1、，1，劉洪健，2010年九月LNG罐焊接技術(shù)及開(kāi)發(fā)，2，1，前言目前世界各國(guó)積極推進(jìn)低溫液化氣體儲(chǔ)量。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的變化，國(guó)家積極支持液化天然氣項(xiàng)目的發(fā)展，并將LNG進(jìn)口多樣化發(fā)展戰(zhàn)略作為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成部分。啟動(dòng)于06年的三大LNG接收國(guó)項(xiàng)目廣東、福建、上海LNG項(xiàng)目相繼啟動(dòng)，目前正處于大連、江蘇項(xiàng)目建設(shè)階段。3、LNG接收設(shè)施主要包括LNG接收入庫(kù)用低溫儲(chǔ)罐、LNG碼頭和棧橋地區(qū)、灌溉用水泡沫站、氣化古瀨車(chē)站、加壓/冷凝古瀨車(chē)站、火炬古瀨車(chē)站、公用事業(yè)、計(jì)量輸出古瀨車(chē)站、油罐裝載古瀨車(chē)站等，LNG低溫儲(chǔ)罐的安裝是建設(shè)的核心和核心。LNG低溫儲(chǔ)罐

2、通常是雙壁結(jié)構(gòu)的垂直拱頂罐，外墻是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是雙壁鋼結(jié)構(gòu)。外部普通碳素鋼板是混凝土(附著在外部油罐墻混凝土層內(nèi)部并密封焊接)、4，最內(nèi)層為9%Ni鋼(例如ASTM A553 Type1等)，厚度從下往上減少(16.5萬(wàn)立方水箱內(nèi)側(cè)水箱底環(huán)壁板為26.2mm，頂環(huán)壁板為12 mm)，內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)間隙通常為850mm以上，1000mm以上罐頂也是雙層含水層結(jié)構(gòu)，頂部掛在外部頂部?jī)?nèi)壁的沖床是鋁板(如ASTM B209M5083)，通過(guò)吊桿(SS)與外部罐拱頂骨架連接，內(nèi)部和外部頂部之間的中間層填充特殊隔熱層，頂部外部是混凝土層。5，水箱底部由3層鋼板和冷卻層組成，底部是碳鋼板，底部和2

3、層底部是9%Ni鋼，在每個(gè)2層之間放置泡沫玻璃磚冷卻層。水箱壁沒(méi)有噴嘴，所有管線通過(guò)水箱頂部開(kāi)口連接到水箱內(nèi)部。其結(jié)構(gòu)如下：6、7、油罐工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，8，以下主要介紹上海LNG罐體焊接施工實(shí)例：第二，罐體材料介紹2.1罐體為A36，A516Gr380，A516Gr450鋁天花板：B209M 5083-O內(nèi)罐：A553 TYPE 1(9%Ni鋼)，9，2.2 . 9%Ni鋼簡(jiǎn)介9% Ni鋼1944年由美國(guó)INCO公司開(kāi)發(fā)的優(yōu)質(zhì)低溫鋼于1948年推出。包含在1956年初的ASTM標(biāo)準(zhǔn)中。1960年以前，9%Ni鋼僅用鐵氧體電極焊接，需要熱處理去除焊后應(yīng)力，制造大型儲(chǔ)罐存在困難。1960年10月，使

4、用Inconel焊條焊接9%Ni鋼成功，在液氮溫度下通過(guò)了爆破加壓試驗(yàn)。由于后來(lái)開(kāi)發(fā)的9%Ni鋼的雙標(biāo)準(zhǔn)化回火(NNT)熱處理工藝和調(diào)質(zhì)(QT)熱處理工藝，9%Ni鋼的焊接無(wú)需進(jìn)行焊后應(yīng)力消除熱處理。1962年，ASTM規(guī)格：10，板厚38mm以下的罐可以不消除焊接接頭殘余應(yīng)力熱處理，1963年擴(kuò)展到50mm，9%Ni鋼可用于制造大型LNG罐。1952年，第一個(gè)9 %Ni鋼儲(chǔ)罐在美國(guó)投入使用。1965年，法國(guó)用9%Ni鋼建造了第一艘LNG油輪Jules Verne號(hào)，2萬(wàn)584 m3起作用。日本9%Ni鋼的大規(guī)模使用是1969年在橫濱港竣工的3.5萬(wàn)m3和4.5萬(wàn)m3 LNG坦克，1977年將

5、Ni9鋼列入JIS標(biāo)準(zhǔn)，JIS G3127為了熱處理9%Ni鋼，實(shí)施了以下要求：雙凈化回火(NNT)和調(diào)質(zhì)(QT)。1980年，日本建設(shè)了7.5萬(wàn)m3LNG坦克。根據(jù)11，1991年的JIS G3127，可以根據(jù)需要進(jìn)行中間熱處理。自1982年以來(lái)，9%的Ni鋼在低溫儲(chǔ)罐的主持下逐漸取代了Ni-Cr不銹鋼，到1995年為止，世界上建設(shè)的最大9%的Ni鋼儲(chǔ)罐容積為14萬(wàn)m3。由此可見(jiàn)，9%Ni鋼已是國(guó)際上低溫設(shè)備領(lǐng)域廣泛使用的鋼材，焊接性能好，焊接工藝成熟。在我國(guó)，對(duì)9%Ni鋼焊接的研究和應(yīng)用延遲，特別是在LNG儲(chǔ)罐焊接中沒(méi)有形成自己的標(biāo)準(zhǔn)，工藝規(guī)格不完善。，12，目前建議和常用的熱處理方法有三

6、種。(1) NNT將第一熱作為900空冷供熱處理。第二熱由790空冷加熱后550-580回火后淬火處理后回火馬氏體和貝氏體組成。(2) QT處理800水淬或油浸后，550-580回火后的組織是低碳馬氏體。(3)兩相調(diào)質(zhì)(稱(chēng)為IHT)一般是在水浸泡670次后，由550580回火處理的組織是低碳馬氏體。13，Ni是9%Ni鋼的主要合金元素，在此鋼中的作用是降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，增加其沖擊韌性。Mn可微調(diào)此鋼中的晶粒，同時(shí)提高w(Mn)/w(C)的比率，以提高鋼的韌性和降低轉(zhuǎn)換溫度。在c鋼中，可以提高鋼的強(qiáng)度。必須嚴(yán)格控制s，p含量。否則，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，熱裂紋增加的傾向。因此，要想使9%Ni鋼的

7、低溫韌性?xún)?yōu)秀，必須嚴(yán)格控制該鋼c、Si等其他元素和s、p等雜質(zhì)的含量。14，9%Ni鋼的化學(xué)成分和機(jī)械性能(wt，%)，15，有關(guān)上海LNG用低溫鋼板的化學(xué)成分和機(jī)械性能，請(qǐng)參閱下表。A553TYPE1鋼的化學(xué)成分，A553TYPE1鋼的力學(xué)性能，16，2.3 . 9%Ni鋼的焊接性能9%Ni鋼被認(rèn)為具有良好的低溫特性和焊接性能，最適合制造低溫壓力容器/罐，9% Ni鋼焊接中主要出現(xiàn)的問(wèn)題是與焊接材料類(lèi)型、焊接熱輸入、焊接工藝有關(guān)的問(wèn)題，如確保焊接接頭的低溫韌性、防止焊接裂紋、防止弧磁偏壓等。(1)焊接后低溫韌性下降：焊接接頭的低溫韌性問(wèn)題發(fā)生在焊接區(qū)、熔合區(qū)和粗晶區(qū)。焊接金屬的低溫韌性與焊接

8、材料的類(lèi)型有關(guān)，使用與9%Ni鋼成分相同的焊接材料時(shí)，焊接金屬的低溫性能很低，主要是由于焊接金屬的氧含量高而引起的。17，融合區(qū)低溫韌性與發(fā)生的脆性組織有關(guān)。Ni13%Cr16%用奧氏體不銹鋼焊接材料焊接9%Ni時(shí)，熔合區(qū)域的化學(xué)成分是Cr、Mn、w和c豐富的區(qū)域，而不是奧氏體鋼或9%Ni鋼成分。熔合區(qū)域的硬度明顯高于焊接金屬的硬度和熱影響區(qū)域的硬度，熔合區(qū)域的硬度取決于位置，有由板馬氏體和紐結(jié)馬氏體復(fù)合構(gòu)成的脆性硬質(zhì)層。18，(2)焊接熱裂紋在用Ni基、FeNi基或Ni13%Cr16%奧氏體不銹鋼焊接材料焊接Ni9鋼時(shí)可能出現(xiàn)熱裂紋。例如，使用25Cr16Ni13Mn8W3電極焊接Ni9鋼時(shí)

9、，可能會(huì)出現(xiàn)弧坑裂紋、高溫鑄模裂紋、液化裂紋或熔合區(qū)域中的微裂紋。焊接熱裂紋容易發(fā)生在基本焊縫或位置焊縫中。即使渣很多，渣也可能發(fā)生裂紋，放置焊縫時(shí)在圓弧上也可能發(fā)生裂紋。19，微松或折疊的微裂紋主要發(fā)生在融合區(qū)。這些缺陷通常很小。所謂折疊，是在焊接過(guò)程中通過(guò)電弧的攪拌，在焊接過(guò)程中通過(guò)一些母材的焊接而獲得的。這種導(dǎo)入焊接的分母材料會(huì)熔化，但不會(huì)與焊條金屬混合，焊接金屬的合金元素比母材高，熔點(diǎn)低于9%Ni鋼，因此基本上是原始9%Ni鋼的成分。陷入折疊的焊接金屬比周?chē)恼郫B金屬凝固得晚，凝固時(shí)無(wú)法補(bǔ)充金屬，因此產(chǎn)生裂紋的實(shí)際是微布斯。消除上述裂紋的方法是減少有害因素，采用正確的焊接技術(shù)適當(dāng)研磨。

10、20，(3)焊接冷裂紋9%Ni鋼與其他強(qiáng)度相同的低合金鋼相比，冷卻裂紋電阻較好，在低氫條件下不發(fā)生冷卻裂紋，但使用低Ni高M(jìn)n奧氏體電極時(shí)，由于母料稀釋?zhuān)哂捕锐R氏體帶出現(xiàn)在熔體和古瀨車(chē)站附近，對(duì)氫脆性敏感，防止焊接冷裂紋的措施適用于焊接工藝程序，特別是電極干燥，焊接環(huán)境濕度，焊接使用基于Ni的焊接材料時(shí)，防止熔合區(qū)域出現(xiàn)高硬馬氏體，從而有效地防止冷卻裂紋。，21，(4)弧磁偏置9%Ni鋼焊接時(shí)容易發(fā)生磁偏置，因此主殘余磁率在50高斯以下，但焊接中殘余磁率在20高斯以上。因此，為了用高電流碳弧空位整理根部或使用磁鐵去除磁性，應(yīng)盡可能使用交流焊接。22，3，焊接工作的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)LNG焊接工程中

11、9%Ni鋼焊接性分析，在罐焊接工程中起關(guān)鍵作用的內(nèi)部罐，主要焊接困難包括：大鋼硬度，邊角處理困難；鋼容易磁化。焊接容易產(chǎn)生冷、熱裂紋。焊接電弧的磁偏壓；23，4，主要使用的規(guī)范，目前國(guó)內(nèi)對(duì)低溫儲(chǔ)罐建設(shè)沒(méi)有具體的驗(yàn)收規(guī)范，建設(shè)主要參考國(guó)外相關(guān)規(guī)范，焊接工藝評(píng)價(jià)及焊接結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用規(guī)范如下。BS7777-1993立式圓柱低溫儲(chǔ)罐en 287-1: 1992鋼熔化焊工試驗(yàn)en 287-2: 1992鋁熔化焊工試驗(yàn)EN288-3-1992金屬材料焊接工藝評(píng)價(jià)-鋼EN288-4-1992金屬材料焊接工藝評(píng)價(jià)，24，EN571-1997無(wú)損檢測(cè)著色試驗(yàn)EN895-2001拉伸試驗(yàn)EN910-1996彎曲試

12、驗(yàn)EN10045-1993沖擊試驗(yàn)EN1043-1997硬度試驗(yàn)EN ISO 5817-2003焊縫無(wú)損檢測(cè)ASME焊縫和釬焊評(píng)估，25，51外罐焊接方法外罐焊接，主要采用SMAW，螺柱的焊接采用螺柱和SMAW。5，選擇焊接方法，外罐壁板安裝焊接，螺栓螺柱焊，26，鋁天花板焊接，27，52內(nèi)部油罐焊接方法目前9%Ni鋼焊接方法主要焊接方法為電極弧焊(SMAW)、TIG焊(GTAW)、熔化極惰性氣體保護(hù)弧焊(GMAW)、埋弧焊(SAW)。Tig焊接的焊接效率太低，在項(xiàng)目中選擇此焊接方法不經(jīng)濟(jì)，但可以獲得具有窄凹槽的高質(zhì)量焊接接頭。特別是，28，低鎳焊接材料焊接9%Ni鋼的情況下，TIG焊接是很好

13、的焊接方法。因此，選擇僅在特定情況下使用TIG焊接。手動(dòng)熔化惰性氣體保護(hù)弧焊的熔化速度很大，但對(duì)焊機(jī)的焊接技術(shù)要求很高。這種焊接方法的主要缺點(diǎn)是容易發(fā)生融合不良和氣孔。焊條弧焊是適用于各種焊接位置、非常靈活、可執(zhí)行的9%Ni鋼現(xiàn)場(chǎng)焊接的焊接方法。這種焊接方法可以達(dá)到高合金過(guò)剩系數(shù)，甚至170%。29，埋弧焊是焊接速度最高的焊接方法，特別是因?yàn)槭褂昧谁h(huán)焊機(jī)械系統(tǒng)。但是，弧焊的優(yōu)點(diǎn)僅適用于水平和水平位置焊接。對(duì)于立式罐的縱向焊接，目前開(kāi)發(fā)了機(jī)電式垂直焊接設(shè)備，自動(dòng)化水平高，但機(jī)電式垂直焊接的線能量大，難以控制，不適合9%Ni鋼焊接。垂直焊接仍然用電極弧焊焊接。30，實(shí)踐證明，焊條弧焊和埋弧焊是9%

14、Ni鋼儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)焊接效率最高的焊接方法。由于LNG罐的焊接操作，目前主要用于9%Ni鋼焊接的方法是手動(dòng)弧焊、埋弧自動(dòng)焊，是目前中國(guó)LNG罐主體常用的焊接方法。其中手動(dòng)弧焊主要用于壁板的垂直、底部、大腳縫、熱角保護(hù)板，而埋弧自動(dòng)焊主要用于壁板的水平縫。以下是我公司上海LNG罐焊接方法示意圖：31，32，內(nèi)罐壁板邊縫焊接，內(nèi)罐壁板周長(zhǎng)焊接，33，9%Ni鋼焊接材料可以概括為包含約60% Ni的4種類(lèi)型；含Ni的Fe-Ni基類(lèi)型包含約40% Ni13%-Cr16%的奧氏體不銹鋼和Ni11%的鐵素體。鐵氧體基焊接材料具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其組成與9%Ni鋼相同，如果不進(jìn)行焊后熱處理，焊接低溫韌性會(huì)很低。研

15、究結(jié)果表明，焊接金屬的氧含量過(guò)高，有時(shí)達(dá)到600ppm。焊后熱處理為6，焊接材料，34，可以更好地提高焊縫的低溫韌性，但在建筑工地的環(huán)境下，特別是大型油罐的焊接難以實(shí)現(xiàn)熱處理。因此，用于9%Ni鋼弧焊的焊接材料主要是前三種。Ni13-Cr16奧氏體不銹鋼焊接材料的強(qiáng)度稍高，但低溫韌性較低，線膨脹系數(shù)與9%Ni鋼的差異較大，容易發(fā)生高熱應(yīng)力集中，從而增加焊縫的熱疲勞和失效風(fēng)險(xiǎn)，并顯著增加熔區(qū)中堅(jiān)硬易碎組織的冷裂紋傾向。35、Ni和Fe-Ni基焊接材料的線膨脹系數(shù)類(lèi)似于9%Ni鋼，結(jié)果焊接金屬是具有良好低溫韌性的奧氏體。但是，兩種焊接材料都有奧氏體焊接結(jié)晶的特性，焊接中熱裂紋敏感性高，容易出現(xiàn)弧坑

16、裂紋的缺點(diǎn)?；贜i的合金焊接金屬通常比母材熔點(diǎn)低100-150，焊接時(shí)熔化淺，流動(dòng)性低，經(jīng)常出現(xiàn)非焊接缺陷，但調(diào)整焊接工藝可以克服這些問(wèn)題。另外，這兩種材料的成本太高，焊接強(qiáng)度比母材略低。36、4種焊接材料類(lèi)型和特征如下：9%Ni鋼焊接材料類(lèi)型及其特性，37，目前在世界各國(guó)的LNG坦克建設(shè)中，電極使用ENiCrMo-6、E NiCrMo-3、enirfe-9等，鋼絲使用ER NiCrMo-3、ER NiCrMo-4、ER NiCr mo-4等我們?cè)谏虾NG中使用焊條enirfe-9，線材使用ER NiMo-8。38、SAW導(dǎo)線、39，SMAW電極，40，9%Ni鋼是磁化強(qiáng)度較大的材料。鋼的磁性會(huì)引起電弧的磁偏轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，成本折、不熔、熔渣、氣孔等缺陷嚴(yán)重時(shí)可能無(wú)法焊接。目前，手動(dòng)弧焊主要使用交流焊接電源，防止弧的磁偏轉(zhuǎn)，使用直流焊接電源。根據(jù)埋弧自動(dòng)焊接、使用電線的特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，目前有交流或直流焊接電源。7，焊接設(shè)備，41，林肯POWERWAVE AC/DC 1000焊機(jī)，米勒Dynasty 350交流/DC焊機(jī)，42、焊接工藝評(píng)價(jià)按當(dāng)前的EN288-3: 1992標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行(上海LNG焊接工藝評(píng)價(jià)按EN288-3和項(xiàng)目的相關(guān)技術(shù)要求