液化天然氣雙金屬全容罐9Ni鋼板焊接工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)

黃 挺，李玉光，文曉龍，蘇文乾

（1.中國石油工程建設(shè)有限公司 西南分公司，四川 成都 610021；2.長春市元盛能源實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，吉林 長春 201614；3.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

天然氣應(yīng)急儲備系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)城市能源供應(yīng)來源多樣化，應(yīng)對突發(fā)事件避免氣源中斷，保障城市天然氣供應(yīng)安全性、可靠性和連續(xù)性的重要設(shè)施。隨著我國用氣規(guī)模的不斷增長，城市天然氣儲量也相應(yīng)增加。對比沿海大型接收站，內(nèi)地城市的中小型調(diào)峰站液化天然氣（LNG）存儲、轉(zhuǎn)運(yùn)量通常較小，LNG儲罐的罐容也相對較小，因此中大型雙金屬全容罐在這類調(diào)峰站中應(yīng)用較多。

LNG雙金屬全容罐用低溫鋼板材料主要有9%Ni鋼（又稱9Ni鋼）、5%Ni鋼、奧氏體不銹鋼以及鋁鎂合金鋼等，其中9Ni鋼具有低溫韌性良好、強(qiáng)度高及可焊性好等優(yōu)點(diǎn)，在LNG儲罐的設(shè)計和建造中得到廣泛應(yīng)用［1］。9Ni鋼制全容罐施工周期相對較短、施工作業(yè)面靈活且單罐焊接量大，建造施工的關(guān)鍵技術(shù)之一為9Ni鋼的焊接及質(zhì)量控制。本文結(jié)合某調(diào)峰站2臺50 000 m3LNG雙金屬全容罐的現(xiàn)場焊接及質(zhì)量檢驗(yàn)，對LNG低溫儲罐的現(xiàn)場焊接工藝及焊接質(zhì)量檢驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，并提出了一種有效的焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)方法。

1 9Ni鋼板特點(diǎn)

9Ni鋼是指鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.5%～9.5%的超低溫深冷中高合金鐵素體高鎳鋼，其金相組織為低碳馬氏體、富鎳鐵素體和穩(wěn)定的殘余奧氏體復(fù)合體。目前國內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了9Ni鋼板的國產(chǎn)化，9Ni鋼已成為低溫及超低溫儲罐，尤其是LNG儲罐建造使用的主要材料之一。

9Ni鋼的熱處理工藝有2次正火+回火（NNT）、淬火 +回火（QT）以及雙相區(qū)淬火 +回火（IHT）這3種，熱處理后的9Ni鋼低溫韌性良好。嚴(yán)春妍［2］經(jīng)過對比研究證明，NNT熱處理后的9Ni鋼低溫韌性相對最差，而IHT熱處理后的9Ni鋼低溫韌性最好，這3種熱處理均可滿足國內(nèi)外規(guī)范對鋼板-196℃下低溫韌性的要求。目前國內(nèi)LNG儲罐所用9Ni鋼板熱處理以QT方案較多。

目前，南鋼股份、鞍鋼股份有限公司、太原鋼鐵集團(tuán)、舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司等單位已經(jīng)能夠生產(chǎn)符合甚至超過國內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的合格9Ni鋼板，產(chǎn)品在國內(nèi)LNG接收站的建設(shè)中也得到了廣泛應(yīng)用。

2 9Ni鋼板焊接工藝

2.1 主要焊接工藝

LNG雙金屬全容罐9Ni鋼板的焊接工藝主要有手工焊條電弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）、熔化極惰性氣體保護(hù)焊 （GMAW）和鎢極氬弧氣體保護(hù)焊（GTAW）4 種。 除此之外，鄧彩艷等［3］提出了效率高、變形小、修復(fù)返工少的TOP-TIG焊接工藝，但目前國內(nèi)外對此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍較少。

GTAW和GMAW在LNG儲罐苛刻的戶外施工作業(yè)條件下難以保證焊接接頭的質(zhì)量，同時也容易造成大型儲罐厚壁板熔合不良的情況。因此，最常用于LNG大型金屬儲罐9Ni鋼板焊接的工藝主要為SMAW以及SAW。SMAW施工更加靈活且適合各種焊接位置，主要用于壁板立對接焊縫的焊接。SAW熔敷效率最高，結(jié)合壁板環(huán)焊縫自動焊接機(jī)械系統(tǒng)時優(yōu)點(diǎn)更加突出，主要用于壁板環(huán)向?qū)雍缚p的焊接。

2.2 焊接難點(diǎn)

2.2.1 裂紋傾向

9Ni鋼的焊接裂紋有熱裂紋和冷裂紋2種。熱裂紋主要與焊接應(yīng)力、雜質(zhì)和化學(xué)成分有關(guān)，現(xiàn)場施工中應(yīng)注意減少母材有害雜質(zhì)含量，采用合理的收弧技術(shù)并配合砂輪機(jī)打磨處理［4-5］。

冷裂紋主要與氫含量、熔合區(qū)出現(xiàn)硬化層及焊接接頭應(yīng)力有關(guān)，高氫環(huán)境、焊接工藝參數(shù)或焊接材料選用不當(dāng)時易發(fā)生冷裂紋［6-7］。9Ni鋼現(xiàn)場焊接時應(yīng)嚴(yán)格控制熱輸入及焊道的層間溫度［8-9］，同時注意控制不同焊縫層間的冷卻時間。

2.2.2 焊接接頭低溫沖擊韌性下降

焊接接頭的低溫沖擊韌性主要取決于焊縫、熔合區(qū)和粗晶區(qū)3部分。焊縫金屬的低溫沖擊韌性主要由焊接材料的類型和成分決定。熔合區(qū)是影響焊接接頭低溫沖擊韌性的一個主要區(qū)域，焊接形成的板條狀馬氏體及孿晶馬氏體組成的混合組織易導(dǎo)致接頭硬脆。粗晶區(qū)的金相組織主要為粗大的板條狀馬氏體組織［10］。

選取適當(dāng)?shù)暮附硬牧?，尤其是控制焊接材料的含碳量以阻止碳遷移現(xiàn)象，并采用控制焊接線能量及層間溫度、選用多道焊來減小高溫停留時間的綜合方法，可以有效保證焊接接頭的低溫沖擊韌性［11］。

2.2.3 磁化

9Ni鋼為強(qiáng)磁性材料，焊接過程中易出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)生未焊透、夾渣及氣孔等質(zhì)量缺陷。為避免出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象，要對運(yùn)至現(xiàn)場的母材進(jìn)行消磁處理，目前常用的剩磁要求為不高于50～60 Gs［12］。焊接中要考慮使用交流方波焊接電源。此外，應(yīng)盡量采用砂輪機(jī)進(jìn)行焊后打磨，避免采用碳弧氣刨打磨［13］。

2.3 焊接材料

目前常用的9Ni鋼焊接材料主要有鐵素體型、奧氏體不銹鋼型、鎳基型和鐵-鎳基型，這4種焊接材料在工程中都有應(yīng)用，特點(diǎn)如下：①鐵素體型焊接材料成本低，但需做焊后熱處理，不適用于大型容器。該類型焊接材料通常僅用于GTAW和GMAW，不適合大型LNG儲罐壁板的焊接，生產(chǎn)效率較低。②奧氏體不銹鋼型焊接材料的強(qiáng)度高，但線膨脹系數(shù)與9Ni鋼母材差距較大，易在焊接接頭位置出現(xiàn)由板條狀馬氏體和孿晶馬氏體組成的富合金馬氏體硬化區(qū)，極易出現(xiàn)焊接冷裂紋。③鎳基型和鐵-鎳基型焊接材料，尤其是鎳基型焊接材料，由于其熔敷金屬為奧氏體，具有良好的低溫韌性及抗冷裂紋能力，并且與母材的線膨脹系數(shù)接近［14］，因此得到了廣泛應(yīng)用。這2種焊接材料不需要進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理，適用于LNG儲罐的野外露天施工環(huán)境。

目前，國內(nèi)外項(xiàng)目中LNG儲罐施工多采用鎳基型焊接材料。與9Ni鋼板母材的國產(chǎn)化相比，我國在9Ni鋼配套焊接材料的研制上相對滯后。白建斌等［15］總結(jié)了目前國內(nèi)高校、制造企業(yè)和焊接材料生產(chǎn)企業(yè)的9Ni鋼研究進(jìn)展。羅震等［16］經(jīng)過試驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證了國產(chǎn)焊條與ESAB公司生產(chǎn)的進(jìn)口OK92.55焊條在斷裂塑性和韌性上仍有差距，并提出了改進(jìn)建議。

3 9Ni鋼板焊接質(zhì)量無損檢測工藝

9Ni鋼焊接質(zhì)量無損檢測方法主要有射線檢測、超聲檢測和滲透檢測，其中射線檢測是9Ni鋼焊接質(zhì)量檢驗(yàn)最重要且最有效的手段。

采用鎳基型焊接材料焊接的LNG儲罐在射線檢測中經(jīng)常遇到的問題是母材、焊縫金屬以及熔合區(qū)由于重金屬組分銅基和鎳基含量不同，分為3種對射線吸收能力完全不同的材料。張立偉［17］指出，這3種材料對射線吸收能力差距較大，普通的單膠片照透方式難以使底片各部位的黑度同時滿足評片要求。因此必須采用雙膠片曝光技術(shù)，采用暗袋內(nèi)放2張Agfa C7膠片，配合前后各0.1 mm加中間0.4 mm鉛增感屏一次曝光的拍片方案，保證底片的黑度和靈敏度。張曉東等［18］采用了雙KODAK AA400膠片、四增感屏加一次曝光的射線透射方法對20萬m3LNG全容罐的內(nèi)罐縱向、環(huán)向?qū)雍缚p進(jìn)行了檢測，證明該方法同樣可以保證檢測質(zhì)量，提升檢測效率。

筆者在多個9Ni鋼LNG儲罐的建造和焊接質(zhì)量檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，除了射線檢測膠片、增感屏的配合外，焊縫材料和母材對射線的吸收能力差異太大、焊縫余高的大小對雙膠片技術(shù)的順利使用也有很大影響。

4 LPG雙金屬全容罐9Ni鋼板焊接及射線檢測實(shí)例

4.1 焊接工藝

某內(nèi)陸城市LNG調(diào)峰站項(xiàng)目中LNG儲罐采用2臺50 000 m3雙金屬全容罐，內(nèi)罐壁板、外罐壁板、底板、二次底以及熱角保護(hù)均采用9Ni鋼（06Ni9DR），9Ni 鋼板最大壁厚 20 mm。

該LNG雙金屬全容罐內(nèi)、外罐壁板立對接焊縫均采用SMAW，環(huán)向?qū)雍缚p采用SAW。SMAW焊接過程分?jǐn)[動和不擺動2種。不擺動焊接法焊縫層數(shù)較多，但單層焊接質(zhì)量容易保證，適宜在焊接工作初期剛適應(yīng)現(xiàn)場條件的情況下使用。擺動焊接法焊縫層數(shù)較少，但單層焊接質(zhì)量要求高，現(xiàn)場焊接熟練后可采用此方法。

不同母材厚度下9Ni鋼SMAW和SAW焊接工藝參數(shù)分別見表1和表2，典型焊接接頭示意分別見圖1～圖3。

圖1 不同母材厚度下SMAW不擺動焊接典型焊接接頭

圖2 不同母材厚度下SMAW擺動焊接典型焊接接頭

圖3 不同母材厚度下SAW典型焊接接頭

表1 不同母材厚度下9Ni鋼SMAW焊接工藝參數(shù)

表2 不同母材厚度下9Ni鋼SAW焊接工藝參數(shù)

現(xiàn)場焊接施工前，對SMAW和SAW焊接工藝均進(jìn)行了焊接質(zhì)量評定。結(jié)果顯示，2種焊接工藝均可以滿足設(shè)計上對于焊接接頭力學(xué)性能的要求。需要指出的是，SAW焊接中采用了直流電源。這是由于在SAW焊接中發(fā)現(xiàn)，采用交流方波電流焊接，當(dāng)焊接速度較快時易出現(xiàn)焊渣飛濺等現(xiàn)象，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，影響焊接質(zhì)量。而采用直流電源焊接，通過嚴(yán)格控制9Ni鋼剩磁的方法，也可使焊接接頭通過焊接工藝評定。相關(guān)檢測結(jié)果證明，直流電源同樣可以用于SAW工藝。

4.2 焊接材料

按照ASME BPVC.Ⅱ.C—2019《鍋爐及壓力容器規(guī)范 第Ⅱ卷C篇：焊條、焊絲及填充金屬》［19］中的SFA-5.11，SMAW手工焊條材料牌號選為ENiCrMo-6，焊條型號為ESAB公司生產(chǎn)的OK92.55。SMAW焊條熔敷金屬化學(xué)成分見表3，力學(xué)性能見表4。

表3 SMAW和SAW焊接材料熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表4 SMAW和SAW焊接材料熔敷金屬力學(xué)性能

SAW焊接材料采用的是SFA/AWS A5.14 ENiCrMo-3類焊絲及與之相匹配的焊劑，焊絲直徑2.4 mm，SAW焊絲型號為ESAB公司生產(chǎn)的OK Autrod NiMo-4。焊絲熔敷金屬化學(xué)成分見表3，符合ASME/SFA/AWS A5.14要求。焊絲熔敷金屬力學(xué)性能見表4。

4.3 焊接質(zhì)量檢驗(yàn)方法

根據(jù)內(nèi)、外罐不同部位，采用不同檢驗(yàn)方法相結(jié)合的方案對本項(xiàng)目LNG雙金屬全容罐9Ni鋼焊縫質(zhì)量進(jìn)行無損檢測。其中射線檢測是對內(nèi)、外罐9Ni鋼壁板焊縫質(zhì)量檢測最重要的手段，本次射線檢測采用雙膠片法、四增感屏、一次曝光的優(yōu)化工藝。

根據(jù)對國內(nèi)外LNG接收站9Ni鋼無損檢測的經(jīng)驗(yàn)，該儲罐壁板縱焊縫SMAW的余高可以控制在1.6 mm左右，而采用SAW的環(huán)焊縫經(jīng)常有余高大于3.0 mm的情況出現(xiàn)，尤其是在儲罐壁板坡口焊外側(cè)位置。而目前的雙膠片技術(shù)一般要求焊縫余高控制在2.5 mm以下。

在該儲罐現(xiàn)場施焊中，嚴(yán)格按照焊接工藝要求控制焊接參數(shù)，保證焊接質(zhì)量的同時減小了壁板對接焊縫外側(cè)的焊縫余高。因此在焊縫射線檢測時，采用了優(yōu)化的焊縫打磨工藝：①在SMAW施工中，嚴(yán)格控制焊縫余高不大于2 mm，壁板立焊縫均無需打磨即可進(jìn)行射線檢測。②在SAW施工中，嚴(yán)格控制壁板外側(cè)焊縫余高，焊接完成后僅打磨內(nèi)側(cè)焊縫即可滿足射線檢測對焊縫外觀質(zhì)量的要求。

雙膠片技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)是中間屏厚度，該儲罐射線檢測中的膠片采用的是規(guī)格為300 mm×80 mm的富明威IX100GV（Q7）膠片。相比以前常用Agfa C7和KODAK AA400膠片，該膠片具有堅膜性好、顯影速度快及影像清晰等優(yōu)點(diǎn)。增感屏采用前、后屏厚度均為0.03 mm，中屏雙面貼0.03 mm鉛箔增感屏的布置方案。通過膠片、增感屏、曝光量和焊縫余高打磨控制的相互配合，可保證檢測質(zhì)量，同時提升焊接、檢測的工作效率。

其他2個項(xiàng)目與本項(xiàng)目儲罐9Ni鋼的射線檢測參數(shù)對比見表5。

表5 不同項(xiàng)目儲罐9Ni鋼焊縫焊接質(zhì)量射線檢測參數(shù)

對于黑度范圍超過4.5的局部區(qū)域，如果單底片黑度范圍符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，也可以在雙底片的基礎(chǔ)上對該區(qū)域進(jìn)行單底片補(bǔ)充評定，用于雙底片評定的任何單底片黑度應(yīng)不低于1.3。與其他項(xiàng)目儲罐焊縫射線檢測中采用的膠片及增感屏布置方案相比，本項(xiàng)目儲罐焊縫射線檢測方案顯像速度及質(zhì)量好，并且底片黑度完全可以滿足評片黑度大于等于2.3而小于等于4.5的技術(shù)要求。結(jié)合現(xiàn)場焊縫余高打磨處理，極大優(yōu)化了焊接質(zhì)量射線檢測工藝，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

5 結(jié)語

針對LNG雙金屬全容罐用9Ni鋼板的特點(diǎn)，分析了目前常用的9Ni鋼焊接工藝及焊接難點(diǎn)。結(jié)合焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)要求，總結(jié)了SAW和SMAW在實(shí)際工程項(xiàng)目中的應(yīng)用要點(diǎn)。以某調(diào)峰站9Ni鋼制50 000 m3雙金屬全容罐的實(shí)際建造為例，對采用的焊接工藝、焊接材料選擇以及焊接質(zhì)量檢驗(yàn)方案進(jìn)行了介紹。通過焊接工藝和焊接質(zhì)量檢驗(yàn)的配合，該儲罐焊接質(zhì)量一次合格率超過99%，很好地保證了儲罐焊接質(zhì)量并優(yōu)化了焊接質(zhì)量無損檢測工藝，可為后續(xù)9Ni鋼制LNG儲罐的建造施工提供借鑒。