LNG儲罐X7Ni9鋼板及焊材EPC管理總結(jié)

朱加寶

(中海油石化工程有限公司,山東 濟(jì)南 250101)

為響應(yīng)國家“碳達(dá)峰、碳中和”的號召,LNG(液化天然氣縮寫,體積為氣態(tài)的1/600)作為稀缺的清潔能源越來越受到人們的青睞。大力發(fā)展LNG產(chǎn)業(yè)將優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、有效解決能源供應(yīng)安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展[1]。LNG接收站在天然氣儲備和調(diào)峰中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,近期隨著俄烏戰(zhàn)爭和歐洲能源危機(jī)的爆發(fā),世界各能源消費(fèi)大國都高度重視LNG接收站的建設(shè)。近年來,我國也在沿海和沿江地區(qū)積極布局LNG接收站。其中,LNG接收站中單位投資額最大、技術(shù)要求最高、施工周期最長、施工工序最多、施工難度最大、最重要的裝置為LNG儲罐。

LNG儲罐屬常壓、低溫、大型的儲罐,LNG儲罐分為單容、雙容和全容3種形式,目前我國正在建設(shè)或已經(jīng)投入使用的均為全容LNG儲罐[2]。全容LNG儲罐的核心部分是與低溫LNG液體直接接觸的內(nèi)罐,LNG液體操作溫度為-165 ℃,內(nèi)罐材料低溫沖擊試驗(yàn)溫度達(dá)到-196 ℃,所以內(nèi)罐材料X7Ni9鋼板及焊接材料是LNG儲罐EPC總承包項(xiàng)目管理中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。某接收站5#、6#儲罐工程是國內(nèi)首個(gè)自主技術(shù)、自主設(shè)計(jì)、自主建設(shè)、自主管理的16萬m3全容儲罐EPC總承包項(xiàng)目,下面對本EPC項(xiàng)目中的X7Ni9鋼板及焊接材料從材料設(shè)計(jì)選擇、采辦進(jìn)度控制、施工質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)。典型的LNG全容儲罐如圖1所示。

圖1 典型的LNG全容儲罐

1 LNG儲罐內(nèi)罐材料設(shè)計(jì)選擇

LNG全容儲罐多為外罐、內(nèi)罐組成的雙層結(jié)構(gòu)體系,外罐為鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土[3]。內(nèi)罐為一個(gè)儲存LNG產(chǎn)品的自支撐式、鋼質(zhì)、單壁罐。內(nèi)罐材料設(shè)計(jì)選擇要滿足-165 ℃操作溫度要求,在深冷低溫條件下應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度(包括疲勞強(qiáng)度)及具有充分的韌性。某16萬m3LNG全容儲罐結(jié)構(gòu)尺寸直徑約84 m,高度約50 m,為了能滿足規(guī)?；ㄔ煲筮€應(yīng)具有良好的加工性和可焊接性。滿足LNG操作溫度的材料有X7Ni9鋼、不銹鋼、鋁等。其中,X7Ni9鋼的低溫試驗(yàn)溫度可以達(dá)到-196 ℃,在此低溫度下仍具有良好的強(qiáng)度(包括疲勞強(qiáng)度)和低溫韌性,X7Ni9鋼還具有良好的加工性能和焊接性能。1960年美國通過試驗(yàn)研究證明,X7Ni9鋼不進(jìn)行焊后熱處理消除焊后應(yīng)力也可以使用,從此X7Ni9鋼成為LNG儲罐內(nèi)罐材料的主要選擇材料。為響應(yīng)國家“三新三化”號召,某16萬m3LNG全容儲罐內(nèi)罐材料選擇了國產(chǎn)的X7Ni9鋼板。

X7Ni9鋼板的冶煉方法和交貨狀態(tài)要求。冶煉方法采用真空處理的電爐和爐外精煉的方法生產(chǎn),鋼板交貨狀態(tài)以離線淬火+回火(QT處理)的調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)交貨,不允許采用兩次正火+回火(NNT處理)熱處理工藝交貨。X7Ni9鋼板經(jīng)過QT處理可以得到少量彌散奧氏體,這種QT調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)X7Ni9鋼板的低溫韌性要好于NNT處理,經(jīng)過QT處理X7Ni9鋼板的低溫韌性可以得到大大的改善[4]。冶煉過程嚴(yán)格控制X7Ni9鋼板C、Si、Mn、P、S、Ni、Mo、V、Cr、Nb、Cu、Al等化學(xué)成分,成品化學(xué)成分分析采用化學(xué)分析法,嚴(yán)格控制C、P、S成分含量不超過技術(shù)要求,Mo、Cr、Cu成分總含量不應(yīng)大于技術(shù)規(guī)定的要求,熔煉分析列出Cr、Nb、Cu、Al等微量元素成分。

X7Ni9鋼板的機(jī)械性能和工藝性能要求。鋼板機(jī)械性能進(jìn)行低溫沖擊性能(-196 ℃)和室溫拉伸性能等試驗(yàn)。試樣應(yīng)分別在交貨狀態(tài)的鋼板頭、尾兩端取樣(采用全厚度取樣),沖擊、拉伸試樣的軸線方向垂直于取樣鋼板的軋制方向,沖擊試樣的V型缺口軸線方向應(yīng)垂直于取樣鋼板的表面。交貨狀態(tài)QT熱處理狀態(tài)室溫拉伸性能試驗(yàn)(橫向)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率等滿足技術(shù)規(guī)格書的要求。交貨狀態(tài)QT熱處理試樣在-196 ℃下進(jìn)行低溫沖擊性能試驗(yàn)(橫向)吸收功的最小值A(chǔ)Kv滿足最低的檢測值要求,側(cè)向膨脹每個(gè)試樣滿足最小值的技術(shù)要求,纖維狀斷口每個(gè)試樣最小技術(shù)要求。低溫沖擊性能試驗(yàn)(橫向)試樣在從冷卻液取出后規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行檢測,低溫沖擊試驗(yàn)不合格的不允許進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。內(nèi)罐壁板最厚的鋼板需要在-196 ℃下進(jìn)行2組落錘試驗(yàn),試樣沒有出現(xiàn)裂紋為合格。X7Ni9鋼板的工藝性能進(jìn)行冷彎試驗(yàn)(橫向),冷彎試驗(yàn)的試樣寬度不小于規(guī)定尺寸,彎芯直徑滿足技術(shù)要求,在室溫下進(jìn)行180°冷彎,試樣沒有出現(xiàn)裂紋為合格。

X7Ni9鋼板的外觀檢查和表面質(zhì)量要求。鋼板逐張進(jìn)行100%雙面外觀檢查,外觀檢查應(yīng)無缺陷。鋼板逐張進(jìn)行橫向和縱向100%超聲檢查,掃描間距100 mm,S2級為合格;邊部進(jìn)行100%超聲檢查,E4級為合格。鋼板逐張進(jìn)行鋼板剩余磁性檢查,檢查重點(diǎn)為鋼板的四角及兩側(cè)表面等磁性易集中的位置,保證出廠剩余磁性強(qiáng)度小于30 Gs,交貨狀態(tài)(鋼板運(yùn)輸?shù)巾?xiàng)目現(xiàn)場)的磁性殘留不大于50 Gs。

X7Ni9鋼板的材料預(yù)制要求。所有規(guī)格的鋼板采用工廠內(nèi)材料預(yù)制,材料切割和焊接坡口預(yù)制采用機(jī)械加工或自動(dòng)氣切割完成,坡口突出物通過打磨進(jìn)行修復(fù),不能進(jìn)行坡口焊接修復(fù)。1～11圈的內(nèi)罐壁板設(shè)計(jì)曲率半徑R約為36 m,內(nèi)罐壁板需冷軋滾圓出設(shè)計(jì)要求的曲率半徑,自動(dòng)控制的軋制程序能滿足頭、尾兩端的邊緣部分也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的曲率半徑,其端部曲率半徑公差在規(guī)定的設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。X7Ni9鋼板外觀檢查重點(diǎn)檢查鋼板邊緣的層狀物、鋼板的表面缺陷、至少6個(gè)點(diǎn)的鋼板厚度測量、鋼板的曲率半徑等。6個(gè)點(diǎn)的鋼板厚度測量應(yīng)滿足設(shè)計(jì)的公差要求,不允許出現(xiàn)負(fù)偏差。鋼板檢查合格進(jìn)行雙面噴丸處理后噴涂可焊接底漆。滾圓成型的鋼板采用帶弧度的鋼托架包裝,保持滾圓后的鋼板弧度,出廠和運(yùn)輸過程制定防止鋼板形狀和弧度等變形的措施。

X7Ni9鋼板材料的其他要求。邀請了獨(dú)立的第三方進(jìn)行駐廠試驗(yàn)監(jiān)造,參加鋼板生產(chǎn)過程的試樣取樣和試驗(yàn),鋼板試驗(yàn)檢驗(yàn)合格,出廠合格證書滿足EN10204中3.2證書要求,并由獨(dú)立第三方在3.2證書上進(jìn)行簽章。

X7Ni9鋼板焊接材料的選擇。X7Ni9鋼板焊接材料一般選用鎳基合金作為焊接材料,這種材料可以在穩(wěn)定后具有低溫韌性[4]。國產(chǎn)X7Ni9鋼板焊接材料尚無應(yīng)用業(yè)績,國內(nèi)在建和已建的LNG儲罐的焊接材料均為國外進(jìn)口[5]。X7Ni9鋼板焊接方式有手工電弧焊(SMAW)和埋弧自動(dòng)焊(SAW)2種,本項(xiàng)目手工電弧焊(SMAW)焊材選擇進(jìn)口的X7Ni9焊條,焊條規(guī)格有3種,分別為直徑2.5,3.2和4.0 mm,4個(gè)爐批號分別為O2MS165519、O2MS165520、O2MS165521、O2MS165522,焊條要求真空密封包裝。埋弧自動(dòng)焊(SAW)選用的X7Ni9焊絲規(guī)格為直徑2.4 mm焊絲。焊條的化學(xué)成分要求滿足ASME/AWS SFA/A5.11標(biāo)準(zhǔn)中ENiCrMo-6規(guī)格焊條成分要求,焊絲的化學(xué)成分要求滿足ASME/AWS SFA/A5.14標(biāo)準(zhǔn)中ER-ENiCrMo-4規(guī)格焊絲成分要求。焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)(包括SMAW和SAW試驗(yàn)),沖擊試驗(yàn)的試樣在焊接接頭頂部表面選取,焊縫、熱影響區(qū)的低溫沖擊性能與X7Ni9鋼板性能要求一致。在-196 ℃試驗(yàn)溫度下3組試樣平均沖擊功不小于規(guī)定的強(qiáng)度,單個(gè)試樣沖擊功不小于規(guī)定的強(qiáng)度。焊材生產(chǎn)前制定出的ITP檢驗(yàn)測試計(jì)劃,邀請獨(dú)立第三方根據(jù)ITP檢驗(yàn)測試計(jì)劃進(jìn)行全程的監(jiān)督檢驗(yàn),焊接材料出廠合格證書滿足EN10204中3.2證書要求,并由獨(dú)立第三方在3.2證書上進(jìn)行簽章。

2 LNG儲罐內(nèi)罐材料采辦進(jìn)度控制

LNG儲罐建造周期長,從基礎(chǔ)施工到機(jī)械完工工期約為3年(內(nèi)罐的主體施工工期約為1年),儲罐的施工工序是先進(jìn)行外罐施工,外罐施工封頂后再進(jìn)行內(nèi)罐施工。但是在施工外罐基礎(chǔ)承臺時(shí)需要進(jìn)行內(nèi)罐錨固帶和二次底環(huán)板的預(yù)埋,這時(shí)就需要內(nèi)罐材料(錨固帶和二次底環(huán)板)提前采辦進(jìn)場。因外罐基礎(chǔ)承臺施工時(shí)內(nèi)罐錨固帶和二次底環(huán)板預(yù)埋到內(nèi)罐主體開始施工工期間隔約有1年,這樣需要在采辦階段對內(nèi)罐材料進(jìn)行采辦批次劃分,制定出采辦進(jìn)度計(jì)劃并進(jìn)行控制。

本項(xiàng)目選擇了國產(chǎn)的X7Ni9鋼板,X7Ni9鋼板總需求量約為4 000 t,綜合考慮了供應(yīng)廠家生產(chǎn)預(yù)制能力、項(xiàng)目施工進(jìn)度、倉儲能力及運(yùn)輸能力,按照X7Ni9鋼板使用部位和功能劃分了4個(gè)采辦批次進(jìn)場。第1采辦批次為錨固帶、二次底環(huán)板、熱角保護(hù)系統(tǒng)TCP預(yù)埋、焊接工藝評定及焊接測試等材料,在需要承臺施工預(yù)埋時(shí)提前進(jìn)場。第2采辦批次的材料為內(nèi)罐底板環(huán)板、內(nèi)罐底幅板、內(nèi)罐底板異形板、二次底板幅板和異形板、熱角保護(hù)系統(tǒng)(TCP)、二次底和TCP處墊板等,在外罐罐底保冷施工時(shí)進(jìn)場,第2采辦批次與第1采辦批次的進(jìn)場的時(shí)間間隔約為1年左右。內(nèi)罐壁板的安裝采用從底層開始逐層向上正向安裝法,第3采辦批次的材料主要為1～4圈的內(nèi)罐壁板、加強(qiáng)圈、加強(qiáng)圈腹板和加強(qiáng)圈墊板等,在內(nèi)罐底板開始安裝時(shí)進(jìn)場。第4采辦批次的材料主要為5～11圈的內(nèi)罐壁板、加強(qiáng)圈、加強(qiáng)圈腹板和加強(qiáng)圈墊板等,在內(nèi)罐壁板正向安裝到第3圈時(shí)進(jìn)場。因X7Ni9鋼板采辦總量相對較大,劃分采辦批次時(shí)既要考慮廠家供應(yīng)能力、運(yùn)輸方式和距離,又要考慮好施工工序的銜接等。當(dāng)然,這個(gè)采辦批次計(jì)劃也不是一成不變的,合同執(zhí)行過程中可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)度要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

X7Ni9焊條和焊絲分了2個(gè)采辦批次進(jìn)場,第1采辦批次主要滿足外罐基礎(chǔ)承臺預(yù)埋時(shí)的焊接需求,外罐基礎(chǔ)承臺預(yù)埋時(shí)第1采辦批次焊條進(jìn)場。第2采辦批次在內(nèi)罐底板、二次底板、熱角保護(hù)系統(tǒng)(TCP)、二次底和TCP處墊板等施工時(shí)剩余的焊條和焊絲全部進(jìn)場。

3 LNG儲罐內(nèi)罐材料施工質(zhì)量控制

X7Ni9鋼板內(nèi)罐弧形壁板曲率變形控制要求。本項(xiàng)目內(nèi)罐弧形壁板采用工廠內(nèi)預(yù)制成型后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場,內(nèi)罐弧形壁板的曲率半徑R約為36 m,存放過程很容易變形,曲率變形會影響壁板安裝拼接質(zhì)量。項(xiàng)目采取措施為制作弧形托架,托架的弧度和內(nèi)罐壁板曲率半徑一致(R=36 m),托架與內(nèi)罐壁板接觸的部位墊放木塊,第1圈至第6圈板每個(gè)托架最多存放11張板,第7圈至第11圈板,每個(gè)托架最多存放22張,板與板之前使用50 cm×50 cm木方隔開。X7Ni9鋼板存放橫向設(shè)置一定的傾斜角度,滿足存儲時(shí)瀝水、通風(fēng)的要求。內(nèi)罐壁板的弧形板存放圖如圖2所示。

圖2 內(nèi)罐壁板的弧形板存放圖

X7Ni9鋼板磁性強(qiáng)度控制要求。X7Ni9鋼板的磁性很“嬌氣”,溫度、壓強(qiáng)、地球磁場等都會影響鋼板的磁性強(qiáng)度,在運(yùn)輸、吊裝、堆放等環(huán)節(jié)易受到環(huán)境磁場的污染。如果鋼板的磁性超標(biāo)在焊接過程中會造成焊縫飛濺,嚴(yán)重影響焊縫焊接質(zhì)量?？刂七M(jìn)場的X7Ni9鋼板剩余磁場強(qiáng)度不大于50 Gs,逐張鋼板進(jìn)行剩磁檢查[6]。檢查用的剩磁儀要經(jīng)有資質(zhì)檢定機(jī)構(gòu)檢定合格并在有效期內(nèi),檢查前要確認(rèn)剩磁儀處在有效的狀態(tài)。檢查重點(diǎn)為鋼板的四角及兩側(cè)表面等磁性容易集中的位置。防止環(huán)境磁性污染,X7Ni9鋼板存放位置要遠(yuǎn)離帶有磁性的用電設(shè)備,特別是磁性強(qiáng)的高壓電氣設(shè)備和高壓電線,避免與其他不同材質(zhì)的鋼板存放在一起,鋼板的吊裝采用X7Ni9鋼板吊裝的專用吊具和工卡具避免磁性的二次污染。X7Ni9剩磁檢查位置如圖3所示。

圖3 X7Ni9剩磁檢查位置

X7Ni9鋼板焊縫焊接質(zhì)量的控制管理。LNG儲罐內(nèi)罐X7Ni9鋼板焊接工程量較大,內(nèi)罐底板的焊縫長度約有8 200 m,內(nèi)罐壁板焊縫長度約有7 000 m,焊縫質(zhì)量的合格率直接影響到內(nèi)罐的安裝質(zhì)量。焊接開始時(shí),通過RT檢查的焊縫一次合格率較低。通過問題統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)影響焊縫質(zhì)量的主要問題為焊縫裂紋、咬邊、夾渣等,其中焊縫裂紋為主要的影響問題(占比為83%)。針對出現(xiàn)的焊縫質(zhì)量問題成立了課題為“提高X7Ni9鋼板焊接通過率”QC小組,對影響焊縫質(zhì)量問題的因素進(jìn)行檢查、分析、糾正、執(zhí)行。通過QC小組檢查、分析,在材料方面發(fā)現(xiàn)影響焊縫質(zhì)量的主要因素為X7Ni9鋼板母材稀釋率、鎳基合金焊材(奧氏體)熱裂紋敏感性和焊接電弧磁偏吹等。采取的糾正措施為通過焊接工藝評定確定鋼板母材和鎳基合金焊材合適的焊接速度和焊接電流,制定焊縫焊接工藝指導(dǎo)書,對剩余磁性強(qiáng)度高的X7Ni9鋼板進(jìn)行消磁處理,通過消磁降低鋼板的磁性強(qiáng)度,從而降低焊接電弧磁偏吹對焊縫質(zhì)量的影響。通過對影響焊接質(zhì)量的因素進(jìn)行控制后,焊縫RT檢查一次合格率得到較大的提高。

4 結(jié)語

近年來我國“碳達(dá)峰、碳中和”相關(guān)政策陸續(xù)出臺,鼓勵(lì)新能源、新材料、新技術(shù)等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。提高我國LNG接收站和LNG儲罐的建造技術(shù)對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展綠色低碳能源起著重要的作用。LNG儲罐建造技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性也成為LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)。作為國內(nèi)首個(gè)自主技術(shù)、自主設(shè)計(jì)、自主建設(shè)、自主管理的16萬m3全容儲罐項(xiàng)目已順利開車并平穩(wěn)運(yùn)行,達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期的目標(biāo)。建議各參建方要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化設(shè)計(jì),創(chuàng)新技術(shù),不斷提升LNG儲罐EPC管理水平。