大型LNG儲罐9%Ni鋼焊接質(zhì)量控制探討

趙鵬飛，張 寧，鄭金濤，喻祺霖，郭海龍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

目前，世界各國對全球溫室效應(yīng)愈發(fā)重視，對新能源的依賴性也大幅提升。LNG由于良好的清潔性及零污染性，被世界各國首選為清潔型替代能源。我國從2000年初開始大量建造LNG 低溫儲罐。因LNG儲罐具有存儲效率高、占地面積相對較小、易于操作管理等優(yōu)點，也是液化天然氣接收終端天然氣液化廠及城市燃氣儲存設(shè)備的首選[1-2]。為降低LNG儲罐的建造成本，增大儲罐容積成為了較理想的優(yōu)化方式。但是隨著儲罐容量的增大，對大型LNG低溫儲罐9%Ni鋼的焊接技術(shù)與原材料的組織力學(xué)性能也提出了更高的要求[3]。本文以國內(nèi)在建的22萬m3LNG儲罐為例，分析了內(nèi)罐9%Ni鋼焊接的質(zhì)量控制要點，同時對比了不同焊接方法容易產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷，總結(jié)了影響9%Ni鋼焊接的控制因素，為后續(xù)更大容積儲罐壁板焊接質(zhì)量控制提供借鑒作用。

1 母材及焊材

1.1 9%Ni鋼

9%Ni鋼是Ni質(zhì)量分數(shù)為8.5%～9.5%的低溫用鋼，組織是馬氏體加貝氏體，或者是低碳回火馬氏體。它具有體心立方結(jié)構(gòu)和明顯的脆性轉(zhuǎn)變溫度，最低使用溫度可以達到 -196 ℃[4-5]。目前，9%Ni鋼的生產(chǎn)都已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化。因為采用兩次正火+回火(NNT)工藝得到的組織是馬氏體加貝氏體，其低溫韌性差于淬火+回火(QT)的工藝[6]。本項目供貨要求9%Ni鋼板以離線淬火+回火(QT)的調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)交貨。本項目選用的9%Ni鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2。

表1 9%Ni鋼的化學(xué)成分

表2 9%Ni鋼的力學(xué)性能

22萬m3LNG儲罐內(nèi)罐壁板厚度達到了 33.6 mm，這對9%Ni鋼板的出廠生產(chǎn)和焊接控制提出了更高的要求。鋼板入場后需根據(jù)技術(shù)規(guī)格書的要求檢驗鋼板的材質(zhì)證書。材質(zhì)證書要求有第三方檢測機構(gòu)出具的EN10204的3.2證書質(zhì)量證明文件。到場的鋼板都應(yīng)進行剩磁檢查，對于剩磁超過50Gs的9%Ni鋼板應(yīng)做消磁處理，防止產(chǎn)生磁偏吹。鋼板在存放過程中需采取木方墊底的方式，防止產(chǎn)生變形。用于墊底的物件不能產(chǎn)生磁場，且不能帶有菱角防止劃傷鋼板。為保護9%Ni鋼表面，需加蓋防雨布防止鋼板受潮和腐蝕。

1.2 焊接材料

內(nèi)罐焊接所選的焊材要盡可能與9%Ni鋼有相近的線膨脹系數(shù)，同時要兼具良好的低溫韌性。9%Ni鋼手工電弧焊焊接立縫常用的焊材是ENiCrMo-3和ENiCrMo-6型號。本工程項目使用的X7Ni9 鋼板手工電弧焊(SMAW)，焊條選擇 ASME / AWS SFA/A 5.11標準中的ENiCrMo-6 焊條。ENiCrMo-6 焊條一般選用CaCO2-CaF2-TiO2型渣系作為基礎(chǔ)渣系，焊條氣孔敏感性低、工藝性優(yōu)良、焊接工藝窗口寬泛，適合大規(guī)范和全位置焊接[7]。本項目也采用了全自動TT焊接立縫壁板(全自動TT焊接是TIPTIG 焊接技術(shù)的簡稱，屬于一種動態(tài)振動自動送絲的熱絲TIG焊接技術(shù))。全自動TT焊接選用的焊絲型號為NiCrMo-4，焊絲直徑 1.0 mm。內(nèi)罐壁板的環(huán)焊縫焊接選用埋弧焊絲，焊材型號是ER-NiCrMo-4，焊絲直徑 2.4 mm，匹配的焊劑型號為OK Fluk 10.99。焊材的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表3、表4。

表3 焊條的化學(xué)成分/%

表4 焊材熔覆金屬的力學(xué)性能

9%Ni焊材應(yīng)在室內(nèi)溫度5～35 ℃，濕度不超過60%的焊材庫中保存，入庫的焊材要確保離開地面距離、間隔墻面距離均大于 300 mm 分類擺放，每個牌號單獨做好標識牌。焊條烘干后及時放入100～150 ℃ 的恒溫箱中，不同種類的焊條烘烤溫度有區(qū)別，焊材庫管理人員必須做好記錄并做好標識。同一烘干箱每次只能入同種烘干規(guī)范的焊條進行烘干，對于烘干規(guī)范相同，但批號、牌號或規(guī)格不同的焊條，堆放時必須有一定的物理間隔。為了保證烘干效果，焊條堆放層數(shù)一般為 1～3層，且不超過 50 mm 的高度。9%Ni焊條使用前，應(yīng)在 300～430 ℃ 的溫度范圍內(nèi)烘培 12 h，或按廠家提供的焊條說明書進行烘干。焊條放入烘箱的溫度不應(yīng)超過規(guī)定最高溫度的一半，烘培時間以烘箱達到規(guī)定最高烘培溫度后開始計算。烘干后的焊條應(yīng)放置于溫度不低于 120 ℃ 的保溫箱中存放、待用，使用前應(yīng)置于保溫筒中，及時做好焊條烘焙記錄。焊接過程中，焊工不允許手持大把焊條，失效的保溫桶不得再使用，9%Ni焊條由專人發(fā)放并回收，焊條頭要統(tǒng)一回收、存放。

2 焊接方法

2.1 手工電弧焊和埋弧焊

LNG儲罐內(nèi)罐壁板常見的焊接方法是手工電弧焊和埋弧焊。由于9%Ni鋼的特殊性，手工電弧焊選用交流焊機焊接9%Ni鋼，因此對焊工技能的操作水平有相當高的要求。目前國內(nèi)LNG行業(yè)優(yōu)質(zhì)9%Ni焊工數(shù)量缺口較大。若因9%Ni鋼焊工操作不當，焊接過程極易產(chǎn)生焊縫未熔合、未焊透、焊接應(yīng)力、焊接冷裂紋、焊接熱裂紋、電弧磁偏吹等重大質(zhì)量缺陷[8]。據(jù)研究顯示，9%Ni鋼焊接熱裂紋中的弧坑裂紋是對儲罐安全質(zhì)量影響最大的缺陷，其原因是合金中的S和P等元素極易與Ni形成低熔點共晶物，造成晶間偏析，不利于焊縫組織[9]。埋弧焊中易出現(xiàn)氣孔缺陷比例相對較高，主要是焊劑受潮和焊接時焊劑覆蓋不充分且環(huán)境濕度較大引起，焊工在操作時需注意焊劑的焊前烘干和焊劑焊接時充分接觸覆蓋。圖1為9%Ni鋼手工電弧焊接、埋弧焊接及清根打磨施工。

圖1 手工電弧焊、埋弧焊接及清根打磨

據(jù)研究：隨著熱輸入的增加，焊縫處組織高溫作用的時間增加，奧氏體晶粒劇烈長大，冷卻后的組織更加粗大，從而導(dǎo)致低溫韌性下降，將直接關(guān)系到焊接接頭組織的晶粒尺寸大小和力學(xué)性能[10-11]。因此，控制焊接熱輸入是手工電弧焊焊接9%Ni鋼的質(zhì)量控制要點，9%Ni鋼焊接熱輸入應(yīng)控制在 30 kJ/cm 以下。通過調(diào)整不同厚度的壁板焊接電流、焊接電壓、焊接速度等工藝參數(shù)，使得焊接熱輸入選取7～30 kJ/cm 的范圍內(nèi)。避免焊材與母材的熔化溫度區(qū)間差異過大，盡量進行多層多道焊焊接工藝，層間溫度控制在 100 ℃ 以下為宜，防止產(chǎn)生較大變形，目的是減小低溫韌性下降的帶來的隱患。焊接時，最大擺動寬度不應(yīng)超過2.5倍的焊條直徑，禁止采用三角形或梯形的運條方式擺動。9%Ni鋼的角焊縫應(yīng)至少焊接兩道，焊腳高小于 6 mm 的角焊縫，可以采用單道焊或者多道焊；6 mm 及以上焊腳高的角焊縫，應(yīng)采用多道焊。為進一步加強焊接質(zhì)量控制，需控制環(huán)境風速≤8 m/s、相對濕度≤90%下。當環(huán)境溫度≤5 ℃ 時，對母材進行局部預(yù)熱。對于9%Ni鋼壁板厚度小于 15 mm 厚的，錯邊誤差控制在 1.5 mm 內(nèi)；對于9%Ni鋼壁板厚度大于 15 mm 厚的，錯邊誤差控制在10%的壁板厚度或 2 mm 中的較小者。環(huán)縫相鄰兩圈壁板立縫之間的距離不應(yīng)小于 300 mm，焊縫組對間隙在 3 mm 內(nèi)。整個內(nèi)罐壁板焊接過程不允許使用碳弧氣刨打磨坡口，氣刨清根打磨容易產(chǎn)生結(jié)碳現(xiàn)象，且氣刨清根后的焊縫往往寬窄不一、深淺不勻可能會造成焊接缺陷。

2.2 全自動TIPTIG焊接

本項目儲罐也采用全自動TIPTIG焊接技術(shù)焊接壁板，自動送絲使得TIG焊接由不受控過程變?yōu)槭芸剡^程，并實現(xiàn)以最佳的方向和角度恒定的填絲功能。圖2為全自動TT焊接施工及焊縫外觀。對比傳統(tǒng)手工電弧焊接，全自動TT焊打底時需要氬氣進行背部保護，背部焊縫無需打磨清根；焊縫蓋面完成后幾乎無需打磨，可有效減少90%以上的打磨工作，大大降低了施工人員的作業(yè)強度。全自動TT焊的焊縫外觀成形良好，魚鱗紋均勻一致，與母材過渡圓滑，其獨特的鐘擺技術(shù)可將焊縫余高控制在1.0～1.5 mm 范圍內(nèi)，滿足規(guī)范設(shè)計要求的余高小于等于 1.6 mm。LNG儲罐內(nèi)罐全自動TT焊接技術(shù)具備先進的智能化系統(tǒng)跟蹤。相比其他焊接方法，其工況適應(yīng)性更強、焊接過程參數(shù)實時監(jiān)控，可追溯性強，現(xiàn)場施工人員可在任意位置實時監(jiān)控每一道焊口的焊接參數(shù)，并可對歷史工藝數(shù)據(jù)進行查詢、對比分析。全自動TT焊接焊縫力學(xué)性能優(yōu)異，在 -196 ℃ 低溫沖擊功可以達到 150 J，是標準設(shè)計規(guī)范數(shù)值的2倍多，焊縫的平均拉伸強度達到 700 MPa 以上，高于標準規(guī)范要求的數(shù)值 690 MPa。

圖2 全自動TT焊接施工及焊縫外觀

全自動TT焊雖焊接一次合格率高，但是操作不當也易產(chǎn)生夾鎢、氣孔等常見氬弧焊的質(zhì)量通病，因此焊接前需保證焊縫坡口處的外側(cè) 15 mm 的范圍內(nèi)的打磨處理，清除油漆、浮銹、泥土等，同時提升焊縫坡口精度，嚴格控制鋼板組對錯邊在規(guī)范要求內(nèi)，選用純度99.99%的氬氣進行氣體保護。全自動TT焊接順序和手工電弧焊焊接順序相同，先焊內(nèi)罐壁板夾層側(cè)坡口，再焊壁板內(nèi)側(cè)坡口。鋼板T形接頭焊縫處盡可能保證每層焊道接頭錯開距離不小于 30 mm。立縫焊接完成后，未進行環(huán)縫焊接前，對T形縫交界處厚度方向截面進行打磨清理，并做滲透檢測(PT)以排除表面缺陷的影響，為后續(xù)橫焊提供焊接條件。在打底和熱道焊時背面需充氬保護，填充蓋面焊道焊接無需背部保護氣體。

3 焊接檢驗

LNG儲罐內(nèi)罐焊接后的無損檢測方法主要有滲透檢測(PT)、射線檢測(RT)、超聲波檢測(UT)、PMI光譜分析和真空箱檢測。所有焊縫要100%進行RT檢測，RT拍片需要采用雙膠片曝光技術(shù)進行檢測，同時所有立縫和環(huán)縫都需進行雙面100% PT檢測；內(nèi)罐壁板環(huán)縫和T型焊縫焊接完成后需在兩側(cè)進行100%外觀檢查，內(nèi)罐壁板T型焊縫各 200 mm 長度焊縫RT檢驗后進行UT復(fù)檢。打底、清根打磨和蓋面后，內(nèi)罐壁板與內(nèi)罐底環(huán)板連接的大角縫各進行一次100%的PT檢測，大角焊縫PT的檢測方法應(yīng)選擇溶劑去除型著色滲透檢測。為檢驗9%Ni鋼板的關(guān)鍵合金元素符合規(guī)格書要求和焊材的正確使用，應(yīng)對內(nèi)罐底板環(huán)板、內(nèi)罐底板大角縫、內(nèi)罐壁板的焊縫進行PMI光譜分析，檢測比例為每 20 m 一個檢測點。所有徑向?qū)雍缚p100%進行真空箱檢測，最小檢測壓力為 55 kPa。水壓試驗前和水壓試驗后對整個環(huán)形區(qū)域進行100%外觀檢查，有懷疑的區(qū)域進行真空箱檢測。

4 焊接工藝評定

焊接工藝評定對焊接有著重要的指導(dǎo)作用，用于驗證焊接工藝是否能夠獲得符合要求的焊接接頭。本項目9%Ni鋼焊接工藝評定執(zhí)行標準選用EN ISO 15614-1，因本項目壁板厚度最大達到 33.6 mm，按照設(shè)計要求分別對最大壁厚及每種焊接工藝的橫焊位置和/或立焊位置進行對接接頭評定試驗。對內(nèi)罐底環(huán)板位置需做仰焊位置(PE/4G)的焊接工藝評定試驗；當焊接熱輸入量變化超過25%時和返修焊接工藝與原焊縫的焊接工藝不同時，必須單獨進行焊接工藝評定；為了更好的進行焊接工藝評定的質(zhì)量控制，本項目設(shè)計文件要求：儲罐內(nèi)罐全部焊接工藝應(yīng)針對本項目進行評定，以往項目的評定記錄不允許用于本項目，用于評定測試的材料和焊接接頭類型應(yīng)與建造過程保持一致。

5 小結(jié)

1)選用合適的焊材和焊接方法確保9%Ni鋼焊接的可靠性，9%Ni鋼和9%Ni焊材化學(xué)成分和力學(xué)性能出廠時必須嚴格控制，是9%Ni鋼焊接質(zhì)量的重要因素。

2)手工電弧焊焊接9%Ni鋼應(yīng)嚴格控制熱輸入，保證熱輸入在7～30 kJ/cm，以防止焊接裂紋的產(chǎn)生。焊接層間溫度要小于 100 ℃ 以下，焊接時最大擺動寬度不應(yīng)超過2.5倍的焊條直徑。

3)9%Ni鋼選用全自動TT焊接方法相比手工電弧焊一次焊接合格率高，焊縫外觀成型優(yōu)美，且具有焊接過程可追溯性，焊接后無需打磨即可進行RT檢測節(jié)省了打磨工序，且焊后煙塵較小保護了焊工的職業(yè)健康。