LNG儲罐用9Ni鋼及其焊接性分析

耿都都，嚴春妍，納學洋，曲 揚，楊順貞

（河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022）

LNG儲罐用9Ni鋼及其焊接性分析

耿都都，嚴春妍，納學洋，曲 揚，楊順貞

（河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022）

介紹了國內外9Ni鋼的發展概況。分析了9Ni鋼的化學成分，組織結構和性能特點，并對其焊接性進行了系統的闡述。分析結果表明，9Ni鋼以其強度高、易于加工和焊接性優良等優勢適于在超低溫條件下的LNG儲罐設備中安全使用。9Ni鋼的冷裂敏感性不大，當焊接材料、焊接工藝措施配合適當時，可防止焊接熱裂紋和其他焊接缺陷的產生，以及低溫韌性的降低。9Ni鋼焊接時，宜采用小線能量，多層多道焊，焊前不需預熱，但需控制層間溫度在100℃以下。

焊接；9Ni鋼；焊接性；LNG儲罐

1 國內外9Ni鋼的發展概況

能夠在超低溫條件下安全使用的材料有9Ni鋼、鋁合金、奧氏體不銹鋼及鎳合金等。上述幾種材料中，9Ni鋼以其強度高、易于加工和焊接性優良等優勢被廣泛應用于LNG儲罐設備中。

1.1 國外9Ni鋼的發展概況

9Ni鋼于1956年初列入ASTM標準，1977年被列入JIS標準。在此期間，美國、法國、日本及阿聯酋等國先后用該鋼種建造了不少儲罐和容器。1952年，第一臺9Ni鋼儲罐在美國投入使用。1969年，日本在根岸采用手工電弧焊法建造了國內第一臺9Ni鋼制 LNG儲罐[1]，隨后又將自動焊應用于9Ni鋼制LNG儲罐上。1982年后，9Ni鋼逐漸取代Ni-Cr不銹鋼，成為低溫儲罐的主要結構材料。1995年，世界上已建的9Ni鋼制最大儲罐容積就達到14萬m3[2]。目前，9Ni鋼已成為國際上建造低溫儲罐使用最廣泛的鋼種之一，其焊接性能良好，焊接工藝日臻成熟。

1.2 國內9Ni鋼的發展概況

1980年，我國曾從法國引進7臺9Ni鋼球罐。1982年，大慶石化總廠及燕山石化公司從法國C.M.P公司引進8臺1 500 m3的9Ni鋼乙烯球罐[3]。1995年，揚子石化公司建造了一套乙烯低溫儲運設施，其中采用9Ni鋼建造的1萬m3雙層結構乙烯低溫儲罐是工程的核心和難點，當時制造如此大型的9Ni鋼化工容器尚屬國內首例[4]。2004年，國內首個大型低溫液化氣項目——廣東LNG工程開工，共有9Ni鋼制大型儲罐3臺，大罐單臺容積16萬m3，單臺結構質量7 000 t，直徑80 m，僅罐頂自重就達700余t，被稱為“遠東之最”[5]。可以預見，在未來幾十年，作為LNG儲運設備的主要結構材料，9Ni鋼將被大量使用，9Ni鋼的相關應用技術將受到極大的重視。相對于世界LNG的應用，我國的LNG發展剛剛起步，LNG儲罐建設及9Ni鋼的相關焊接技術還沒有完全被消化吸收。因此，我國還需要不斷進行技術引進和技術交流，在實際應用中不斷總結經驗教訓，培養技術力量，以推動我國LNG儲罐設備的發展。

2 9Ni鋼化學成分、組織結構和性能特點

2.1 9Ni鋼的化學成分特點

9Ni鋼是w(Ni)為8.5%～9.5%的低碳馬氏體型低溫用鋼，具有體心立方結構和明顯的脆性轉變溫度。鋼中添加質量分數為9%的Ni，可以降低AC3點、細化晶粒、降低脆性轉變溫度，使材料的低溫韌性得到明顯改善。9Ni鋼的低溫力學性能主要決定于化學成分，尤其是Ni和C的含量。此外，9Ni鋼的韌性還取決于鋼的純凈度及微觀組織[6]。

9Ni鋼在回火處理時，C，Ni和Mn等元素向彌散分布于基體內的奧氏體擴散，可得到體積分數為5%～10%的富含C，Ni和Mn的奧氏體，稱為逆轉奧氏體(亦稱為回轉奧氏體)。這種奧氏體非常穩定，在－196℃低溫下不會發生馬氏體轉變，并且呈彌散分布，使9Ni鋼能夠在－196℃表現出很好的低溫韌性，有利于阻止裂紋擴展。

Mn，Mo和Cr含量過高會損害鋼的低溫韌性，所以這幾種元素的含量要控制在較低水平。Mn含量降低時會出現下貝氏體，有利于低溫韌性的改善，但Mn含量過低反而會惡化低溫韌性，所以9Ni鋼中Mn的質量分數通?？刂圃?.6%左右[7]。

添加少量元素Cu可提高9Ni鋼的強度，并保證良好的韌性。這是因為Cu提高了奧氏體的數量和穩定性，促進了析出強化[8]。

此外，加入少量的Nb素可有效地細化晶粒，提高材料的低溫韌性[7]。

S和P的存在會降低9Ni鋼的低溫韌性，并且隨P含量的增加，9Ni鋼的回火脆性敏感性隨之增加；同樣，隨S含量的增加， 9Ni鋼的熱裂紋敏感性隨之增加?？傊?，要嚴格限制9Ni鋼中S和P的含量。

前斜角肌綜合征是胸廓出口綜合征中最常見的原因。它與頸椎病神經根型有一些相似處，故在臨床上經常被誤診，這與其肌肉的位置和功能有關。前、中、后斜角肌起于頸2～7橫突結節處，屬于頸椎深部外側肌群，受頸2～8神經支配。此外，斜角肌還參與吸氣功能。其中，前、中斜角肌及第1肋骨上緣圍成三角形間隙，稱為斜角肌間隙，有鎖骨下動、靜脈、臂叢神經穿過。其中，臂叢的內側束由頸8和胸1神經組成為尺神經從腋窩穿出后沿上肢內側下行，支配無名指尺側和小指的皮膚[9]。如果斜角肌間隙變窄，就會產生上述部位的疼痛、麻木等功能障礙。通過5項癥狀激發試驗可與神經根型頸椎病進行區別。

2.2 9Ni鋼的組織結構和性能特點

目前，9Ni鋼主要有三種熱處理供貨狀態。雙正火+回火（NNT）的組織為回火馬氏體與貝氏體，淬火+回火（QT）以及經雙相區淬火+回火（IHT）后的主要組織均為低碳回火馬氏體。在這三種熱處理規范中，經NNT處理的9Ni鋼，其低溫韌性最差，經IHT處理的9Ni鋼的低溫韌性最好[9]。

3 焊接性分析

在實際焊接應用方面，9Ni鋼焊接成為建造低溫LNG儲罐的關鍵技術，也是建造低溫壓力容器的重點和難點。焊接性是指同質材料或異種材料在制造工藝條件下，能夠焊接形成完整接頭并滿足預期使用要求的能力。它包括兩個方面的內容，其一是結合性能，其二是使用性能[10]。9Ni鋼焊接時可能遇到的問題有焊接冷裂紋、焊接熱裂紋、焊接接頭低溫韌性的降低、磁偏吹、焊接氣孔、未熔合、未焊透以及焊接應力和變形大等問題。這些問題與所采用的焊接材料，焊接工藝和焊接線能量有很大關系。

3.1 焊接冷裂紋

9Ni鋼的冷裂敏感性不大，正常施焊條件下一般不會產生冷裂紋。但在焊接工藝條件不當時，會產生一定的氫致裂紋。應選用低氫，低碳含量焊材并配合合適的焊接工藝規程，特別要烘干焊條，保持焊接環境干燥，合理控制層間溫度和熱輸入，即可降低冷裂敏感性。

3.2 焊接熱裂紋

9Ni鋼焊接熱裂紋主要有弧坑裂紋，高溫液化裂紋，顯微疏松裂紋和高溫失塑裂紋。研究表明，后三種裂紋的尺寸一般較小，對儲罐的使用不會造成危害。相比之下，弧坑裂紋是需要重點預防的，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。因此要嚴格控制焊材和鋼材中的S和P含量，并且選用熔化溫度區間范圍小的，或偏析雜質在焊縫金屬晶界的分布為不連續狀的 (非單一奧氏體組織)焊條[11]。

3.3 低溫韌性

9Ni鋼用于制造LNG儲罐的主要因素之一就是其優異的低溫韌性。9Ni鋼具有良好低溫韌性的機理，目前有三種解釋得到普遍認可，一種解釋是回轉奧氏體阻止裂紋的擴展即裂紋尖端鈍化效應。另一種解釋是回轉奧氏體發生形變誘發馬氏體轉變，阻止了裂紋的萌生和擴展，還有一種解釋是回轉奧氏體吸收使鐵素體變脆的C和N等元素，使基體得到凈化，從而提高低溫韌性，即回轉奧氏體的凈化作用[12]。

9Ni鋼焊接后，焊接接頭中的焊縫，熔合區和焊接熱影響區的低溫韌性都有可能降低。焊縫金屬的低溫韌性主要與采用的焊接材料有關，熔合區的低溫韌性主要與所出現的脆性組織有關，焊接熱影響區的低溫韌性主要與焊接熱輸入和層間溫度有關[13]。

3.4 磁偏吹

9Ni鋼為鐵磁性材料，焊接時容易出現磁偏吹現象，從而影響焊接質量。為避免磁偏吹現象，盡量選擇適于交流焊接的焊材，同時配以交流焊接電源。必要時，還需要進行消磁處理。

3.5 焊接氣孔

9Ni鋼焊接時由于鎳合金的固液相溫度間距小，焊縫金屬粘滯，流動性偏低，熔池中的氣泡在凝固時不易排出[14]，而且如果母材及焊材表面清理不徹底，焊材烘干不合格，就容易產生氣孔。所以在焊接時，要嚴格遵守焊接工藝規程。

3.6 未熔合，未焊透

焊接時，如果采用異質焊材，焊材與母材的熔化溫度區間差異較大，在焊接過程中容易產生熔合不良等問題。所以一般采用鎳基合金焊材。

3.7 焊接應力和變形

9Ni鋼熱膨脹系數較大，在20℃到－196℃之間線膨脹系數為 8.05×10－6/℃[8]， 為了減小焊接接頭的應力和變形，在選擇焊接材料時，盡量選擇熱膨脹系數與9Ni鋼相接近的焊材。

4 焊接工藝

4.1 焊接方法

目前，9Ni鋼可采用的焊接方法主要有：焊條電弧焊（SMAW），埋弧焊（SAW），熔化極惰性氣體保護焊（GMAW），鎢極氬弧焊（GTAW）。SMAW適合各種焊接位置，靈活性大，合金過渡系數高；SAW熔敷效率高，適于環焊縫橫焊位置的焊接；GTAW的焊接效率太低，在工程中選擇此焊接方法不太經濟，但能得到具有窄坡口高質量的焊接接頭，所以只有在特定場合才選擇GTAW。GMAW方法在應用時由于存在較大缺陷和局限性，所以9Ni鋼的現場焊接基本只采用SMAW和SAW。

4.2 焊接材料

為獲得性能優越的焊接接頭，保證焊縫具有與9Ni鋼相適應的低溫韌性，焊接生產中需采用合適的焊接材料，按Ni的質量分數分為：①60%以上的Ni基型 （Ni-Cr-Mo系合金）；②40%的Fe-Ni基型（Fe-Ni-Cr系合金）；③13%的13Ni-16Cr-Mn-W型奧氏體不銹鋼；④11%的鐵素體型。其中，采用Ni基和Fe-Ni基型焊材可以獲得良好的低溫韌性，且線膨脹系數與9Ni鋼接近，盡管焊接過程中熱裂紋敏感性較高，但通過調整焊接工藝措施和焊接工藝參數可以解決，所以這兩類焊材是焊接9Ni鋼的最合適選擇[9]。

4.3 焊接電流

為避免磁偏吹，最好采用交流方波焊接電源，并配合交流焊接的鎳基合金焊條。

4.4 焊前清理及坡口加工

焊接前，采用有機溶劑清洗或打磨的方法，對焊接坡口表面進行清理，保證坡口表面及其附近區域沒有氧化皮、油污、水分和有機物等雜質。

坡口加工：通常采用X形和Y形坡口。由于大型LNG儲罐的9Ni鋼內壁鋼板厚度為10～36 mm，厚度的跨度比較大，因此，開坡口時，較薄的鋼板采用單邊V形(Y形)坡口，較厚的鋼板采用X形坡口[7]。

4.5 預熱溫度、層間溫度和焊接熱輸入

預熱溫度，層間溫度和焊接熱輸入會直接影響鋼材焊后的冷卻速度。冷卻速度越慢，晶粒長大越顯著，導致低溫韌性下降，故9Ni鋼在焊前一般不需要預熱，且應控制層間溫度在100℃以下，焊接熱輸入應控制在7～35 kJ/cm之間[2]。

對板厚超過8 mm的9Ni鋼，焊接時盡量采用多層多道焊，避免單道焊。研究表明[15]，小線能量(15 kJ/cm)單道熱循環CGHAZ的低溫(－196℃)沖擊功比較低，經過800℃或900℃二次熱循環后，低溫沖擊功明顯提高，三次熱循環還能進一步改善CGHAZ的低溫韌性。在實際操作中，還要認真做好層間清理工作，確保無熔渣等雜質，然后再進行下一層的焊接。

5 焊接檢測

LNG儲罐用9Ni鋼焊接檢測方法主要有無損檢測和壓力檢測、真空箱法檢測等。其中，無損檢測主要包括射線檢測、超聲波檢測及滲透檢測。射線檢測和超聲波檢測主要檢測焊縫的內部缺陷，滲透檢測主要是檢測焊縫的表面缺陷[16]。

6 結 語

伴隨著全球范圍內天然氣消耗量的持續增長，建造新的LNG設施的需求不斷增加，9Ni鋼作為LNG儲罐的主體結構材料，將被大量使用。本文回顧總結了近幾十年9Ni鋼焊接技術的發展，針對其焊接性及焊接工藝進行了詳細闡述，將為今后9Ni鋼在LNG儲罐中的實際運用提供依據，以推動我國在該領域的發展。

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Analysis on 9Ni Steel Used for LNG Store Tank and its Weldability

GENG Dudu,YAN Chunyan,NA Xueyang,QU Yang,YANG Shunzhen
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,Jiangsu,China)

In this article,it introduced the development of 9Ni steel at home and abroad,analyzed its chemical composition,microstructure,properties characteristics,and systematically expatiated weldability.The analysis results showed that 9Ni steel is with some advantages,such as high strength,easy to be processed,good weldability and so on,which is suitable for usage in LNG tank under ultra-low temperature conditions.9Ni steel is with little cold crack sensitivity,when matching welding materials with welding process is applicable,the welding hot cracking and other welding defects can be avoided,as well as the decrease of low temperature toughness.In practical welding,it should adopt low heat input and multi-layer,multi-pass welding.The preheating before welding is not necessary,but the interlayer temperature should be controlled lower than 100℃.

welded pipe;appearance inspection;measure template;deviation

TG133.26

A

1001－3938（2015）05-0005-04

耿都都（1992—），女，河海大學本科在讀，即將于天津大學材料科學與工程學院繼續攻讀碩士學位，專業為材料加工工程，研究方向為材料焊接冶金及焊接結構分析。

2015-01-14

謝淑霞