大型LNG低溫儲罐用9Ni鋼的焊接及組織性能分析

黃信陵(海洋石油工程股份有限公司 天津 300461)

運用大氣壓冷卻使天然氣處于零下162攝氏度時，就會使天然氣從氣態變成液態。而液化天然氣無色無味與無毒以及無腐蝕性，并且體積比較輕。LNG和石油相比較來講，具有很多優點，比如說天然氣在經過液化之后，可以經濟與可靠地進行遠距離運輸，常常比同等條件下的地下管道運輸節約大量的投資成本，并且其比較方便與可靠，同時適應運輸變化的能力比較強。但是天然氣的儲存需要運用一個大型的儲罐，這樣對于儲罐的要求就比較高。一般情況下，儲罐的內壁材料會選用9Ni鋼，因此熟練掌握低溫9Ni鋼的焊接技術與組織性能就顯得尤為重要。

一、9Ni鋼的組織性能

9Ni剛低溫力學性能通常有其化學成分決定，特別是其中Ni與C元素具備的含量。除此之外，9Ni鋼的韌性決定著鋼的純凈度與微觀組織[1]。同時含碳量能夠在回火過程中減少馬氏體中對于碳化物的析出，從而改進低溫韌性，另外碳元素的含量要是過高就造成焊接性能與冷脆性能逐漸惡化，所以在合金化時一定要嚴格控制好碳元素的含量，使其可以保持在低含量范圍之內。而鎳的固溶作用，在一定程度上加強了基體原有的交叉滑移能力，從而降低間隙原子和位錯的交互作用，進一步提升材料的韌性，改進了鐵素體原有的低溫韌性，還可以降低脆性的轉變溫度，錳元素能夠高效地減小脆性的轉變溫度，由于錳和鎳相同，可以讓鋼的相變溫度在一定程度上下降，這樣就比較容易獲得具有韌性的鐵素體晶粒。減小碳元素含量與提升Mn/C比例，能夠獲得比較低的脆性轉變溫度。而見底Si元素的含量也對影響著9Ni鋼的低溫韌性，這樣就需要控制Si元素的含量在0.05%上下，才能夠減小低回火的脆性與提升奧氏體基體敏感度以及提升熱影響區與母材的低溫韌性。如果Si元素的含量比較少，還能夠降低小P對低溫韌性造成的影響。Ni主要是提升鋼的強度，并不會降低鋼的塑性，同時可以改進鋼的低溫韌性，還具備鐵素體良好的強化作用效果，可是和Si以及Mn相比較作用效果并不明顯。而Ni與Cr結合運用能夠提升材料具備的淬透性，產生的效果明顯要比單獨使用的效果要好的多。Nb作為細化晶粒中比較重要的元素，特別是對奧氏體晶粒與結晶組織中細化作用。Si通常會起到固溶強化的作用，但是其含量超出規定范圍就會使鋼不具備塑性與韌性。在9Ni鋼中通常鎳元素的含量會非常高，這樣在高溫條件下就比較容易獲取單相奧氏體，經過淬火之后可以獲取擁有高位錯密度與形狀為板條狀的馬氏體。

二、9Ni鋼的焊接性能

1.9Ni鋼的焊接性能分析

甲烷是LNG中最重要的組成部分，其沸點大約在零下162攝氏度上線，這樣就需要可以保證其在非常低的溫度下順利工作的儲罐材料，可以在零下162攝氏度之下正常運用的材料只有9Ni鋼與鋁合金以及奧氏體不銹鋼等[2]。而低溫儲罐逐漸地大型化，使制造儲罐的材料提出了非常高的要求，比如說高強度與加工性好以及焊接性能好等諸多要求，在此種高要求之下，只有9Ni鋼是比較經濟的材料，并且9Ni鋼的運用溫度可以到達零下196攝氏度。9Ni鋼在進行電弧焊時，其材料的選擇一定要綜合考慮。第一，9Ni鋼通常是用于制造低溫設備的材料，焊縫就一定要在非常低的溫度下進行工作，因此在選擇焊接材料的過程中務必要考慮到焊縫的低溫韌性。第二，9Ni鋼具有非常大的線膨脹系數，其在零上20攝氏度至零下192攝氏度之間的線膨脹系數是8.05X10-6/℃。為了能夠降低接頭處的焊接應力，在選取材料的過程中，一定要讓焊縫金屬和母材的線膨脹系數比較接近，不可以形成比較大的差異，利用9Ni鋼材料制造的低溫設施在服役時一般會出現熱脹冷縮現象，并且母材與焊接的接頭都要承受溫度變化帶來的嚴峻考驗，一旦焊接縫金屬具備的熱膨脹系數與9Ni鋼具備的熱膨脹系數出現明顯差距，比較高的熱應力就會集中，從而導致儲罐的熱疲勞與實效風險加大，所以焊縫金屬具備的熱膨脹系數要接近9Ni鋼具備的熱膨脹系數[3]。

2.9Ni鋼焊接工藝要點

為了避免9Ni鋼在進行焊接時出現磁偏吹現象從而影響到焊縫的質量，一定要運用對應的措施進行控制，保證9Ni鋼中沒有磁性或者是把磁性盡量減小到最低水平[4]。為了可以減少現場施工周期，可以從鋼廠直接訂購預制造焊接破口相關的定尺鋼板；如果利用熱切割的鋼板邊緣，就一定要運用砂輪進行切割邊緣的打磨，以清除氧化膜與過熱層；在焊接之前應該把坡口面與兩側的母材利用丙酮進行清理，清除所有的油污；如果環境溫度超出零上15攝氏度時，焊接之前一般不需要進行預熱，當時空氣中濕度比較大的時候，焊接區域應該利用火焰將其加熱到40至50攝氏度，以能夠去除鋼板表面上的冷凝水。

結束語

盡管我國在2007年期間已經完成了9Ni鋼國產化，可是并沒有在LNG的低溫儲罐中普遍運用，與此同時還缺少成熟的運用經驗。因此相關部門一定要加大對大型LNG低溫儲罐用9Ni鋼的焊接技術與組織性能的研究力度，從而為我國相關行業提供幫助。

[1]曹金榮,李國林,常加貴,等.我國LNG發展現狀及擬建20萬方裝置的設想[J].油氣田地面工程,2011，24(2):53—54.

[2]嚴春妍,李午申,薛振奎等.LNG儲罐用9Ni鋼及其焊接性[C].第十三次全國焊接會議.合肥:中國機械工程學會,2011，（10）16—20.