16萬m3LNG儲罐焊接工藝評定的熱點問題

李應欽，陳學密

青島越洋工程咨詢有限公司，山東青島266071

16萬m3LNG儲罐焊接工藝評定的熱點問題

李應欽，陳學密

青島越洋工程咨詢有限公司，山東青島266071

文章結合國內某液化天然氣接收站工程16萬m3LNG儲罐建設實際，對LNG儲罐焊接工藝評定過程中存在的問題進行了分析，認為：設計文件補加重要因素和試件檢驗項目不符合NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》，評定結果不具備省略、覆蓋和替代范圍；對9%Ni鋼及其焊材應按焊接工藝評定規則分類分組，以保證評定結果的通用性；未按預焊接工藝規程中最大焊接熱輸入量進行的焊接工藝評定為無效評定，無法滿足工程實際需要。并對16萬m3LNG儲罐焊接工藝評定項目進行優化選擇，給出了推薦的焊接工藝評定項目。

LNG儲罐；9%Ni鋼；焊接工藝評定；優化選擇

1 LNG儲罐的結構及材質

在國內已建和在建的LNG接收站項目中，普遍采用16萬m3的平底雙壁圓柱形地上全容式LNG儲罐。以國內某液化天然氣接收站工程為例，LNG儲罐外罐為混凝土罐底及預應力鋼筋混凝土罐壁，外罐內壁設置有厚度為5 mm的16MnDR鋼板焊制的防潮襯板，包括壁板、底板以及壁板、底板連接處圓弧形的轉角板。該外壁防潮襯板通過外壁混凝土中預埋的網格狀Q345D埋件（150 mm×12 mm鋼板）與外壁墻連接。外罐罐頂為鋼穹頂及鋼筋混凝土灌注覆蓋的復合拱頂，鋼穹頂通過外罐壁頂部預埋的T形承壓環與外罐混凝土墻壁連接。與LNG直接接觸的內罐為9%Ni鋼制的自支撐式單壁鋼質敞頂罐，內罐上方設置鋁合金吊頂以便在吊頂上安裝絕熱材料。在內、外罐空間底部設置5 m高的由9%Ni鋼焊制的熱角保護裝置及二層底板，在內罐泄漏時可用此中間罐起保護作用。內、外罐之間用彈性玻璃毯及膨脹珍珠巖填充絕熱，在內罐底板、次級底板和防潮屏蔽底板之間分別用泡沫玻璃磚和混凝土砂漿填充或找平。為保證構件的安裝及穹頂混凝土結構的施工，在防潮襯板埋件、承壓環、穹頂蒙皮板外側、穹頂接管等部位外側，植焊有ML15AL或304材質的錨釘。基于將嚴重泄漏風險降至最低的原則，所有入口和出口，包括儲罐物料進出口、人員進出口、安全泄放口、儀表控制口等接管均通過穹頂與儲罐連接。

根據設計文件，16萬m3LNG儲罐的幾何體積為17.28萬m3，設計工作溫度-170℃。由于9%Ni鋼制內罐與深冷的液化天然氣直接接觸，這就對LNG儲罐用金屬材料及其焊接接頭的低溫性能提出了嚴格的要求。為保證按擬采用的焊接工藝建造的LNG儲罐各焊接接頭的性能符合標準要求，應在產品焊接前，按擬采用的各種焊接工藝的各項焊接參數制造試驗接頭，并對這些接頭進行包括破壞性試驗在內的各種檢驗，以確定擬使用的焊接工藝的正確性。這種“為驗證所擬定的焊件焊接工藝的正確性而進行的試驗過程和結果評定”，即為焊接工藝評定。

2 設計文件對焊接工藝評定的要求

2.1 對X7Ni9（9%Ni）鋼焊接工藝評定的一般要求

9%Ni鋼是含鎳量為8.5%～9.5%的超低溫鋼，在-196℃超低溫下具有良好的強韌性匹配。9%Ni鋼材料的主要標準有：ASTM A553《壓力容器用9%Ni鋼板》（材料牌號：A553）、EN 10028-4《低溫鎳基鋼板》（材料牌號：X7Ni9）、JIS G 3127《低溫壓力容器用鎳鋼板》（材料牌號：SL9N 590）、GB 24510《低溫壓力容器用9%Ni鋼板》（材料牌號：9Ni490、9Ni590A、9Ni590B），在國內的工程應用中，一般將以上鋼材統稱為9%Ni鋼。LNG儲罐焊接工藝評定的重點是9%Ni鋼的焊接工藝評定。

對X7Ni9鋼的焊接工藝評定，除了NB/T 47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》規定的重要因素以外，下列情況也作為重要因素考慮：

（1）鋼板的商標牌號變化或生產工藝變化。

（2）焊接材料的商標牌號變化。

（3）焊條/焊絲直徑的變化。

（4）對厚度≥12.5 mm的特定坡口，焊接道數變化超過±25%。

（5）焊接位置的改變。

2.2 對X7Ni9鋼焊接工藝評定的補充要求

X7Ni9鋼內罐焊接工藝評定除滿足NB/T 47014-2011、EN 14620:2006《工作溫度介于0～-165℃的冷凍液化氣體現場組裝立式圓筒形平底鋼質儲罐設計與建造》的相關要求外，還應補充下列試驗項目和評定報告：

（1）焊接接頭拉伸試驗補充屈服強度測定。

（2）全焊縫拉伸試驗（測定屈服強度Rel/抗拉強度Rm、延伸率）、全焊縫彎曲試驗。

（3）罐壁環焊縫焊條電弧焊修補試驗。

（4）罐底與罐壁T形接頭彎曲試驗、罐底與罐壁T形接頭角焊縫試驗（外觀檢查、宏觀金相檢驗）。

（5）罐底搭接角焊縫試驗。

（6）罐底帶墊板對接焊縫試驗。

2.3 X7Ni9鋼焊接工藝評定試驗檢測項目及合格指標

（1）檢測試驗項目。對接焊縫：VT、PT、RT、拉伸（Rel、Rm）、彎曲、沖擊硬度（-196℃）；全焊縫：VT、PT、RT、拉伸（Rel和Rm）、彎曲；角焊縫：VT、PT、宏觀金相檢驗（檢查斷面缺陷）、尺寸、硬度；罐底與罐壁T形接頭彎曲試驗；帶墊板對接焊縫：VT、PT、宏觀金相檢驗（檢查斷面缺陷）。

（2）拉伸、沖擊合格指標。X7Ni9鋼焊接接頭力學性能指標見表1，最小沖擊功指標見表2。

表1 X7Ni9鋼焊接接頭（包括全焊縫）室溫力學性能指標

表2 X7Ni9鋼焊接接頭最小沖擊功指標（V型缺口）

（3）全焊縫拉伸延伸率合格指標不低于35%。

（4）硬度試驗合格指標為不大于400 HV10（目標值為不大于360 HV10）。

2.4 對罐壁立縫、環縫焊條電弧焊修補焊焊接工藝評定試驗的要求

采用厚度為16～24.3 mm的鋼板，對經手工電弧焊或埋弧橫焊的罐壁縱縫、環縫進行手工電弧焊一次和二次修補，制作試樣進行力學性能及宏觀金相檢驗。

3 設計對焊接工藝評定要求中存在的問題

3.1 設計采用標準的問題

本工程LNG儲罐設計采用的標準是EN 14620：2006，該標準中引用多項技術標準均為歐盟標準，對于在國內建造、使用的設備，此標準給材料采購、設備制造、檢驗、驗收等帶來諸多不便。

目前國內已發布的LNG儲罐專門標準為GB/T 26978.1～5-2011《現場組裝立式圓筒平底鋼質液化天然氣儲罐的設計與建造》（第1～第5部分），該標準修改采用EN 14620：2006，僅刪除了與液化天然氣無關的內容，其他內容均采用EN 14620:2006的翻譯原文；其中對焊工資質和焊接工藝評定的技術要求按EN 287-1《焊工評定熔焊第1部分：鋼》和EN 288《金屬材料焊接工藝評定》。

參照國際標準或國外先進標準進行設計或編制國內標準，是提高我國工業技術和標準水平的重要手段，但同時應考慮我國的實際情況，使技術標準和設計文件符合中國的法規和標準體系。LNG儲罐設計文件和GB/T 26978標準，可以采用EN 14620國際標準的先進理念，但其基本材料、制造、檢驗和監督等配套標準應首先采用或符合國內法規和標準體系，以免給標準和設計文件使用各方帶來困擾。

3.2 焊接工藝評定與焊工技能考試的問題

對于承壓設備的合格焊縫，一是接頭性能應符合要求，二是焊縫沒有超標缺陷。焊接接頭的使用性能由評定合格的焊接工藝來保證，而沒有超標缺陷的焊縫則靠技能評定合格的焊工來保證，這就是焊接工藝評定與焊工技能評定之間的關系，即焊接工藝評定目的在于確定焊接接頭的使用性能，而不在于確定焊工的操作技能。

NB/T47014是保證焊接接頭力學性能的焊接工藝評定規則，焊接位置的改變并不一定會引起焊接接頭力學性能的改變，而焊工在不同焊接位置的焊接中能否得到同樣沒有超標缺陷的焊縫，則是焊工技能評定的問題。在設計文件中，將焊接位置的改變當作焊接工藝評定重要因素的改變，要求對實際焊接過程中可能用到的每種焊接方法的每個焊接位置都進行焊接工藝評定，顯然是混淆了焊接工藝評定與焊工技能考試的關系。

3.3 關于補加重要因素和試件檢驗項目的問題

NB/T47014重新評定焊接工藝的判斷準則是某一焊接條件的變更是否影響焊接接頭力學性能。影響接頭性能的焊接工藝因素包括焊接方法、接頭、母材、填充金屬、焊接位置、預熱、焊后熱處理、氣體、電特性和技術措施等10類，而每類工藝因素又包括若干種不同的焊接工藝因素。在實際焊接過程中，焊接工藝因素的變化是不可避免的，要求評定使用的所有焊接工藝因素與產品使用的情況完全一致是不現實的。這就要求我們對焊接工藝因素變化影響焊接接頭性能變化的范圍大小進行研究，制訂一個可以接受的標準以減少焊接工藝評定的數量。也就是說，當任一焊接因素的變化引起的焊接接頭力學性能變化處于這個標準允許的范圍之內時，則不需要重新進行焊接工藝評定。

在NB/T47014等焊接工藝評定標準中規定的評定規則、參數劃分、鋼材分類分組、焊接位置、厚度替代、熱處理類別等，都是圍繞焊接工藝因素的改變是否影響焊接接頭力學性能或是對焊接接頭力學性能的影響程度這個準則。所有的焊接工藝評定規則，都是在可靠驗證焊接工藝正確性的前提下制訂的，目的是盡量減少焊接工藝評定數量，如果將任何焊接工藝因素的改變都作為重新進行焊接工藝評定依據的話，焊接工藝評定也就失去了自身價值，也是無法實施的。比如，設計文件中要求鋼板、焊接材料商標牌號變化時需要重新進行焊接工藝評定，那么同一牌號的鋼板或者填充金屬的爐批號的改變是否也要重新進行焊接工藝評定；對于返修焊縫，已經進行了一、二次返修的焊接工藝焊接評定后，如果又遇到了三次或者四次返修，是否還要進行三次、四次返修的焊接工藝評定。

焊接工藝評定是一項復雜而細致的工作，只能也必須是嚴格按評定標準執行。設計文件中補加的焊接工藝評定重要因素和試件檢驗項目都不是標準中的內容，標準中也沒有對這些增加檢驗內容的檢驗方法、合格指標及適用范圍作出規定。根據這些補加項目進行的焊接工藝評定，其評定結果不能說是符合NB/T47014要求的，對所要求增加的檢驗要求，也只是對所施焊的試件有效，并不具備省略、覆蓋和替代范圍的功能，即不是通用性的。

焊接工藝評定的基礎是鋼材的焊接性能，對焊縫的硬度檢測、屈服強度測定、全焊縫拉伸試驗、補焊焊縫力學性能檢驗等都是焊接性能試驗范圍，設計單位應在設計文件形成之前進行，承建單位應在焊接工藝評定之前進行，或通過查找資料、咨詢同行、由材料生產單位提供等方式獲得，不應再列入焊接工藝評定。

NB/T47014采用緊湊型帶肩板形拉伸試樣，其特點是試樣受拉伸的平行部分很短，通常等于焊縫寬度加上12 mm，實質上是焊縫寬度加熱影響區寬度，兩側立即以R=25 mm的圓弧過渡到夾持部分，其目的是強迫拉伸試樣在焊接接頭內（焊縫區、熔合區和熱影響區）斷裂，以測定焊接接頭的Rm值。9%Ni鋼一般采用強度低于母材的鎳基焊材，試樣的拉伸必然由焊縫承擔，因而沒有必要進行全焊縫金屬拉伸試驗；并且焊接工藝評定考核的是焊接接頭拉伸性能，全焊縫拉伸試驗合格與否與焊接接頭拉伸試驗無關。

承建單位按設計文件要求，對9%Ni鋼2G埋弧橫焊、3G手工電弧焊焊接接頭分別進行一次、二次修補焊焊接工藝評定試驗，試樣規格為10 mm×10 mm× 55 mm，溫度為-196℃，試驗結果見表3。

表3 X7Ni9鋼修補焊縫焊接工藝評定試驗結果

從上表中可以看出，多次修補對焊接接頭力學性能影響不大，且規律性不強；另外，沖擊吸收功與側向膨脹量之間也沒有規律性的對應關系，對沖擊韌性的判定仍應按NB/T47014，以沖擊吸收功表示為宜。

而設計文件中將鋼板、焊接材料商標牌號變化、鋼板生產工藝變化等作為焊接工藝評定重要因素，分析認為主要是基于對鋼材和焊材質量的擔心，但這應該通過訂貨技術協議對母材、焊材質量的嚴格要求予以解決。

4 承建單位焊接工藝評定中存在的問題

4.1 母材及焊材分類

根據NB/T47014-2011，焊接工藝評定所用母材應按該標準表1進行分類分組，對填充金屬應按該標準表2～表5進行分類。對母材和焊材進行分類分組的目的是擴大焊接工藝評定適用范圍，減少焊接工藝評定數量。

本工程1#、2#、3#LNG儲罐采用EN 10028-4牌號X7Ni9的9%Ni鋼板，4#儲罐采用GB 24510牌號9Ni590B的9%Ni鋼板。因LNG儲罐承建單位的焊接工藝評定報告中，沒有按NB/T47014對9%Ni鋼母材和其所用鎳基填充金屬分類分組，也就不存在同組別號母材的焊接工藝評定替代，導致對X7Ni9鋼進行的焊接工藝評定對9Ni590B鋼無效，4#儲罐施工前必須重新評定。

在NB/T 47014-2011表1母材分類分組中，將含Ni為3%的低溫鋼劃分為Fe-9B類，但未列入含Ni為9%的9%Ni鋼。在該標準表2焊條分類中將包括E NiCrMo-6等在內的鎳基類鎳鉻鐵合金焊條和鎳鉻鉬合金焊條劃分為NiT-3類，但在該標準表4埋弧焊焊絲分類和表5埋弧焊劑分類中未列入包括ER NiCrMo-3等在內的鎳鉻鉬合金埋弧焊焊絲及其焊劑。針對以上情況，承建單位應按NB/T 47014-2011附錄B《母材、填充金屬和焊接方法的補充規定》，制訂供本單位使用的焊接工藝評定標準，對上述母材、填充金屬進行分類；其中對符合不同標準的各牌號9%Ni鋼，建議按該標準表1的分類原則，將其均劃分為Fe-9C類別。

4.2 PQR未按pWPS中焊接參數最大值評定

按照NB/T 47014的評定規則，預焊接工藝規程（pWPS）中的焊接參數應為實際施焊過程中可能用到的范圍值。焊接工藝評定應按pWPS中的極限參數，如最大焊接電流、最大焊接電壓、最小焊接速度、最小預熱溫度、最高層間溫度進行。這樣才能驗證pWPS的正確性，并保證評定合格的焊接工藝的適用性。

而在承建單位的關于9%Ni鋼的焊接工藝評定報告（PQR）中，其焊接參數的極限值小于pWPS中焊接參數的極限值。從中可以看出，該PQR未按pWPS中最大焊接參數（最大焊接熱輸入量）進行，且未按每層焊道分別填寫具體參數值，該焊接工藝評定無法驗證pWPS的正確性，為無效評定。承建單位的出發點是為了保證9%Ni鋼焊接工藝評定值符合設計及標準要求值，采用了盡量小的焊接參數（焊接電流、焊接速度、層間溫度），但這樣的焊接工藝評定也就失去了其進行的價值，經其評定的理想化的焊接工藝也無法適應工程實際需要。

4.3 PQR未填寫焊接熱輸入量

焊接熱輸入量為PQR的重要內容，PQR必須填寫按施焊記錄計算出的施焊最大熱輸入量。其具體填寫位置在NB/T 47014和原JB/T 4708的PQR推薦表格中均未明確給出，按JB/T 4708-2000的釋義，其具體填寫位置應在推薦表格中“電特性”項的“其他”欄。

4.4 試件預熱溫度未填寫或填寫錯誤

預熱溫度比已評定合格值低50℃屬重要因素改變，無論試件施焊前預熱與否，焊接工藝評定始焊接處的母材溫度均為“試件預熱溫度”，該值應填寫具體值。如對室溫25℃未焊前預熱試件，應填寫為“25℃（室溫）”。

4.5 埋弧焊焊材型號填寫錯誤

pWPS表格中埋弧焊焊材型號應按NB/T 47014-2011表5要求填寫為焊絲、焊劑組合后的型號，即應表征出焊絲、焊劑組合后熔敷金屬能達到的抗拉強度和沖擊韌性（V型缺口沖擊吸收功）。

5 9%Ni鋼焊接工藝評定中應注意的其他問題

5.1 拉伸試樣合格指標

9%Ni鋼的焊接一般采用鎳基的鎳鉻鐵合金或鎳鉻鉬合金焊材，屬于NB/T47014-2011中規定的“室溫抗拉強度低于母材的焊縫強度”，其試樣的拉伸強度不能按母材標準規定的抗拉強度下限值，而應按設計標準或設計文件規定的焊縫金屬抗拉強度最低值。

5.2 彎曲試驗形式及試件母材厚度適用于焊件母材厚度的有效范圍

按NB/T 47014-2011表11“注2）”，9%Ni鋼試件焊縫屬“焊縫金屬和母材之間的彎曲性能有顯著差別”，彎曲試驗應采用縱向彎曲。同時其對接焊縫試件母材厚度所適用的焊件母材厚度也應按NB/T 47014-2011表8執行，即當試件母材厚度T＞10 mm時，適用于焊件母材厚度的最大值均為2T，而不按該標準的表7執行。

5.3 埋弧橫焊打底焊道開裂問題

LNG儲罐內罐9%Ni鋼環縫一般采用埋弧橫焊焊接。對厚板的埋弧橫焊打底焊，當焊接速度較大時，極易產生沿整條焊道中心的縱向開裂（見圖1），其主要原因為：

（1）焊接速度大時，打底焊道為表面下凹的薄層，焊縫承載能力弱。

（2）打底層焊接時，周圍母材金屬溫度相對較低，焊接速度越高、焊道厚度越薄，熔池冷卻速度越快，焊縫在冷卻過程中受到的拉應力也就越大。

（3）焊接坡口的存在導致在坡口根部打底焊道形成應力集中。

針對以上問題，9%Ni鋼埋弧橫焊打底焊時應采用較低的焊接速度，同時可加大焊絲直徑，以增大焊肉厚度，提高焊道承載力，降低焊縫冷卻速度和焊接拉應力。

圖1 埋弧橫焊打底焊焊道縱向裂紋

6 推薦的16萬m3LNG儲罐焊接工藝評定項目

為充分利用焊接工藝評定規則，在保證焊接工藝評定項目覆蓋全部產品的同時避免和減少覆蓋范圍的重疊，達到減少焊接工藝評定數量目的，根據設計文件和NB/T 47014-2011，對本工程16萬m3LNG儲罐焊接工藝評定項目進行了優化和整合，推薦的焊接工藝評定項目見表4和表5。其中：

（1）對9%Ni鋼內罐壁板第1帶至第9帶環焊縫采用埋弧橫焊，第10帶壁板因鋁吊頂影響橫焊機導致無操作位置，采用手工電弧焊。

（2）內罐立縫及其余9%Ni鋼焊縫采用手工電弧焊。

（3）為消除磁偏吹及細化晶粒，9%Ni鋼SMAW、SAW焊接均采用交流電源（AC）。

（4）焊后不經過高于上轉變溫度的熱處理或不銹鋼不經過固溶處理時，經評定合格的焊接位置改變為向上立焊為重要因素改變。為適應儲罐現場施工需要，對手工電弧焊焊接工藝評定采用立向上焊接（3G）位置。

（5）304材質錨釘的植焊以及304材質表面植焊錨釘時采用手工電弧焊，其余錨固件采用螺柱焊。螺柱焊時，改變螺柱焊端部的尺寸或形狀及增加焊接位置均屬于重要因素改變，故對每種直徑焊釘的每種焊接位置均進行焊接工藝評定。

表4 LNG儲罐SW焊接工藝評定項目示例

（6）通過以上對焊接工藝評定項目的優化選擇，按照NB/T 47014，對采用SMAW、SAW、GTAW、GMAW和SW常規焊接工藝的16萬m3LNG儲罐，僅需19個焊接工藝評定項目即可達到對儲罐焊接工藝評定的全覆蓋。

表5 LNG儲罐SMAW、SAW、GTAW、GMAW焊接工藝評定項目示例

7 結束語

焊接工藝評定是保證焊接質量的重要措施，LNG儲罐的焊接工藝評定也是業主、監理、設計、承建單位等儲罐建造各方關注的重點。NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》是一個專業性與實踐性都很強的標準，要真正認識與理解焊接工藝評定標準需要豐富的專業知識和焊接工藝評定實踐經驗，相對于專業的承壓設備設計與制造單位，LNG儲罐建造各方對焊接工藝評定標準的理解程度及實踐能力普遍有所欠缺。對LNG儲罐的焊接工藝評定，應在認真學習并真正理解焊接工藝評定原理及規則的前提下，嚴格按承壓設備焊接工藝評定標準執行，以保證評定程序、結果的正確性，以及焊接工藝評定報告的適用性、通用性。同時要合理運用評定規則，對焊接工藝評定項目進行合理的優化選擇，在保證可靠驗證焊接工藝正確性的前提下最大限度避免評定覆蓋范圍的重疊，減少工藝評定數量；另一方面也避免因工藝評定項目選擇不當而導致漏做或需要多做焊接工藝評定項目。

Hotspot Issues of Welding Procedure Qualification for 160 000 m3L NG Storage Tank

LiYingqin，Chen Xuemi
Qingdao Yueyang Engineering Consulting Co.，Ltd.，Qingdao 266071，China

In combination of the 160 000 m3LNG storage tank of a domestic LNG terminal project，this paper analyzes the problems arising from the course of LNG storage tank welding procedure qualification.It is indicated from the analytical results that the design documentation adding the items on importance factors and specimen test is not coincident with NB/T 47014-2011“Welding Procedure Qualification for Pressure Equipment”，and the results of welding procedure qualification do not possess the ranges of omission，coverage and substitution；the 9%Ni steels and their welding materials should be sorted and grouped according to welding procedure qualification rules to ensure the universality of the results；the welding procedure qualification not according to the maximum welding heat input given by pre-welding procedure regulation is invalid to meet engineering practical requirements.The items of the welding procedure qualification for a 160 000 m3LNG storage tank are optimally selected and the recommended welding procedure qualification are given in this paper.

LNG storage tank；9%Nisteel；welding procedure qualification；optimalselection

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.015

李應欽（1970-），男，河南鄭州人，工程師，1989年畢業于西南工程學校焊接專業，2012年畢業于中國長城鋁業公司工學院冶金技術專業，現從事工程管理及焊接技術工作。

2013-11-28