熱輸入有利于提高焊接接頭的低溫韌性。層間溫度宜控制在100 ℃以內，合理的防磁化、防熱裂紋工藝措施可減少缺陷的產(chǎn)生。

(2)X7Ni9鋼同種鋼或與S30408異種鋼之間的焊接采用Ni-Cr-Fe系ENiCrFe-9焊條，焊接接頭性能較為穩(wěn)定，通過合理的焊接工藝控制，可實現(xiàn)焊接接頭較好的強度和良好的低溫韌性。

(3)通過30 000 m3LNG運輸船液貨艙建造，實踐驗證了本次試驗結果的正確性。