淺談LNG 低溫儲罐內罐焊接技術

李雪梅

中石化第四建設有限公司 天津 300270

隨著LNG 行業的快速發展，目前國內已建造多個LNG 儲罐接收站，包括5 萬m3、8 萬m3、16 萬m3到和22 萬m3全容式LNG 低溫儲罐。結構形式上有雙鋼LNG 低溫儲罐、外罐混凝土內罐鋼制等兩種形式，其中以外罐混凝土內罐9%Ni 鋼制結構形式為主。無論哪種結構形式，LNG 內罐的焊接是LNG 儲罐施工的關鍵技術之一，以下以16 萬m3LNG 低溫儲罐為例介紹LNG 儲罐內罐的焊接。

1 LNG儲罐結構介紹

16 萬m3低溫儲罐為自承式拱頂儲罐，屬于全包容儲罐。其外罐體為預應力鋼筋混凝土，內罐體為9%Ni 鋼制內殼體。混凝土外罐內直徑為82.00m, 外直徑為83.60m，罐頂半徑為 82.005m；金屬內罐直徑為80.00m，罐壁高度為35.43m；每臺儲罐容積為16萬m3，設計液位為34.80m。

內罐三層罐底板：最下層為防潮底板、中間層為9%Ni 鋼底板、上層為9%Ni 鋼底板。每兩層底板間有保冷層、水泥層和干沙層（干沙層中間鋪設充氮降溫管道）；外罐壁內側有一層碳鋼防潮板，內罐外壁鋪滿彈性氈，內外罐間填充珍珠巖保冷材料；罐內部有一個懸掛在外罐頂部下方的鋁浮盤。

2 LNG儲罐的焊接內容

16 萬m3低溫儲罐的焊接內容如表1 所示。

表1 16 萬m3 低溫儲罐的焊接內容

3 LNG儲罐內罐材質特性分析

9%Ni 鋼以其優良的低溫韌性和焊接性被認為是制造低溫壓力容器的優良材料，目前9%Ni 鋼已完全實現了國產化，鋼材型號為06Ni9DR。LNG 儲罐的內罐材料無一例外都采用了9%Ni 鋼，因此，9%Ni 鋼的焊接成為LNG 工程建設的關鍵技術之一。

3.1 LNG儲罐用低溫鋼板的化學成分及機械性能

16 萬m3LNG 低溫儲罐用低溫鋼板的06Ni9DR化學成分及機械性能見表2 和表3。

表2 06Ni9DR鋼化學成分

表3 06Ni9DR鋼機械性能

3.2 9%Ni 鋼焊接性分析

焊接9%Ni 鋼的主要問題是保證焊接接頭的低溫韌性、防止焊接裂紋、防止電弧磁偏吹等問題，這與焊接材料的類型、焊接熱輸入、焊接工藝有關。

3.2.1 焊接接頭的低溫韌性

焊接接頭的低溫韌性問題可能出現于焊縫金屬、熔合區和粗晶區中。焊縫金屬的低溫韌性主要與采用的焊接材料類型有關。用與Ni9 鋼成分相同的焊接材料焊接Ni9 鋼時，焊縫金屬的低溫韌性很差，一般Ni9鋼的焊接材料主要采用Ni 基(如含Ni 約60%以上的Inconel 型)、Fe- Ni 基(如含Ni 約40%的Fe- Ni 基型)和Ni- Cr (如Ni13%- Cr16%) 奧氏體不銹鋼三種類型。Ni 基和Fe- Ni 基焊接材料的低溫韌性良好，含Ni13%- Cr16%奧氏體不銹鋼型焊接材料的強度稍高，但低溫韌性較差，而且易在熔合區出現脆性組織。

熔合區的低溫韌性與所出現的脆性組織有關。當采用Ni13%- Cr16%型奧氏體不銹鋼焊材焊接Ni9 鋼時，熔合區的化學成分既非奧氏體鋼也非Ni9 鋼的成分，而是富含Cr、Mn、W 與C 的區域。熔合區的硬度明顯比焊縫金屬和熱影響區的硬度高，而且熔合區內的硬度又隨所處位置的不同而不同。粗晶區的韌性主要取決于焊接熱輸入與焊后的冷卻速度。

3.2.2 焊接熱裂紋

采用Ni 基、Fe- Ni 基或Ni13%- Cr16%奧氏體不銹鋼焊材焊接Ni9 鋼時，都可能產生熱裂紋。焊縫熱裂紋易產生于打底焊縫或定位焊縫中，如果夾渣較多，也能從夾渣處產生裂紋。定位焊時，在起弧處也可能產生裂紋。裂紋傾向還與焊接位置有關。在立、仰、橫與平四個焊接位置中，橫焊與平焊的裂紋傾向最大，立焊與仰焊較小。要消除裂紋，最根本的辦法是減少有害雜質元素，采用正確的收弧技術并配合適當打磨處理。

3.2.3 電弧的磁偏吹

焊接9%Ni 鋼時易發生電弧的磁偏吹。為消除磁偏吹，應控制9%Ni 鋼母材的剩磁在50 高斯。同時，焊接時應盡量采用交流焊接，避免用大電流的碳弧氣刨清根。

4 LNG 儲罐內罐焊接采用的焊接規范

目前國內對于低溫儲罐的施工方面還無具體的驗收規范，主要參考國外相關規范。焊接工藝評定及焊接施工主要應用的規范如下：

（1）美國石油學會APl620- 2002《大型焊接低壓儲罐設計與建造》；

（2）歐洲標準EN14620 《設計和現場建造立式、圓筒形、平底、鋼制、操作溫度介于0～165℃的冷卻液化氣儲罐》；

（3）BS7777《立式圓筒型低溫儲罐》；

（4）ASME IX《焊接和釬焊評定標準》。

5 焊接方法

LNG 儲罐焊接的主要方法有焊條電弧焊、埋弧自動焊，也是目前我國LNG 儲罐本體普遍采用的焊接方法。其中焊條電弧焊主要應用于壁板的立縫、底板、大角縫和角保護板的焊接，埋弧自動焊主要應用于壁板的橫縫。

6 焊接設備

9%Ni 鋼是一種磁化傾向較大的材料。鋼材的磁性會造成電弧的磁偏吹，并會嚴重影響焊接質量，造成未焊透、未熔合，以及夾渣、氣孔等缺陷，嚴重時甚至無法施焊。因此焊接電源采用交流焊接電源，來避免電弧的磁偏吹現象。

7 焊接材料

目前，在世界各國LNG 儲罐的建造中，焊條采用ENiCrMo- 6、ENiCrMo- 3、ENiCrFe- 9 等，焊絲采用ER NiCrMo- 3、ERNiCrMo- 4、ER NiCrMo- 8、ER NiMo- 8、ER NiMo- 9 等，但使用ER NiCrMo- 4 的較多。

8 焊接工藝評定

焊接工藝評定采用標準主要有ASME 標準API620，以及歐洲標準ENISO15614- 1 和EN14620。

8.1 評定的數量

焊接工藝評定的項目覆蓋執行ASME 標準及EN14620，涵蓋儲罐壁板最小厚度及最大厚度。并按設計要求增加一次返修、二次返修的焊接工藝評定，以及角縫的焊接工藝評定和罐底的焊接工藝評定。焊接接頭（包括全焊縫）室溫力學性能指標見表4。

表4 焊接接頭（包括全焊縫）室溫力學性能指標

8.2 試件取樣要求

試驗的試件按ASME 或者國內標準要求進行取樣，其中返修焊接試件按設計要求進行焊接并取樣。

8.3 試驗項目

試驗項目主要有拉伸、彎曲、沖擊（- 196℃）和硬度檢驗。角焊縫進行硬度及宏觀金相檢驗，且拉伸試驗過程中，當斷裂部分在焊縫金屬時，應增加全焊縫金屬拉伸試驗。

8.4 試驗可執行標準及合格指標

8.4.1 拉伸試驗

橫向拉伸試樣每組2 件，試驗方法采用GB/ T228- 2002，評定標準采用NB/ T47014- 2011,合格指標見表3。全焊縫金屬拉伸試驗方法采用GB/ T228- 2002，檢測項目為屈服強度、抗拉強度和延伸率，強度合格指標見表4，延伸率合格指標要求不低于35%。

8.4.2 彎曲試驗

縱向彎曲試驗每組4 件，試驗方法采用GB/ T232- 1999。

8.4.3 沖擊試驗

沖擊溫度為 - 196℃， 試驗方法采用GB/ T229- 2007，檢測項目包括沖擊功及側向膨脹量，合格指標見表5。

表5 焊接接頭最小沖擊值（V型缺口）

8.4.4 硬度試驗

硬度試驗方法采用GB/ T4043.4- 2009，合格指標：不大于400HV10（目標值為不大于360 HV10）。

9 LNG 儲罐內罐組焊

9.1 內罐罐底焊接

9.1.1 罐底邊緣板的焊接

（1）罐底邊緣板按照對稱位置進行焊接，焊工均布，在焊接過程中嚴格按照工藝評定的參數進行控制。邊緣板上表面焊完后測量角變形，若變形較大，在背面清根時控制焊道打磨深度進行反變形處理，盡量保證邊緣板的平整度。

（2）邊緣板對接焊縫仰臉焊接前在焊道兩側做馬凳支撐，每條焊道兩側各放置兩個不同高度馬凳，靠近焊道的地方放置高700mm 的馬凳，中部支撐500mm的馬凳，從而保證焊道焊接時受力較小。

（3）焊工在焊接過程中盡量減少背面焊接的工作量，保證焊接合格率。

9.1.2 罐底中幅板及龜甲縫的焊接

（1）罐底中幅板全部為搭接形式，搭接接頭三層板重疊部分要按照圖紙將上層板切角，且在上層底板鋪設前，先焊接上層底板覆蓋部分的角焊縫；

（2） 底板定位焊后，所有搭接縫間隙不大于1mm；

（3）焊接時焊工沿罐底中心線對稱分布施焊，先焊短縫、后焊長縫，由里向外，分段退步焊。

（4）罐底板在保冷玻璃磚鋪設完畢后進行安裝焊接；

（5）定位焊時應使用和正式焊接相同的焊條，焊條型號為ENiCrMo- 6，規格為φ3.2mm，定位焊長度50mm，間隔300mm；

（6）焊前應將焊道附近的泥沙、鐵銹、水及油污等雜物清理干凈，并應在充分干燥的條件下進行焊接，若有水分，用氧炔焰烘烤干凈；

（7）焊接全部采用手工焊接完成；

（8）為防止起弧處產生氣孔，應采用退弧引弧法；

9.2 壁板立縫的焊接

（1）焊接時嚴格按照工藝評定的要求進行控制，采用小電流、多層多道焊接。

（2）所有立縫全部采用焊條電弧焊，焊接完成后進行100%射線檢測。焊接過程中每根焊條的收弧位置應進行打磨處理，以保證焊接質量。

（3）立縫均采用焊條電弧焊的焊接方法，焊接時先焊外側，后焊內側。

（4） 焊前徹底清除焊縫坡口表面及坡口兩側20mm 范圍內的油、銹、泥等污物。

（5）焊接方向自下而上進行，采用退步焊。

9.3 壁板環焊縫焊接

（1）組對從罐內側進行焊接，定位焊長度不宜小于50mm，間隔30～500mm。定位焊工藝要求與正式焊接工藝相同，且要保證焊接質量。

（2）定位焊前將坡口及坡口邊緣20mm 范圍內的泥沙、鐵銹、水分及油污等清除干凈。

（3）如果坡口間隙大于焊接工藝要求，應先用手工焊從罐內側修整，并將焊渣打磨掉。

（4）每條環縫由多臺焊機沿圓周均勻分布，并沿同一方向進行施焊，同一部位焊縫由一臺焊機焊接；環縫焊接時先焊外側再焊內側。

（5）每層焊道引弧后，要檢查焊絲落點是否正確，并應立即檢查焊道成型情況，以調整焊接工藝參數及焊槍角度位置，調整中盡量避免改動事前確定的電流、電壓，通過焊接速度和對準位置來進行調整。

（6）橫縫焊接時，保證打底焊的質量最關鍵。焊接時要調整好焊槍角度，焊絲對準坡口的位置，保持每層焊道良好的焊道成型；打底焊后應徹底清除焊渣，對不規則的部位要進行修整。

（7）在焊接過程中嚴格執行焊接工藝評定，質檢員要加強對焊道層間溫度的測量，檢測焊接過程中電流、電壓和焊接速度。

10 結論

大型LNG 儲罐內罐9%Ni 鋼橫縫采用埋弧焊，縱縫采用手工焊接，通過以上的工藝控制措施，保證了LNG 儲罐內罐的焊接施工質量，提高了焊接生產率。