LNG儲(chǔ)罐用鋼06Ni9DR焊接接頭彎曲試驗(yàn)斷裂失效分析

李冬毓,王嘉睿,孫萬(wàn)田

(1.中石化 第五建設(shè)有限公司,南京 210048;2.蘭州理工大學(xué),蘭州 730050)

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)能源工業(yè)的快速發(fā)展,液化天然氣(簡(jiǎn)稱(chēng)LNG)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到迅猛發(fā)展,一些鋼廠(chǎng)研發(fā)的06Ni9DR鋼被用于LNG貯罐的內(nèi)壁,該材料最低使用溫度可達(dá)到-196 ℃,具有良好的耐低溫韌性[1-4]。在對(duì)某LNG貯罐的06Ni9DR鋼板進(jìn)行焊接工藝評(píng)定時(shí),按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)文件規(guī)定厚度10 mm以下規(guī)格的彎曲試驗(yàn)是進(jìn)行橫向彎曲,而10 mm以上規(guī)格進(jìn)行側(cè)向彎曲。在工藝評(píng)定試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)厚度10 mm以下規(guī)格的橫向彎曲試樣易出現(xiàn)開(kāi)裂,而這種情況在進(jìn)行側(cè)向彎曲試驗(yàn)時(shí)很少出現(xiàn)。為了查找失效的原因,本文研究不同熱輸入對(duì)厚度5,10 mm兩種規(guī)格的06Ni9DR鋼板焊接接頭綜合力學(xué)性能及微觀(guān)組織的影響,從中查找橫向彎曲試樣失效的原因,為保障LNG儲(chǔ)罐的焊接質(zhì)量提供參考。

1 試驗(yàn)情況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為厚度5 mm和10 mm的06Ni9DR鋼板,供貨狀態(tài)為淬火(770～830 ℃)+回火(550～600 ℃)。母材顯微組織為回火馬氏體(見(jiàn)圖1),其主要化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

表1 06Ni9DR鋼板化學(xué)成分

表2 06Ni9DR鋼板力學(xué)性能

圖1 06Ni9DR鋼試板母材金相組織

1.2 試驗(yàn)方案

制定的試驗(yàn)方案如表3所示。采用手工焊條電弧焊接方法,焊接材料為鎳基焊條ENiCrMo-6,規(guī)格為?3.2 mm,其化學(xué)成分見(jiàn)表4。坡口形式為45°單V形。熱輸入分為4組進(jìn)行焊接。

表3 制定的試驗(yàn)方案

依據(jù)GB/T 228—2021《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》規(guī)定,采用CMT5305微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)定。

依據(jù)GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲及壓扁試驗(yàn)》規(guī)定,采用WAW-500C微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),對(duì)試件進(jìn)行180°彎曲試驗(yàn)。

依據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》,采用NI500C擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī),對(duì)焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行-196 ℃夏比V形缺口沖擊試驗(yàn),沖擊試樣尺寸可根據(jù)壁厚加工成55 mm×10 mm×2.5 mm和55 mm×10 mm×7.5 mm兩種。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸檢測(cè)結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?試樣SY-2-1,SY-2-2抗拉強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到母材標(biāo)準(zhǔn)要求的最低值(680 MPa),其他試樣均合格。

表5 拉伸檢測(cè)結(jié)果

2.2 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。可以看出,多數(shù)試樣彎曲到180°后未出現(xiàn)任何尺寸的裂紋,焊接接頭表現(xiàn)出了極好的塑性,但開(kāi)裂的2個(gè)試件宏觀(guān)看屬于失塑性脆斷(見(jiàn)圖2),焊接接頭瞬間失去塑性會(huì)給LNG儲(chǔ)罐帶來(lái)安全隱患。觀(guān)察WQ-2-2彎曲試樣斷口,發(fā)現(xiàn)里面有肉眼可見(jiàn)的較大孔洞,直徑幾乎可達(dá)到1 mm;而WQ-3-2是沿著熔合線(xiàn)的焊趾處開(kāi)裂,仔細(xì)觀(guān)察會(huì)發(fā)現(xiàn)焊趾處有輕微的咬邊,初步分析斷裂應(yīng)該是與這些缺陷有關(guān)。

圖2 斷裂彎曲試樣

2.3 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表7所示?？梢钥闯?熱輸入控制在12.5～26.6 kJ/cm范圍內(nèi)試件焊縫及熱影響區(qū)的沖擊韌性比較接近,轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)試樣(55 mm×10 mm×10 mm)沖擊吸收能量進(jìn)行對(duì)比,均大于41 J,符合對(duì)LNG儲(chǔ)罐低溫韌性的技術(shù)要求。

表7 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.4 金相分析

制備了SY-1,SY-2,SY-3三個(gè)焊接接頭試樣進(jìn)行金相分析,查找引起開(kāi)裂的原因。低倍下觀(guān)察,3個(gè)焊縫組織內(nèi)分布較多白色夾雜物,較小夾雜物星狀遍布焊縫,有些較大夾雜物呈不規(guī)則顆粒狀,如圖3所示。

圖3 焊接接頭宏觀(guān)金相組織

微觀(guān)下觀(guān)察焊縫區(qū)組織,可清晰看到焊縫組織為奧氏體柱狀晶結(jié)構(gòu),且組織中為胞狀晶和胞狀樹(shù)枝晶[5-6],但在SY-2組織中觀(guān)察到有較大夾雜物,如圖4所示。觀(guān)察熱影響區(qū)為板條馬氏體組織(見(jiàn)圖5),結(jié)構(gòu)均勻未粗化,不同熱輸入焊接接頭熱影響區(qū)組織無(wú)明顯差別。說(shuō)明并不是熱輸入導(dǎo)致了組織結(jié)構(gòu)惡化引起的斷裂。

圖4 焊縫微觀(guān)金相組織

圖5 熱影響區(qū)微觀(guān)金相組織

2.5 SEM及EDS分析

對(duì)斷裂彎曲試樣斷口進(jìn)行掃描電鏡SEM組織分析及能譜EDS分析,分別如圖6、圖7所示。

圖7 夾雜物電子照片及EDS分析

在低倍顯微鏡下觀(guān)察,斷口屬于脆性斷裂,上面有較大孔洞和較多夾雜物。選擇典型夾雜物進(jìn)行EDS分析,發(fā)現(xiàn)雜夾物富含Ca,F,O。ENiCrMo-6屬于堿性焊條,焊條主要相為CaCO3,CaF2,SiO2[7],說(shuō)明夾雜物來(lái)源于焊條的藥皮。高倍數(shù)顯微鏡下觀(guān)察,斷口有較多細(xì)小的韌窩,韌窩中有不規(guī)則的顆粒狀第二相析出物,由于9Ni鋼材為高鎳基型,碳元素可以通過(guò)固溶強(qiáng)化作用和析出碳化物作為第二相強(qiáng)化的方式來(lái)有效提高奧氏體焊縫的強(qiáng)度和低溫韌性[8-9]。

通過(guò)此次試驗(yàn),對(duì)該鎳基合金焊條有了進(jìn)一步了解。與碳鋼、奧氏體不銹鋼等焊條相比,鎳基焊條熔化后,黏稠度高、流動(dòng)性差、脫渣性能也較差[10-11],更易產(chǎn)生夾渣、未熔合以及咬邊等缺陷。如果焊層間清理不徹底,或者焊工對(duì)鎳基合金焊材焊接操作特點(diǎn)掌握不熟練,每層熔池填充形狀不利于焊渣的清理時(shí),都易產(chǎn)生夾渣缺陷,建議焊接前應(yīng)篩選操作技能水平較高、有鎳基合金焊材焊接經(jīng)驗(yàn)的焊工,且應(yīng)進(jìn)行崗前培訓(xùn)與實(shí)操技能考試。通過(guò)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)采用較小的熱輸入焊接時(shí),夾渣缺陷產(chǎn)生的機(jī)率會(huì)更高,這些較小夾渣對(duì)焊縫組織的抗拉強(qiáng)度、塑性,以及低溫沖擊性能影響并不明顯,但較大夾渣會(huì)嚴(yán)重惡化焊接接頭的塑性。為了保障LNG貯罐焊接質(zhì)量,須采用較大的坡口角度,以便于焊條的擺動(dòng),適當(dāng)延長(zhǎng)坡口兩邊緣的停留時(shí)間,以避免咬邊缺陷的產(chǎn)生;采用合理的熱輸入范圍,更有利于熔渣上浮,而不宜過(guò)度強(qiáng)調(diào)采用較小熱輸入進(jìn)行焊接;控制熔沲形狀呈平緩的凹形,防止產(chǎn)生夾溝,且層間打磨清理應(yīng)徹底等。按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí),當(dāng)試樣母材與焊縫金屬之間的彎曲有顯著差別時(shí),可采用縱向彎曲代替橫向彎曲,通過(guò)與設(shè)計(jì)方溝通確認(rèn),改為用縱向彎曲代替橫向彎曲,后續(xù)縱向彎曲試驗(yàn)均合格。這種斷裂情況很少在側(cè)向彎曲和縱向彎曲時(shí)出現(xiàn)的原因,與側(cè)向和縱向彎曲不存在輕微咬邊有關(guān)?？梢?jiàn),對(duì)于LNG貯罐焊接外觀(guān)質(zhì)量檢查,應(yīng)嚴(yán)格控制不得出現(xiàn)咬邊缺陷。

3 結(jié)論

(1)采用ENiCrMo-6焊條焊接06Ni9DR鋼板,熱輸入控制在12.5～26.6 kJ/cm范圍內(nèi),焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)組織結(jié)構(gòu)相似,組織均具有較好的強(qiáng)度、塑性以及低溫沖擊韌性。但采用較小熱輸入焊接,更易產(chǎn)生夾渣、咬邊等缺陷。

(2)在工程中,當(dāng)采用鎳基合金焊條焊接時(shí),應(yīng)選擇脫渣性能優(yōu)良的焊材,采用合理的熱輸入范圍,不可過(guò)度強(qiáng)調(diào)以較小熱輸入進(jìn)行焊接,嚴(yán)格進(jìn)行層間清理,不得出現(xiàn)咬邊缺陷,才能保障LNG儲(chǔ)罐的焊接質(zhì)量。