9Ni鋼及其焊材發(fā)展現(xiàn)狀

白建斌 董海青 朱海濱 曲維春 李佳恒 李鑫利 劉洋

摘要：目前制造液化天然氣LNG儲(chǔ)罐普遍采用9Ni鋼，其焊接材料及焊接技術(shù)是LNG低溫儲(chǔ)罐建造的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，一直僅為世界上少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家所掌握，9Ni鋼焊接的國(guó)產(chǎn)化已成為行業(yè)的焦點(diǎn)。在近年9Ni鋼及其焊接材料相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了9Ni鋼的發(fā)展及技術(shù)特性，指出9Ni鋼的焊接難點(diǎn)，例如如何確保焊接接頭的低溫韌性、消除熱裂紋、避免電弧的磁偏吹等，詳細(xì)討論了其焊接材料發(fā)展現(xiàn)狀、焊接方法及工藝等方面，并展望了國(guó)內(nèi)9Ni鋼配套焊材的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：9Ni鋼;焊接材料;焊接工藝;ENiCrMo-6

中圖分類號(hào)：TG457.11 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）04-0057-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.11

0 ? ?前言

天然氣是一種高效、優(yōu)質(zhì)的綠色燃料，是現(xiàn)在已知最為清潔的石化能源。近年來(lái)，我國(guó)天然氣的消耗量逐年大幅上升，它作為綠色能源將逐步替代煤炭和石油。9Ni鋼因其優(yōu)良的低溫韌性和較低的脆變溫度，滿足LNG儲(chǔ)罐-196 ℃的工作溫度，是LNG儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)氖走x材料。9Ni鋼及其配套焊材已成為行業(yè)的又一焦點(diǎn)。

1 9Ni鋼概述

1.1 9Ni鋼發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用

1944年9Ni鋼由美國(guó)國(guó)際鎳公司開發(fā)完成，1952 年美國(guó)建造了第一個(gè)以9Ni鋼為內(nèi)罐材料的LNG儲(chǔ)罐。1956年，9Ni鋼得到了ASTM認(rèn)證，可用于超低溫場(chǎng)合。1960年，在實(shí)際生產(chǎn)中證明了 9Ni鋼在不進(jìn)行焊后熱處理時(shí)也能滿足 LNG儲(chǔ)罐安全性能后，9Ni 鋼開始大批量應(yīng)用于大型LNG儲(chǔ)罐的制造。

20世紀(jì)70年代后期，世界范圍內(nèi)能源需求急劇增加，煤炭、石油等能源引發(fā)的環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，天然氣作為綠色能源受到了重視，LNG儲(chǔ)罐的數(shù)量呈幾何數(shù)增加，并向大型化發(fā)展。1965年，法國(guó)以9Ni鋼為主要材料建造了 “ Jule Verne ”號(hào)LNG油輪。1969年日本橫濱根岸港建造3.5萬(wàn)m3和4.5萬(wàn)m3的大型 LNG 儲(chǔ)罐，日本9Ni鋼的研究和應(yīng)用從此開始大規(guī)模發(fā)展。1977年，日本制定了關(guān)于9Ni鋼的標(biāo)準(zhǔn)JIS G3127。1982年，9Ni 鋼超越Cr-Ni不銹鋼成為建造LNG儲(chǔ)罐的首選材料。2005年，韓國(guó)和意大利建造了25萬(wàn)m3的大型LNG儲(chǔ)罐，這是當(dāng)時(shí)最大的壓力容器儲(chǔ)罐。2016年我國(guó)也制造了20萬(wàn)m3的大型LNG儲(chǔ)罐。至今，9Ni鋼已作為國(guó)際上廣泛使用的LNG低溫用鋼。

1.2 9Ni鋼技術(shù)特性

9Ni鋼的合金元素總量在5%～10%，是中合金低碳馬氏體鋼，其主要化學(xué)成分、物理性能及力學(xué)性能分別如表1～表3所示。與一般低碳馬氏體鋼相比，9Ni鋼在低溫環(huán)境下仍具有良好的韌性，其在-196 ℃下沖擊功可達(dá)200～230 J。與奧氏體不銹鋼相比，9Ni鋼熱膨脹系數(shù)低且經(jīng)濟(jì)性良好，是目前-196 ℃環(huán)境下綜合性能最好的材料。9Ni 鋼具有體心立方結(jié)構(gòu)，有明顯的脆變溫度，其晶粒度、元素組成、組織結(jié)構(gòu)以及雜質(zhì)含量等因素都對(duì)脆變溫度有重要影響。

9Ni鋼的熱處理狀態(tài)影響其微觀組織，目前國(guó)際常用的熱處理方法有[1]：NNT、QT與IHT。NNT是雙正火+回火，首次900 ℃正火后進(jìn)行790 ℃正火，再進(jìn)行570 ℃回火，其組織為回火馬氏體+貝氏體;QT是800 ℃淬火后再進(jìn)行570 ℃回火，經(jīng)調(diào)質(zhì)后的組織為低碳馬氏體;IHT是800 ℃水冷后在550～590 ℃溫度區(qū)間內(nèi)回火，即雙相區(qū)淬火后回火。

9Ni鋼的回火溫度影響其組織，并進(jìn)一步影響其低溫韌性，一般在550～600 ℃。眾所周知，殘余奧氏體及逆轉(zhuǎn)奧氏體可提高材料基體韌性，而9Ni鋼經(jīng)過(guò)回火處理會(huì)產(chǎn)生一定量的逆轉(zhuǎn)奧氏體，并與基體中殘余奧氏體共同固定9Ni鋼中的有害元素，從而提升9Ni鋼基體低溫韌性。當(dāng)9Ni鋼中雜質(zhì)含量特別是P含量較高時(shí)，其回火敏感性劇烈上升，韌性下降。因此，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量。

9Ni鋼的元素組成決定了其性能，其中C與Ni元素含量尤為重要。C含量過(guò)高會(huì)使其焊接性變差，并導(dǎo)致脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，因此應(yīng)控制在低碳范圍內(nèi)（即 0.13%）。Ni 是9Ni鋼中最重要的合金元素，它固溶在基體中，增加位錯(cuò)的交叉滑移能力，減少位錯(cuò)與溶質(zhì)原子之間的交互作用，從而改善基體的低溫韌性，并降低脆變溫度。Mn元素的加入更容易得到細(xì)小而富有韌性的鐵素體晶粒，從而降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。有些微量的雜質(zhì)元素（如O、S和P）能使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，因此也必須嚴(yán)格控制。

2 9Ni鋼焊接方法及材料

國(guó)際上對(duì)9Ni鋼板材低溫韌性要求越來(lái)越高，S、 P、O等有害雜質(zhì)元素含量的要求更加嚴(yán)格，并明確提出：達(dá)到w（H+O+S+P）<100×10-6的超純目標(biāo)。為了滿足不斷提高的性能要求，焊接材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高，如焊材制備技術(shù)、焊接工藝性與焊縫金屬力學(xué)性能要求變高。為滿足9Ni鋼的焊接要求，目前國(guó)際上對(duì)焊縫金屬具體要求為[2]：屈服強(qiáng)度>430 MPa;拉伸強(qiáng)度：690～825 MPa ;伸長(zhǎng)率>35% ;-196 ℃沖擊韌性>34 J; -196 ℃?zhèn)认蚺蛎浟?gt;0.38 mm;-196 ℃剪切強(qiáng)度>60%;-196 ℃裂紋尖端張開位移 CTOD>0.30 mm。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可用于焊接9Ni鋼的焊接方法有：焊條電弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）、鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）和熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）等。當(dāng)前，9Ni鋼用量最大、應(yīng)用最廣泛的焊接方法為焊條電弧焊和埋弧自動(dòng)焊。

在9Ni鋼焊接中，鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）與熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）氣保焊在焊接時(shí)使用惰性氣體對(duì)熔池進(jìn)行保護(hù)，嚴(yán)峻的戶外條件會(huì)危害氣保焊焊接接頭的質(zhì)量，焊接厚板時(shí)也容易造成熔合不良。鎢極氬弧焊在窄間隙焊接時(shí)能得到高質(zhì)量接頭，但經(jīng)濟(jì)性不足，焊接效率太低，只適用小規(guī)模的管道和薄板材料。

LNG儲(chǔ)罐埋弧焊焊接材料主要采用ERNiCrMo-4焊絲及配套焊劑。埋弧焊（SAW）因其焊接效率較高，適用于焊接水平位置焊縫和橫焊縫，在9Ni鋼的焊接中應(yīng)用較為廣泛。特別是LNG儲(chǔ)罐、管道等環(huán)焊縫焊接，使用環(huán)型焊縫焊接機(jī)械系統(tǒng)，焊接效率高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

焊條電弧焊焊接靈活，適合于結(jié)構(gòu)件全位置焊接，在9Ni鋼項(xiàng)目工程實(shí)踐中用量最大。在9Ni鋼用焊材中，F(xiàn)e-Ni基（Fe-Ni-Cr系合金）和鎳基（Ni-Cr-Mo系合金）焊材熔覆金屬低溫韌性高，且塑性良好，抗裂性能好，線膨脹系數(shù)也接近9Ni鋼，應(yīng)用廣泛。目前，國(guó)內(nèi)外焊接9Ni鋼時(shí)使用最多的是ENiCrMo-6焊條，但ENiCrMo-3、ENiCrFe-4、ENiCrFe-9、ENiMo-8、ENiMo-9等也有一定的應(yīng)用。9Ni鋼常用焊條熔敷金屬化學(xué)成分及主要性能見(jiàn)表4。

無(wú)論是低溫韌性、塑性還是熱膨脹系數(shù)，Ni基和Fe-Ni基焊材都適用于9Ni鋼的焊接。有關(guān)專家曾用Ni基和Fe-Ni基合金焊條對(duì)9Ni鋼焊縫性能進(jìn)行比較， ENiCrMo-6鎳合金焊條焊接質(zhì)量最好，最適合9Ni鋼的焊接。

ENiCrMo-6 焊條熔敷金屬的線膨脹系數(shù)最接近 9Ni 鋼母材，從而可減小因受熱膨脹和冷卻收縮造成的內(nèi)應(yīng)力。ENiCrMo-6焊條熔金具有高含Ni量（約60%）、低碳性（C含量約為0.05%），在焊接9Ni鋼時(shí)可保證焊縫中有足夠高的奧氏體組織占比，并有效防止碳遷移，避免在熔合區(qū)附近出現(xiàn)脆硬組織。ENiCrMo-6焊條熔敷金屬還具有高純度和低含氫量的優(yōu)勢(shì)，從而保證熔合區(qū)的低溫韌性。國(guó)外常用焊材熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表5、表6所示。

3 9Ni鋼焊接難點(diǎn)

3.1 焊接接頭的低溫韌性

焊接接頭的低溫韌性是判斷 9Ni 鋼焊接質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，其主要受合金元素及焊接工藝的影響，熱影響區(qū)、熔合區(qū)及焊縫金屬都可能發(fā)生低溫韌性下降。

在焊接9Ni鋼時(shí)，如果熔覆金屬C含量較高或者Ni、Cr當(dāng)量搭配不當(dāng)，將導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生脆硬的馬氏體組織，從而引起焊縫金屬及熔合區(qū)低溫韌性急劇下降;焊接工藝及參數(shù)決定焊接熱循環(huán)的峰值溫度及冷卻速度，從而影響熱影響區(qū)的微觀組織。如前文所述，逆轉(zhuǎn)變奧氏體的存在會(huì)改善接頭的低溫韌性。如果焊接過(guò)程中熱影響區(qū)峰值溫度過(guò)高，最終導(dǎo)致逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量嚴(yán)重降低，并產(chǎn)生硬脆的貝氏體組織。逆轉(zhuǎn)奧氏體的減少與貝氏體組織的出現(xiàn)將共同導(dǎo)致熱影響區(qū)低溫韌性下降。

嚴(yán)春妍等人[3]研究了9Ni鋼熱影響區(qū)的韌化因素，焊接材料為ENiCrMo-6焊條，直徑3.2 mm，經(jīng)過(guò)焊接熱循環(huán)后，與母材相比熱影響區(qū)低溫韌性顯著降低，粗晶區(qū)的組織為少量殘余奧氏體分布在馬氏體基體上。在焊接9Ni鋼時(shí)，采用小線能量，保持一定的層間溫度，對(duì)9Ni鋼的低溫韌性等力學(xué)性能有著積極的影響。

3.2 焊接接頭的熱裂紋

鎳基合金焊材的鎳含量較高，使得焊縫多為奧氏體組織，奧氏體焊縫在焊接過(guò)程中熱裂敏感性強(qiáng)，容易產(chǎn)生熱裂紋。其原因是單相奧氏體組織結(jié)晶具有很強(qiáng)的方向性，利于雜質(zhì)元素的偏析，當(dāng)在焊接過(guò)程中焊縫金屬存在低熔點(diǎn)共晶物（如P、S等）時(shí)，這些雜質(zhì)熔點(diǎn)低，在最后階段結(jié)晶凝固，極易形成晶間液膜，在焊縫應(yīng)力和收縮力的共同作用下，熔池中這些低熔點(diǎn)共晶物在凝固過(guò)程中或凝固后不久被拉開，從而造成晶間開裂[4]。

9Ni鋼焊接時(shí)應(yīng)尤為注意弧坑裂紋的產(chǎn)生。弧坑裂紋是一種典型的在凝固時(shí)沿晶間開裂的熱裂紋，尤其是在打底焊的第一層焊縫中發(fā)生率很高。在其他各層焊縫中，也有產(chǎn)生弧坑裂紋傾向。隨著焊接層數(shù)的增加，焊接坡口增寬，收縮應(yīng)力變形減小，弧坑裂紋產(chǎn)生幾率減小。

消除熱裂紋的措施主要有：嚴(yán)格控制焊條中的化學(xué)成分，除了減少P、S等有害雜質(zhì)元素外，還要避免摻雜如 Pb等低熔點(diǎn)相元素;確保施焊前清潔焊接坡口;嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，適當(dāng)降低冷卻速度;選取合理的焊接順序，以減小焊接應(yīng)力;焊接時(shí)盡量減小弧坑，并注意填滿弧坑，采用正確的收弧手法，并對(duì)弧坑裂紋進(jìn)行打磨;清根時(shí)應(yīng)打磨成U型坡口，避免出現(xiàn)窄而深的V型坡口。

3.3 焊接接頭的冷裂紋

使用鎳合金焊材焊接時(shí)，因焊縫中有足夠高的奧氏體組織含量，不易產(chǎn)生冷裂紋。在嚴(yán)格執(zhí)行焊條烘干、焊接規(guī)程等工藝后，可基本避免9Ni鋼的焊接冷裂傾向。

3.4 焊接時(shí)電弧的磁偏吹問(wèn)題

電弧的磁偏吹是指鋼材的磁性導(dǎo)致的電弧偏吹，易造成氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等缺陷，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。9Ni鋼具有很高的磁導(dǎo)率和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，極易在生產(chǎn)過(guò)程中被磁化，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的電弧磁偏吹現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，要求9Ni鋼母材剩磁在50 GS以下。在焊接過(guò)程中應(yīng)盡量避免使用碳弧氣刨等磁化母材的器具，盡量避免增大工件剩磁。為克服磁偏吹，可采用磁鐵排以抵消母材的磁場(chǎng);應(yīng)盡量采用砂輪打磨，避免用碳弧氣刨清根;焊接時(shí)也可以采用交流焊接克服磁偏吹。

4 9Ni焊材研究現(xiàn)狀及展望

國(guó)外對(duì)9Ni鋼用焊材研究較早，最初世界上僅少數(shù)國(guó)家掌握9Ni鋼的焊接技術(shù)，其配套焊接材料的制造技術(shù)及市場(chǎng)也被少數(shù)公司壟斷。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于9Ni 鋼用焊材的研究增多，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)?Ni鋼焊接的研究突飛猛進(jìn)，各項(xiàng)研究成果不斷發(fā)表。

顧偉[5]等人采用手工氬弧焊的方式焊接9Ni鋼，分別選用 ERNiCr-3和ERNiCrMo-3焊絲，通過(guò)對(duì)其接頭韌性、顯微組織、顯微硬度以及焊接工藝進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，采用ERNiCrMo-3 焊絲，使用小線能量、適當(dāng)控制層間溫度得到的焊縫金屬純度高、強(qiáng)度高、低溫沖擊韌性好。

中石化第十建設(shè)公司的翁大龍[6]等人使用脈沖熔化極氣保焊CMAW-P機(jī)動(dòng)焊焊接工藝進(jìn)行了立縫焊接9Ni鋼的工藝試驗(yàn)。所用焊絲為φ1.2 mm的ERNiCrMo-3，電流100～150 A，顯著提高了立焊縫工效，其性能指標(biāo)均可滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了其用于施工現(xiàn)場(chǎng)的可行性。

南通中集馮金艷[7]等人對(duì)9Ni鋼藥芯焊絲電弧焊的工藝進(jìn)行了研究，采用14 mm厚的V型坡口鋼板開鈍邊進(jìn)行焊接，結(jié)果表面，焊縫成形良好，焊接接頭具有良好的低溫韌性，薄弱區(qū)域的平均沖擊韌性大于100 J。

上海交通大學(xué)李宇章[8]使用藥芯焊絲弧焊的焊接方法對(duì)9Ni鋼接頭低溫?cái)嗔秧g性及與微觀組織關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究，焊材為日本神鋼的DW-N625。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫為奧氏體基體組織，析出相主要是Laves相和碳化物。析出相是影響焊縫低溫韌性的主要因素，高熱輸入下接頭焊縫奧氏體晶粒尺寸更大，但析出相明顯減少，反而具有更高的低溫韌性。

武漢理工大學(xué)楊超武[9]對(duì)奧林康的ENiCrMo-6藥皮與熔敷金屬進(jìn)行了分析，藥皮成分見(jiàn)表7，其焊條焊心為純鎳焊心，鎳含量極高，熔敷金屬中Ni含量68%，Cr含量13.53%，Mo含量 6.66%，F(xiàn)e含量4.21%，焊縫合金的元素及其含量決定了焊縫性能，焊條的設(shè)計(jì)也都圍繞著焊縫合金成分來(lái)設(shè)計(jì)，熔敷金屬的合金體系屬于 Ni-Cr-Mo-Fe，熔敷金屬中出現(xiàn)的Nb、Mo、W、Mn 均為藥皮合金的過(guò)渡，而Ni 來(lái)自焊芯。焊縫中Si含量0.35%，遠(yuǎn)低于焊條藥皮的14%，略高于9Ni 鋼中0.2%的含量， Si以CaSiO3等硅酸鹽的形式熔化到熔渣中，保護(hù)焊縫成形。

目前國(guó)內(nèi)焊材企業(yè)對(duì)9Ni鋼配套焊材的研發(fā)工作相對(duì)滯后，大多數(shù)9Ni鋼用焊材都依賴進(jìn)口，較為認(rèn)可的焊材廠家主要有德國(guó)伯樂(lè)公司、美國(guó)林肯公司、SMC國(guó)際超合金集團(tuán)等。國(guó)內(nèi)可提供9Ni鋼用焊材的企業(yè)和產(chǎn)品較少，大多數(shù)處于前期研發(fā)階段，在LNG儲(chǔ)罐制造工程上應(yīng)用的實(shí)例很少。金威焊材公司開發(fā)的9Ni鋼用ENiCrMo-6焊條，其前期試驗(yàn)已經(jīng)完成，該焊條全位置焊接工藝性能優(yōu)秀，焊縫塑性、韌性和抗裂性能良好，-196 ℃低溫沖擊值達(dá)到80～110 J，完全滿足9Ni鋼的使用要求，目前處于市場(chǎng)推廣及試用階段。

隨著LNG產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，用于制造液化氣體儲(chǔ)存和運(yùn)輸設(shè)備日漸增多，9Ni鋼焊接材料的用量也隨之上升。9Ni鋼的焊接技術(shù)及其焊接材料是LNG低溫儲(chǔ)罐建造的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)各大高校、制造企業(yè)及焊材企業(yè)紛紛加快各自領(lǐng)域的研究進(jìn)度，9Ni鋼焊材的國(guó)產(chǎn)化成為行業(yè)的焦點(diǎn)?？梢韵嘈牛谖磥?lái)1～3年內(nèi)，國(guó)產(chǎn)9Ni鋼配套焊接材料的研制及應(yīng)用將有重大突破，將打破發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó) 9Ni鋼焊接材料的壟斷，擺脫焊接材料依靠進(jìn)口的現(xiàn)狀，促進(jìn)我國(guó)液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐的自主化進(jìn)程和發(fā)展。

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收稿日期：2020-08-19;修回日期：2020-12-03

作者簡(jiǎn)介：白建斌（1995—），男，學(xué)士，主要從事焊接材料的相關(guān)研究。E-mail：540144425@qq.com。