LNG儲罐X7Ni9鋼板及焊材EPC管理總結

朱加寶

(中海油石化工程有限公司,山東 濟南 250101)

為響應國家“碳達峰、碳中和”的號召,LNG(液化天然氣縮寫,體積為氣態的1/600)作為稀缺的清潔能源越來越受到人們的青睞。大力發展LNG產業將優化我國能源結構、有效解決能源供應安全、保護生態環境、實現經濟和社會可持續發展[1]。LNG接收站在天然氣儲備和調峰中發揮著至關重要的作用,近期隨著俄烏戰爭和歐洲能源危機的爆發,世界各能源消費大國都高度重視LNG接收站的建設。近年來,我國也在沿海和沿江地區積極布局LNG接收站。其中,LNG接收站中單位投資額最大、技術要求最高、施工周期最長、施工工序最多、施工難度最大、最重要的裝置為LNG儲罐。

LNG儲罐屬常壓、低溫、大型的儲罐,LNG儲罐分為單容、雙容和全容3種形式,目前我國正在建設或已經投入使用的均為全容LNG儲罐[2]。全容LNG儲罐的核心部分是與低溫LNG液體直接接觸的內罐,LNG液體操作溫度為-165 ℃,內罐材料低溫沖擊試驗溫度達到-196 ℃,所以內罐材料X7Ni9鋼板及焊接材料是LNG儲罐EPC總承包項目管理中重要的一個環節。某接收站5#、6#儲罐工程是國內首個自主技術、自主設計、自主建設、自主管理的16萬m3全容儲罐EPC總承包項目,下面對本EPC項目中的X7Ni9鋼板及焊接材料從材料設計選擇、采辦進度控制、施工質量控制等環節進行總結。典型的LNG全容儲罐如圖1所示。

圖1 典型的LNG全容儲罐

1 LNG儲罐內罐材料設計選擇

LNG全容儲罐多為外罐、內罐組成的雙層結構體系,外罐為鋼筋預應力混凝土[3]。內罐為一個儲存LNG產品的自支撐式、鋼質、單壁罐。內罐材料設計選擇要滿足-165 ℃操作溫度要求,在深冷低溫條件下應具有足夠的強度(包括疲勞強度)及具有充分的韌性。某16萬m3LNG全容儲罐結構尺寸直徑約84 m,高度約50 m,為了能滿足規模化建造要求還應具有良好的加工性和可焊接性。滿足LNG操作溫度的材料有X7Ni9鋼、不銹鋼、鋁等。其中,X7Ni9鋼的低溫試驗溫度可以達到-196 ℃,在此低溫度下仍具有良好的強度(包括疲勞強度)和低溫韌性,X7Ni9鋼還具有良好的加工性能和焊接性能。1960年美國通過試驗研究證明,X7Ni9鋼不進行焊后熱處理消除焊后應力也可以使用,從此X7Ni9鋼成為LNG儲罐內罐材料的主要選擇材料。為響應國家“三新三化”號召,某16萬m3LNG全容儲罐內罐材料選擇了國產的X7Ni9鋼板。

X7Ni9鋼板的冶煉方法和交貨狀態要求。冶煉方法采用真空處理的電爐和爐外精煉的方法生產,鋼板交貨狀態以離線淬火+回火(QT處理)的調質熱處理狀態交貨,不允許采用兩次正火+回火(NNT處理)熱處理工藝交貨。X7Ni9鋼板經過QT處理可以得到少量彌散奧氏體,這種QT調質熱處理狀態X7Ni9鋼板的低溫韌性要好于NNT處理,經過QT處理X7Ni9鋼板的低溫韌性可以得到大大的改善[4]。冶煉過程嚴格控制X7Ni9鋼板C、Si、Mn、P、S、Ni、Mo、V、Cr、Nb、Cu、Al等化學成分,成品化學成分分析采用化學分析法,嚴格控制C、P、S成分含量不超過技術要求,Mo、Cr、Cu成分總含量不應大于技術規定的要求,熔煉分析列出Cr、Nb、Cu、Al等微量元素成分。

X7Ni9鋼板的機械性能和工藝性能要求。鋼板機械性能進行低溫沖擊性能(-196 ℃)和室溫拉伸性能等試驗。試樣應分別在交貨狀態的鋼板頭、尾兩端取樣(采用全厚度取樣),沖擊、拉伸試樣的軸線方向垂直于取樣鋼板的軋制方向,沖擊試樣的V型缺口軸線方向應垂直于取樣鋼板的表面。交貨狀態QT熱處理狀態室溫拉伸性能試驗(橫向)屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率等滿足技術規格書的要求。交貨狀態QT熱處理試樣在-196 ℃下進行低溫沖擊性能試驗(橫向)吸收功的最小值AKv滿足最低的檢測值要求,側向膨脹每個試樣滿足最小值的技術要求,纖維狀斷口每個試樣最小技術要求。低溫沖擊性能試驗(橫向)試樣在從冷卻液取出后規定的時間內進行檢測,低溫沖擊試驗不合格的不允許進行復驗。內罐壁板最厚的鋼板需要在-196 ℃下進行2組落錘試驗,試樣沒有出現裂紋為合格。X7Ni9鋼板的工藝性能進行冷彎試驗(橫向),冷彎試驗的試樣寬度不小于規定尺寸,彎芯直徑滿足技術要求,在室溫下進行180°冷彎,試樣沒有出現裂紋為合格。

X7Ni9鋼板的外觀檢查和表面質量要求。鋼板逐張進行100%雙面外觀檢查,外觀檢查應無缺陷。鋼板逐張進行橫向和縱向100%超聲檢查,掃描間距100 mm,S2級為合格;邊部進行100%超聲檢查,E4級為合格。鋼板逐張進行鋼板剩余磁性檢查,檢查重點為鋼板的四角及兩側表面等磁性易集中的位置,保證出廠剩余磁性強度小于30 Gs,交貨狀態(鋼板運輸到項目現場)的磁性殘留不大于50 Gs。

X7Ni9鋼板的材料預制要求。所有規格的鋼板采用工廠內材料預制,材料切割和焊接坡口預制采用機械加工或自動氣切割完成,坡口突出物通過打磨進行修復,不能進行坡口焊接修復。1～11圈的內罐壁板設計曲率半徑R約為36 m,內罐壁板需冷軋滾圓出設計要求的曲率半徑,自動控制的軋制程序能滿足頭、尾兩端的邊緣部分也能達到設計要求的曲率半徑,其端部曲率半徑公差在規定的設計要求范圍內。X7Ni9鋼板外觀檢查重點檢查鋼板邊緣的層狀物、鋼板的表面缺陷、至少6個點的鋼板厚度測量、鋼板的曲率半徑等。6個點的鋼板厚度測量應滿足設計的公差要求,不允許出現負偏差。鋼板檢查合格進行雙面噴丸處理后噴涂可焊接底漆。滾圓成型的鋼板采用帶弧度的鋼托架包裝,保持滾圓后的鋼板弧度,出廠和運輸過程制定防止鋼板形狀和弧度等變形的措施。

X7Ni9鋼板材料的其他要求。邀請了獨立的第三方進行駐廠試驗監造,參加鋼板生產過程的試樣取樣和試驗,鋼板試驗檢驗合格,出廠合格證書滿足EN10204中3.2證書要求,并由獨立第三方在3.2證書上進行簽章。

X7Ni9鋼板焊接材料的選擇。X7Ni9鋼板焊接材料一般選用鎳基合金作為焊接材料,這種材料可以在穩定后具有低溫韌性[4]。國產X7Ni9鋼板焊接材料尚無應用業績,國內在建和已建的LNG儲罐的焊接材料均為國外進口[5]。X7Ni9鋼板焊接方式有手工電弧焊(SMAW)和埋弧自動焊(SAW)2種,本項目手工電弧焊(SMAW)焊材選擇進口的X7Ni9焊條,焊條規格有3種,分別為直徑2.5,3.2和4.0 mm,4個爐批號分別為O2MS165519、O2MS165520、O2MS165521、O2MS165522,焊條要求真空密封包裝。埋弧自動焊(SAW)選用的X7Ni9焊絲規格為直徑2.4 mm焊絲。焊條的化學成分要求滿足ASME/AWS SFA/A5.11標準中ENiCrMo-6規格焊條成分要求,焊絲的化學成分要求滿足ASME/AWS SFA/A5.14標準中ER-ENiCrMo-4規格焊絲成分要求。焊接接頭力學性能試驗(包括SMAW和SAW試驗),沖擊試驗的試樣在焊接接頭頂部表面選取,焊縫、熱影響區的低溫沖擊性能與X7Ni9鋼板性能要求一致。在-196 ℃試驗溫度下3組試樣平均沖擊功不小于規定的強度,單個試樣沖擊功不小于規定的強度。焊材生產前制定出的ITP檢驗測試計劃,邀請獨立第三方根據ITP檢驗測試計劃進行全程的監督檢驗,焊接材料出廠合格證書滿足EN10204中3.2證書要求,并由獨立第三方在3.2證書上進行簽章。

2 LNG儲罐內罐材料采辦進度控制

LNG儲罐建造周期長,從基礎施工到機械完工工期約為3年(內罐的主體施工工期約為1年),儲罐的施工工序是先進行外罐施工,外罐施工封頂后再進行內罐施工。但是在施工外罐基礎承臺時需要進行內罐錨固帶和二次底環板的預埋,這時就需要內罐材料(錨固帶和二次底環板)提前采辦進場。因外罐基礎承臺施工時內罐錨固帶和二次底環板預埋到內罐主體開始施工工期間隔約有1年,這樣需要在采辦階段對內罐材料進行采辦批次劃分,制定出采辦進度計劃并進行控制。

本項目選擇了國產的X7Ni9鋼板,X7Ni9鋼板總需求量約為4 000 t,綜合考慮了供應廠家生產預制能力、項目施工進度、倉儲能力及運輸能力,按照X7Ni9鋼板使用部位和功能劃分了4個采辦批次進場。第1采辦批次為錨固帶、二次底環板、熱角保護系統TCP預埋、焊接工藝評定及焊接測試等材料,在需要承臺施工預埋時提前進場。第2采辦批次的材料為內罐底板環板、內罐底幅板、內罐底板異形板、二次底板幅板和異形板、熱角保護系統(TCP)、二次底和TCP處墊板等,在外罐罐底保冷施工時進場,第2采辦批次與第1采辦批次的進場的時間間隔約為1年左右。內罐壁板的安裝采用從底層開始逐層向上正向安裝法,第3采辦批次的材料主要為1～4圈的內罐壁板、加強圈、加強圈腹板和加強圈墊板等,在內罐底板開始安裝時進場。第4采辦批次的材料主要為5～11圈的內罐壁板、加強圈、加強圈腹板和加強圈墊板等,在內罐壁板正向安裝到第3圈時進場。因X7Ni9鋼板采辦總量相對較大,劃分采辦批次時既要考慮廠家供應能力、運輸方式和距離,又要考慮好施工工序的銜接等。當然,這個采辦批次計劃也不是一成不變的,合同執行過程中可以根據項目實際進度要求進行動態調整。

X7Ni9焊條和焊絲分了2個采辦批次進場,第1采辦批次主要滿足外罐基礎承臺預埋時的焊接需求,外罐基礎承臺預埋時第1采辦批次焊條進場。第2采辦批次在內罐底板、二次底板、熱角保護系統(TCP)、二次底和TCP處墊板等施工時剩余的焊條和焊絲全部進場。

3 LNG儲罐內罐材料施工質量控制

X7Ni9鋼板內罐弧形壁板曲率變形控制要求。本項目內罐弧形壁板采用工廠內預制成型后運輸到現場,內罐弧形壁板的曲率半徑R約為36 m,存放過程很容易變形,曲率變形會影響壁板安裝拼接質量。項目采取措施為制作弧形托架,托架的弧度和內罐壁板曲率半徑一致(R=36 m),托架與內罐壁板接觸的部位墊放木塊,第1圈至第6圈板每個托架最多存放11張板,第7圈至第11圈板,每個托架最多存放22張,板與板之前使用50 cm×50 cm木方隔開。X7Ni9鋼板存放橫向設置一定的傾斜角度,滿足存儲時瀝水、通風的要求。內罐壁板的弧形板存放圖如圖2所示。

圖2 內罐壁板的弧形板存放圖

X7Ni9鋼板磁性強度控制要求。X7Ni9鋼板的磁性很“嬌氣”,溫度、壓強、地球磁場等都會影響鋼板的磁性強度,在運輸、吊裝、堆放等環節易受到環境磁場的污染。如果鋼板的磁性超標在焊接過程中會造成焊縫飛濺,嚴重影響焊縫焊接質量?？刂七M場的X7Ni9鋼板剩余磁場強度不大于50 Gs,逐張鋼板進行剩磁檢查[6]。檢查用的剩磁儀要經有資質檢定機構檢定合格并在有效期內,檢查前要確認剩磁儀處在有效的狀態。檢查重點為鋼板的四角及兩側表面等磁性容易集中的位置。防止環境磁性污染,X7Ni9鋼板存放位置要遠離帶有磁性的用電設備,特別是磁性強的高壓電氣設備和高壓電線,避免與其他不同材質的鋼板存放在一起,鋼板的吊裝采用X7Ni9鋼板吊裝的專用吊具和工卡具避免磁性的二次污染。X7Ni9剩磁檢查位置如圖3所示。

圖3 X7Ni9剩磁檢查位置

X7Ni9鋼板焊縫焊接質量的控制管理。LNG儲罐內罐X7Ni9鋼板焊接工程量較大,內罐底板的焊縫長度約有8 200 m,內罐壁板焊縫長度約有7 000 m,焊縫質量的合格率直接影響到內罐的安裝質量。焊接開始時,通過RT檢查的焊縫一次合格率較低。通過問題統計分析發現影響焊縫質量的主要問題為焊縫裂紋、咬邊、夾渣等,其中焊縫裂紋為主要的影響問題(占比為83%)。針對出現的焊縫質量問題成立了課題為“提高X7Ni9鋼板焊接通過率”QC小組,對影響焊縫質量問題的因素進行檢查、分析、糾正、執行。通過QC小組檢查、分析,在材料方面發現影響焊縫質量的主要因素為X7Ni9鋼板母材稀釋率、鎳基合金焊材(奧氏體)熱裂紋敏感性和焊接電弧磁偏吹等。采取的糾正措施為通過焊接工藝評定確定鋼板母材和鎳基合金焊材合適的焊接速度和焊接電流,制定焊縫焊接工藝指導書,對剩余磁性強度高的X7Ni9鋼板進行消磁處理,通過消磁降低鋼板的磁性強度,從而降低焊接電弧磁偏吹對焊縫質量的影響。通過對影響焊接質量的因素進行控制后,焊縫RT檢查一次合格率得到較大的提高。

4 結語

近年來我國“碳達峰、碳中和”相關政策陸續出臺,鼓勵新能源、新材料、新技術等新興產業的發展。提高我國LNG接收站和LNG儲罐的建造技術對優化能源結構、發展綠色低碳能源起著重要的作用。LNG儲罐建造技術的先進性、可靠性、經濟性也成為LNG產業發展的重要一環。作為國內首個自主技術、自主設計、自主建設、自主管理的16萬m3全容儲罐項目已順利開車并平穩運行,達到了項目預期的目標。建議各參建方要不斷總結經驗,優化設計,創新技術,不斷提升LNG儲罐EPC管理水平。