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1、刘红坚,2010年9月,LNG储罐焊接技术及发展,一、前言,目前世界各国都在积极推动低温液化气的储备。随着我国经济的迅猛发展，我国的能源产业结构也在发生巨大的变化，国家极力支持液化天然气项目的发展，并把实施LNG进口多元化发展战略作为国家能源战略的重要组成部分。06年启动的三大LNG接收站项目广东、福建和上海LNG项目相继投产，目前大连、江苏项目正处施工阶段。,LNG接收设施主要由用于LNG接收储存的低温储罐、LNG码头及栈桥区、灌区泡沫站、气化区、增压/冷凝区、火炬区、公用工程、计量输出区、槽车装车区等组成，其中LNG低温储罐的安装是建设的核心和关键。 LNG低温储罐通常是双层壁结构的立式拱
2、顶储罐，外壁为预应力混凝土结构，内侧为双层壁钢结构。外层普通碳钢板紧贴混凝土 （通过预埋件贴在外罐壁混凝土层内侧并密封焊接），,最内层为9%Ni钢（例如ASTM A553 Type1等），厚度从下到上呈递减型（16.5万立方储罐内罐底圈壁板为26.2mm，顶圈壁板为12 mm），内外层结构间距一般在850mm以上、1000mm以内，中间夹层填充特殊的绝热材料；罐顶也是双层结构，顶板是普通碳钢板，悬挂在外顶层内壁的吊顶是铝板（例如ASTM B209M5083），通过吊杆（SS）与外罐拱顶骨架连接，内外顶之间夹层填充特殊的绝热材料，在顶板外侧为混凝土层。,罐底由三层钢板及保冷层组成，最下层底板为碳
3、钢板，底板和次外层底板为9%Ni钢，每两层底板之间铺设泡沫玻璃砖保冷层。储罐罐壁无管口，所有管线都由罐顶开孔与罐内连接。其结构如下图：,储罐工艺设计数据,下面主要以上海LNG储罐的焊接施工为例进行介绍：,二、储罐材料介绍 2.1 储罐所包含的主要材料 外罐：A36、A516Gr380、A516Gr450 铝吊顶：B209M 5083-O 内罐：A553 TYPE 1（9%Ni钢） 螺柱：A108 Gr1015、A276 TYPE 304 接管及套管：TP304L、API 5L Gr. B、A516Gr450,2.2 9%Ni钢介绍 9%Ni钢于1944 年由美国INCO 公司开发发明的一种优良
4、的低温用钢，1948 年推向市场。1956年初列入ASTM标准。1960 年以前9%Ni钢只能用铁素体焊条焊接，需进行焊后消除应力的热处理，这对于制造大型储罐是一个难题。1960 年10 月，采用Inconel型焊条焊接9%Ni钢成功，并通过了液氮温度下的爆破增压试验。后来开发的9%Ni 钢的双正火+ 回火(NNT)热处理工艺和淬火+ 回火(QT)热处理工艺使9%Ni 钢的焊接不需进行焊后消除应力的热处理。1962 年，ASTM规范认定：,板厚不超过38mm 的储罐可以不进行消除焊接接残余应力热处理，1963年又扩大到50mm，使9%Ni 钢用于大型LNG 储罐制造成为可能。1952 年,第一
5、台9 %Ni钢储罐在美国投入使用。1965 年法国用9%Ni 钢建造了第一艘LNG 油轮“Jules Verne“ 号，舱容 2.584 万m3。日本大规模使用9%Ni 钢开始于1969 年横滨港建成的3.5 万m3 和4.5 万m3 LNG储罐，1977 年将Ni9 钢列入JIS 标准， JIS G3127对9%Ni钢的热处理进行了如下要求：双正火+ 回火处理(NNT)和淬火+ 回火处理(QT)。1980 年日本建成了7.5 万m3LNG 储罐。,1991 年JIS G3127 中明确指出：根据需要可进行中间热处理。1982 年后，9%Ni钢已经成为低温储罐主材，逐渐取代了Ni-Cr 不锈钢
6、，截止到1995 年世界上已建的最大9%Ni钢储罐容积为14万m3。由此可见，9%Ni 钢已是国际上低温设备领域广泛使用的钢种，其焊接性能良好，焊接工艺已日臻成熟。而在我国由于对9%Ni钢焊接的研究和应用比较晚，特别是在LNG储罐焊接方面,还没有形成自己的标准，工艺规范也不完善。,目前推荐并且常用的热处理方法有三种： (1) NNT处理 第一次正火加热至900 空冷。第 二次正火加热至790 空冷， 然后在550-580 回火后急冷处理后的组织为回火马氏体与贝氏体。 (2) QT 处理 800 水淬或油淬， 然后550-580 回火处理后的组织为低碳马氏体。 (3) + 双相区淬火+回火(In
7、tercritical HeatTreatment，简称IHT) 一般为800水淬+670水淬，然后经550580 回火，处理后的组织为低碳马氏体。,Ni是9%Ni钢的主要合金元素， 它在该钢中的作用是降低钢的脆性转变温度，提高它的冲击韧性。 Mn 在该钢中可以细化晶粒，同时还可以提高w（Mn）/w（C）的比值， 起到提高钢的韧性， 降低转变温度的作用。 C在该钢中可以提高钢强度。 S、P含量应严格控制，否则会使脆性转变温度升高，增加热裂纹的倾向。 因此， 为了保证9%Ni 钢具有良好的低温韧性，应严格控制该钢中的C、Si 等其它元素及S、P等杂质含量。,9%Ni钢的化学成分和力学性能(wt,
8、%),上海LNG用低温钢板的化学成分及机械性能见下表：,A553TYPE1钢化学成分,A553TYPE1钢机械性能,2.3 9%Ni钢的焊接性能 9%Ni钢以其优良的低温性能和焊接性能被认为是制造低温压力容器/储罐的最佳材料，焊接9%Ni钢主要问题是保证焊接接头的低温韧性、防止焊接裂纹、防止电弧磁偏吹等问题，这与焊接材料的类型、焊接热输入、焊接工艺有关。 （1）焊后低温韧性下降:焊接接头的低温韧性问题出现在焊缝区、熔合区和粗晶区。焊缝金属的低温韧性与采用焊接材料的类型有关，采用与9%Ni钢成份相同的焊材时，焊缝金属低温性能很差，主要是由焊缝金属含氧量过高造成的。,熔合区的低温韧性与所出现的脆性
9、组织有关。当采用Ni13%Cr16%型奥氏体不锈钢焊接材焊接9%Ni时，熔合区的化学成份既非奥氏体钢也非9%Ni钢的成份，而是富含Cr、Mn、W与C的区域。熔合区的硬度明显比焊缝金属的硬度和热影响区的硬度高，熔合区的硬度又随位置的不同而不同，熔合区存在脆硬层，该区域是板条马氏体和挛晶马氏体复合而成。,（2）焊接热裂纹 采用Ni基、FeNi基或Ni13%Cr16%奥氏体不锈钢焊材焊接Ni9钢时，都可能产生热裂纹，如用25Cr16Ni13Mn8W3焊条焊接Ni9钢时，可能产生弧坑裂纹、高温失塑裂纹、液化裂纹，也可能在熔合区中产生显微疏松。 焊接热裂纹易产生在打底焊缝或定位焊缝中。如果夹渣较多时，也
10、能从夹渣处产生裂纹，定位焊时在起弧处也可能产生裂纹。,显微疏松或称折叠中的显微裂纹主要产生在熔合区，这种缺陷一般很小，所谓折叠是焊接过程中由于电弧的搅动，把部分母材带入焊缝中造成的。带入焊缝中的这部分母材虽经熔化，但未与焊条金属相混合，其成分基本上是原9%Ni钢的成分，因为焊缝金属的合金元素比母材高的多，其熔点低于9%Ni钢。陷入折叠之中的焊缝金属的凝固晚于周围的折叠金属，因而在它凝固时的不到金属的补充而产生裂纹实际是显微疏松。消除以上裂纹的方法是减少有害元素，采用正确的焊接技术并配和适当的打磨。,（3）焊接冷裂纹 9%Ni钢与同强度的其它低合金钢相比有较好的抗冷裂性能，在低氢条件下不产生冷裂
11、纹，但采用低Ni高Mn的奥氏体焊条时，因母材稀释作用在熔和区附近会出现高硬度的马氏体带，对氢脆敏感，防止焊接冷裂纹的措施是：施焊中严格执行焊接工艺规程特别是焊条烘干、焊接环境湿度、焊接规范等。采用Ni基焊材时可使熔合区不出现高硬马氏体，有效防止冷裂纹。,（4）电弧磁偏吹 焊接9%Ni钢时易发生磁偏吹，防止措施是控制母材剩磁率在50高斯以下，但是焊接过程中剩磁率在20高斯以上。因此，应尽量采用交流焊接避免用大电流的碳弧气刨清根，或采用磁铁消磁。,三、焊接工作的难点及关键点,在LNG焊接施工中，通过对9%Ni钢的焊接性进行分析，内罐作为储罐焊接施工的核心，其主要焊接难点如下： 钢材硬度大，坡口加工
12、的难度较大； 钢材易磁化； 焊缝易产生冷、热裂纹； 焊接电弧的磁偏吹；,四、主要应用的规范,目前国内对于低温储罐的施工方面还无具体的验收规范，施工主要参考国外相关规范，焊接工艺评定及焊接施工主要应用的规范如下： BS7777-1993立式圆筒型低温储罐 EN287-1：1992钢熔化焊焊工考试 EN287-2：1992铝熔化焊焊工考试 EN288-3-1992金属材料焊接工艺评定-钢材 EN288-4-1992金属材料焊接工艺评定-铝及铝合金, EN571-1997无损检测着色检测 EN895-2001拉伸试验 EN910-1996弯曲试验 EN10045-1993冲击试验 EN1043-19
13、97硬度试验 EN ISO 5817-2003焊缝无损检测评定 ASME 焊接和钎焊评定标准,51 外罐的焊接方法 外罐的焊接，主要为SMAW，螺柱的焊接采用螺柱焊和SMAW。,五、焊接方法的选择,外罐壁板安装焊接,拱顶螺柱焊接,铝吊顶的焊接焊接,52内罐的焊接方法 目前焊接9%Ni钢主要焊接方法是焊条电弧焊 (SMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)、熔化极惰性气体保护电弧焊(GMAW)和埋弧焊(SAW)。 钨极氩弧焊的焊接效率太低，在工程中选择这种焊接方法不太经济，但是，能得到具有窄坡口的高质量的焊接接头，特别是采用,低镍型焊接材料焊接9%Ni钢时，钨极氩弧焊是非常好的焊接方法。所以只是在特定的
14、场合下才选择使用钨极氩弧焊。 手工熔化极惰性气体保护电弧焊的熔敷速率大，但对焊工的焊接技术要求较高。该焊接方法的主要缺点是容易产生熔合不良和气孔。 焊条电弧焊是9%Ni钢现场焊接的一种适合各种焊接位置、非常灵活且可行的焊接方法。该焊接方法可以达到很高的合金过度系数，甚至高达170%。,埋弧焊是熔敷速率最高的一种焊接方法，特别是在环焊缝焊接时，由于使用了环缝焊接机械系统，埋弧焊的优点表现得更加突出，但它只适合于焊接横焊缝和水平位置焊缝。 对于立式储罐的纵焊缝，虽然现在已经开发出了气电立焊设备，且自动化程度很高，但是由于气电立焊的线能量偏大且不易控制，所以不适合用来焊接9%Ni钢。立焊缝仍然用焊条
15、电弧焊焊接。,生产实践证明，焊条电弧焊和埋弧焊是9%Ni钢储罐现场焊接效率最高的焊接方法。由于LNG储罐的焊接工作量大，对于9%Ni钢的焊接目前主要应用的方法有：手工电弧焊、埋弧自动焊，也是目前我国LNG储罐本体普遍采用的焊接方法。其中手工电弧焊主要应用于壁板的立缝、底板、大脚缝、热转角保护板，埋弧自动焊主要应用于壁板的横缝。下面是我公司上海LNG储罐的焊接方法示意图:,内罐壁板角缝焊接,内罐壁板环缝焊接,9%Ni钢的焊接材料可归纳为四种类型，即含Ni 约60%以上的Inconel型；含Ni 约40% 的Fe-Ni基型；含Ni13%-Cr16%的奥氏体不锈钢型和含Ni11%的铁素体型。 铁素体
16、型焊材具有成本低的优点，但其成分与9%Ni钢相同，焊后如果不进行热处理，得到的焊缝低温韧性很差。研究表明这主要是因为焊缝金属中的含氧量太高，有时可达600ppm。焊后热处理虽然,六、焊接材料,可以较好地提高焊缝的低温韧性，但在施工现场的环境下特别是对大型储罐的焊接，热处理是很难实现的。因此，用于9%Ni钢电弧焊的焊材主要是前三者。 Ni13-Cr16奥氏体不锈钢型焊接材料的强度稍高，但低温韧性较差，线膨胀系数与9%Ni钢相差较大，易产生高的热应力集中，从而增大焊缝的热疲劳和失效的风险，而且容易在熔合区出现硬脆组织而使冷裂纹倾向大大增加。,Ni基和Fe-Ni基焊接材料的线膨胀系数与9%Ni钢相近，并且所得焊缝金属均为奥氏体，具有优异的低温韧性。但这两种焊接材料也有缺点，主要表现在以下方面：由于奥氏体焊缝结晶特点，焊接过程中热裂纹敏感性很强，更易出现弧坑裂纹；Ni基合金焊缝金属的熔点一般要比母材低100-150，焊接时熔深较浅，流动
