淺談LNG儲罐中9Ni低溫鋼焊接

遲潤峰

摘 要：9Ni低溫鋼在實施焊接過程中易出現諸多問題，如冷熱裂紋、低溫韌性降低、電弧磁偏吹等，這是由于LNG低溫儲罐9Ni低溫鋼材料本身的特點造成的。文章對其進行了歸納總結和詳細分析，梳理并制定了對9Ni鋼在焊接施工過程中的問題的控制措施，并提出了9Ni低溫鋼材料焊接的控制要點。要有效避免9Ni低溫鋼焊接過程中易出現的問題，達到預期的施工效果，通過現場實踐可知，按照改進的施工方法能夠達到目標。

關鍵詞：LNG低溫儲罐；9Ni低溫鋼；控制措施；焊接

引言

LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然氣的英文縮寫。世界上越來越多地出現了LNG儲罐的制造，目前我國使用9Ni鋼的來源基本依賴進口，并且對其配套焊接材料的研究和開發還比較少。9Ni低溫鋼現已在國際上廣泛應用在LNG儲罐方面，然而其關鍵問題在于9Ni鋼的焊接。9Ni鋼在民用鋼種產品中屬于技術難度大、要求高的產品，嚴重制約了我國LNG工業的發展形成。為此，分析和探討9Ni鋼用于LNG儲罐的焊接材料與工藝，具有顯著的現實意義和社會效益。

1 9Ni低溫鋼特性

與普通碳鋼相比，9Ni鋼屬耐低溫的合金鋼，世界各國普遍采用該材料作為LNG用鋼。9Ni鋼在-165℃乃至-196℃低溫下仍具有較好的強度和韌性，因此其在低溫狀態下具有抗沖擊性能強、低溫韌性好的特點，其可焊接性優于一般高強度鋼。為了獲得良好的低溫性能，應嚴格控制硫、磷的含量，以增加9Ni鋼回火脆的敏感性。另外，保持硅和鉬元素處于較低的含量，以促進9Ni鋼的低溫韌性。因此，通過化學成分的最佳搭配以及熱處理方法能控制9Ni鋼材料的組織。

2 焊接工藝要點

由于9Ni鋼的焊接過程易出現磁偏吹現象，因此為了避免此現象的出現影響到焊縫的質量，就要保證9Ni鋼中的磁性盡量減小到最低或是沒有磁性，則應運用相應的措施來控制。要清除氧化膜與過熱層，就一定要運用砂輪進行熱切割的鋼板邊緣的打磨。從鋼廠直接訂購預制造焊接破口相關的定尺鋼板可以減少現場施工周期，在焊接之前利用丙酮清理坡口面與兩側的母材來清除所有的油污。當空氣中濕度比較大的時候，鋼板表面上易出現冷凝水。為去除冷凝水，在焊接區域應該利用火焰將其加熱到40℃-50℃。當環境溫度超出15℃時，焊接前則不需進行預熱。

3 9Ni低溫鋼焊接核心技術

3.1 焊接方式

LNG儲罐一般情況下容積較大，以致焊接工作量較大。在內罐壁進行立縫焊接操作時，采用手工電弧焊完成組焊，焊接接頭形式是開坡口。采用埋弧自動焊（SAW）可提高內罐壁板環縫焊接效率。焊接接頭的形式和手工電弧焊一樣，也是開坡口。同時，分為手工電弧焊和埋弧自動焊來進行焊接工藝評定試驗。如圖1、圖2所示。

3.2 9Ni低溫鋼材料

9Ni低溫鋼在低碳馬氏體型低溫用鋼中，w（Ni）含量為8.5%-9.5%，因此其具有明顯的脆性轉變溫度和體心立方結構。不同化學成分的含量，尤其是Ni和C的含量，決定了9Ni低溫鋼的低溫力學性能，且鋼的純凈度及微觀組織還決定9Ni低溫鋼的韌性。要降低Mn、Mo和Cr這幾種元素的含量，因為其含量過高會損害鋼的低溫韌性，一般Mn的質量分數控制在0.6%左右。為降低AC3點、細化晶粒和脆性轉變溫度，以改善材料低溫韌性，鋼中還要添加質量分數為9%的Ni，添加少量Cu元素可提高9Ni鋼的強度和韌性。此外，為有效地細化晶粒，鋼中應加入少量的Nb元素，順便也可提高材料的低溫韌性。此外，因為S和P的存在會降低9Ni鋼的低溫韌性，所以要嚴格限制S和P的含量。

3.3 焊材的選擇

整個低溫儲罐的關鍵是LNG內罐壁板的焊接質量。9Ni鋼的焊接有技術含量高、焊接難度大的特點。該種鋼在焊接冶金反應作用下，會出現低溫性能下降，冷、熱裂紋傾向增大并產生脆性相的現象，是因為其組織成分發生了改變。盡管現在已研制出與母材成分相同的焊材，但是現在仍以高Ni合金作為9Ni鋼用焊接材料，一般采用鎳基合金作為9Ni鋼的焊接材料。選擇9Ni鋼焊接材料，要考慮到以下問題：

（1）9Ni鋼用來生產低溫設備。焊縫要在低溫下進行，焊縫的低溫韌性問題要考慮到。

（2）9Ni鋼線膨脹系數大。為降低焊接殘余應力，在選擇焊接材料時，焊縫金屬的熱膨脹系數要盡量接近9Ni鋼的熱膨脹系數。

（3）9Ni鋼易出現磁偏吹現象，是因其是一種強磁性材料。因此，盡量選用適應交流電源施焊的焊條或焊絲焊劑。連接儲罐罐體的焊縫必然經受熱膨脹循環，因LNG儲罐在運行過程中隨工作溫度的變化會產生膨脹和收縮。由于是9Ni鋼所使用的焊材，其熔敷金屬應與母材的線膨脹系數相近，且要滿足強度性能及-196℃低溫沖擊韌性的要求。

3.4 焊接試驗

焊接關鍵技術是9Ni鋼的焊接，也是建造低溫壓力容器的難點。焊接性包括兩個方面的內容，結合與使用兩個性能。9Ni鋼焊接時可能遇到焊接氣孔、未熔合、焊接冷、熱裂紋、未焊透、變形大、焊接接頭低溫韌性的降低以及焊接應力和磁偏吹等問題，這些問題與所采用的焊接材料等方面有很大關系。

根據相關國際標準及設計文件所規定的試驗要求以及擬定的焊接程序，通過力學性能試驗判斷該工藝是否滿足試驗要求，并為了驗證在LNG內罐壁板中實施焊接的埋弧自動焊及手工電弧焊工藝是否滿足技術要求，測定焊接接頭是否具備所要求的性能。現場產品試板的厚度分別為10mm和24.4mm，試板厚度10mm的評定厚度范圍為10-20mm，而試板厚度24.4mm的評定厚度范圍為范圍覆蓋內罐壁板所有厚度16-48.8mm。對不同板厚及焊接位置進行焊接工藝評定試驗，要按照內罐壁板的實際厚度及坡口形式分別進行。

4 結束語

隨著天然氣消耗量的日益增加，全球范圍內也相繼投入使用更多重要的與天然氣相關的基礎設施項目。針對LNG低溫儲罐使用的9Ni鋼，本文也介紹了9Ni鋼在焊接施工時易出現的問題，也提出了解決問題的應對措施。為使9Ni鋼在低溫設備領域得到更廣泛的應用，應嚴格按照以上措施進行施工，并不斷地對9Ni鋼焊接性進行研究，對項目施工進行總結。

參考文獻

[1]符中欣.9Ni鋼的熱處理和焊接[J].熱加工工藝，2006，35（23）：78-81.

[2]蔡國強.9Ni鋼低溫儲罐焊接工藝研究[J].機械制造，2008（7）：35-37.

[3]張亞余.9Ni鋼焊接工藝評定的比較研究[J].金屬加工，2008，24：44-46.