大型LNG儲罐項目螺柱焊工藝評定標準選擇與應用分析

陳立新，生望

1.中國海洋石油工程質量監督化工中心站 山東濟南 250000

2.河北華北石油工程建設有限公司 河北任丘 062552

1 序言

中海油、中石化、中石油、新奧燃氣等已建或在建大型LNG儲罐工程中，絕大部分采用全容罐，其中主容器采用9%Ni鋼、自支撐式圓筒形內罐結構，次容器采用預應力混凝土外罐結構。外罐主要由樁帽、承臺、預應力鋼筋混凝土罐體、鋼筋混凝土包覆鋼穹頂及承壓環等組成。為保證結構安全和外罐密封性能，外罐內壁防潮襯板預埋件、承壓環、鋼穹頂蒙皮板、鋼質穹頂接管及人孔等部位，全部植焊有規格不等、材質不同的栓釘，其焊接方式采用螺柱焊。鋼質穹頂、管嘴、防潮襯板預埋件栓釘焊接分別如圖1和圖2所示。螺柱焊是指金屬螺柱（或類似零件）的端部與工件表面在電弧和外壓力共同作用下，熔化的兩部分互相熔合的焊接方法。螺柱焊具有焊接速度快、全斷面焊接、焊接過程人為因素影響小及質量穩定可靠等優點[1，2]。

圖1 鋼質穹頂及管嘴栓釘

圖2 外罐防潮襯板預埋件栓釘

螺柱焊現場施焊前，責任單位必須擬定焊接工藝、焊接試件并進行檢測，實施焊接工藝評定，以保障栓釘焊接質量滿足設計文件及規范要求，這就涉及到如何選擇適用的焊接工藝評定標準問題。在大型LNG儲罐設計文件中，一般規定螺柱焊工藝評定采用NB/T 47014—2011或ISO 14555—2017標準，其中NB/T 47014—2011是參照ASME《鍋爐壓力容器規范》第IX卷“焊接和釬接評定”編制而成；ISO 14555—2017屬于國際通用標準。由于兩個標準都具備各自的系統性、權威性，應用廣泛，因此國內LNG儲罐項目栓釘焊接工藝評定主要采用ISO 14555—2017或NB/T 47014—2011，有利于保證栓釘焊接質量穩定和牢固。但兩個標準對于螺柱焊工藝評定要素、覆蓋原則、試驗項目的規定存在較大差別，因此深入分析兩種工藝評定標準的異同與側重，對參建單位結合工程建設特點，選擇適用的螺柱焊工藝評定標準，做好螺柱焊質量控制具有重要意義。在LNG建設工程中，由于最常用的螺柱焊形式為“帶陶瓷套圈或保護氣體的拉弧螺柱焊”，所以本文將以此為例，對比分析兩個標準的差異。

2 主要工藝評定要素及其覆蓋范圍對比

通過對比材料類別及組合、母材厚度、螺柱橫截面積和形狀、焊接位置、焊接參數、焊接電源類型、預熱溫度、焊接方法及焊后熱處理類別共9個主要工藝評定要素，分析NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個標準的差異，發現其中7個方面存在較大差異，2個基本相同，具體情況分析如下。

（1）材料類別及組合改變 通過材料類別及組合改變，對比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個標準的差異，具體分析見表1。從表1可見，NB/T 47014—2011把材料類別改變作為是否重新進行工藝評定的唯一標準，覆蓋原則單一；而ISO 14555—2017細分了覆蓋要求，但母材類別覆蓋范圍較寬泛，在實際工程實踐中，責任單位應認真分析標準覆蓋要求，結合已有螺柱焊工藝評定數據庫，再確定是否重新進行工藝評定。

表1 材料類別及組合改變

（2）母材厚度改變 通過母材厚度改變，對比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個標準的差異，具體分析見表2。從表2可見，NB/T 47014—2011未對母材厚度提出評定要求；但ISO 14555—2017針對陶瓷套圈和保護氣體兩種熔池保護方式，細分了評定因素和覆蓋范圍。

（3）螺柱橫截面積和形狀改變 通過螺柱橫截面積和形狀改變，對比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個標準的差異，具體分析見表3。由表3可以看出，如果螺柱焊工藝評定采用ISO 14555—2017標準，當螺柱焊工藝評定的兩個螺柱直徑之間跨度較大時，介于二者之間的任一螺柱直徑，其焊接電流都需要結合公式計算、現場焊接位置、螺柱材質及工程實踐經驗等各方面要素綜合確定，工程質量可靠性和穩定性只能通過LNG儲罐項目長時間運行來驗證，存在一定質量安全風險。

表2 母材厚度改變

（4）焊接位置改變 通過焊接位置改變，對比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個標準的差異，具體分析見表4。從表4可以看出，NB/T 47014—2011規定不同螺柱焊接位置（平焊、橫焊、仰焊）應采用一一對應的焊接工藝評定試驗結果，不同位置之間嚴禁覆蓋；而ISO 14555—2017規定在其他評定因素不變的情況下，只要通過橫焊位置（PC）焊接工藝評定試驗，允許應用于其他位置的螺柱焊，顯然其覆蓋范圍非常寬泛。

（5）焊接參數改變 通過焊接參數改變，對比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個標準的差異，具體分析見表5。從表5可以看出，NB/T 47014—2011嚴格控制焊接參數變化范圍，僅允許焊接參數在很小范圍內變化，非常有利于控制螺柱焊接質量。

（6）焊接電源類型改變 通過焊接電源類型改變，對比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個標準的差異，具體分析見表6。從表6可以看出，NB/T 47014—2011規定，改變電源類型或改變焊槍型號，則必須重新進行焊接工藝評定；而ISO 14555—2017規定，改變電源類型或改變焊槍型號，應采用產品試驗方法對螺柱焊接工藝規程進行驗證，并要求宏觀金相檢測；相對于NB/T 47014—2011重新進行工藝評定，ISO 14555—2017采用產品試驗驗證工藝方式更加復雜，不利于現場工程實踐操作，效率低下。

表3 螺柱橫截面積和形狀改變

表4 焊接位置改變

（7）關于預熱溫度 NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個標準關于預熱溫度的規定見表7。從表7可以看出，兩個標準針對預熱溫度的評定側重點完全不同，導致覆蓋要求也完全不同。

（8）焊接方法改變 通過焊接方法改變，對比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個標準的差異，具體分析見表8。

（9）焊后熱處理類別改變 通過焊后熱處理類別改變，對比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個標準的差異，兩者都規定，改變焊后熱處理類別，應重新進行焊接工藝評定。

表5 焊接參數改變

表7 關于預熱溫度

表8 焊接方法改變

3 螺柱焊工藝評定試驗項目及要求

通過對比焊接工藝評定試驗項目及要求，發現兩個標準存在的主要差異見表9。

由表9可見，在“溫度≤100℃、承受靜載”同等工況條件下，NB/T 47014—2011比ISO 14555—2017增加了拉伸試驗至少一個評定項目，細化了不同螺柱材料的斷裂強度合格判據，從保證螺柱焊接質量角度而言，增加拉伸試驗項目意義重大。

表9 兩個標準存在的主要差異

4 結束語

NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017作為LNG儲罐項目主要采用的螺柱焊工藝評定標準，各有特點和側重，均可滿足螺柱焊工藝評定基本要求。其中NB/T 47014—2011屬于承壓設備焊接工藝評定專業標準，應用范圍最為廣泛，其權威性業界公認，特別是螺柱焊接參數認可范圍更加苛刻；而ISO14555—2017屬于金屬材料螺柱焊通用標準，在第10章專門規定了螺柱焊工藝評定要求和認可范圍。通過以上對比分析，筆者認為采用NB/T 47014—2011更有利于焊接參數和焊接質量的管控，其優勢集中體現在以下5個方面。

1）一種螺柱直徑對應一份工藝評定試驗報告（其他評定因素不變，下同）；對于近幾年國內剛剛興起的超大單體容量LNG儲罐建設工程，采取每一種螺柱規格或直徑應單獨進行螺柱焊工藝評定試驗方式，無疑是最為穩妥的技術方案。

2）螺柱評定位置，必須與現場螺柱焊接位置一一對應。

3）明確現場改變電流種類或極性時，應增加沖擊韌度試驗。在LNG儲罐低溫環境下，螺柱焊沖擊韌度指標是否合格尤為重要。

4）與評定值相比，NB/T 47014—2011僅允許焊接電流、焊接時間、提升高度等主要參數小范圍變化，而ISO 14555—2017認可焊接設備供應商推薦的焊接參數范圍內的變化，許可范圍非常寬泛，不利于精準控制螺柱焊接質量。

5）相對于ISO 14555—2017的4種可選螺柱焊接方法，NB/T 47014—2011螺柱焊接方法選擇范圍很大，而SMAW或GMAW是螺柱焊接必選方法之一，選擇NB/T 47014—2011作為螺柱焊評定標準，有利于統一螺柱焊工藝評定要求，便于現場執行和監管。

綜上所述，建議LNG儲罐項目優先采用NB/T 47014—2011作為螺柱焊工藝評定標準，以更好地實現螺柱焊接質量的再現性和可靠性。