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1、9Ni钢10000m3乙烯低温储罐焊接技术梅 晔（中化工程第六建设公司，湖北襄樊，441021 ）为了适应乙烯原料供应日益市场化、国际化的趋势，锦丰乙烯有限公司在渤海之滨的锦州港内投资新建了一套乙烯仓储中转装置。其中，9Ni钢制作的1万m3双层夹套结构乙烯低温储罐是工程的核心和难点。1980年我国曾从法国引进7台同类材料的球罐，1995年首次建造同类型大型低温贮罐，锦丰储罐为目前国内的第三台（见表1）。针对9Ni钢焊缝易产生冷热裂纹、低温韧性下降和焊接电弧磁偏吹三大技术难题，在总结以往经验教训的基础上，我们逐渐摸索出了一套焊接施工方法，保证了工程焊接质量和进度，达到了满意的效果。表1 国内现有
2、三台低温贮罐概况 项 目序 号施工地点建设单位施工单位储存介质内罐材料外罐材料悬浮甲板材料1南京扬子石化公司中石化二公司乙烯Ni9钢A283（其中一带壁板与底板为Ni9钢）铝板2上海金山石化公司中石化二公司液化气Ni9钢混凝土Ni53锦州锦丰乙烯有限公司中化六公司乙烯Ni9钢国产16Mn钢Ni9钢1 工程概况及主要施工方法 锦丰1万m3乙烯低温储罐是德国乔特波气体工程公司（以下简称TGE）设计、监造，设计工作温度-106。罐体分内、外两层，外罐包括罐壁板、底板、球形拱顶结构及球壳板，均采用国产16Mn钢制造。内罐（包括壁板和底板）和悬浮甲板采用9Ni钢制作，内罐壁板共9带，其中壁厚8.5mm、
3、7.5mm、6.5mm壁板各1带,壁厚6.4mm壁板6带,并有6道8.5mm9Ni钢,加强圈布置于罐内壁,见图1；内罐底板为5.0mm厚的9Ni钢,边缘板厚度8.5mm；悬浮盖板为5.0mm厚9Ni钢制成,并有三圈9Ni钢加温筋，厚度为20mm、10mm。 设计选用的9Ni钢为美国（ASTM）A353，供货为状态正火+正火+回火（以下简称NNT），第一次正火为900空冷，第二次正火为780空冷，回火温度580，回火后急冷，NNT处理后的金属组织为马氏体+贝氏体，因此具有较好的低温冲击韧性。 现场组对过程中，内、外罐底板均用散装拼焊法配合防变形措施，外罐壁板采用液压顶升倒装法，内罐壁板为正装法。
4、在内罐9Ni钢焊接施工中，以强化材料管理为基础，采取严格的工序控制，针对影响9Ni钢焊接质量的诸因素，采取措施改善焊接条件，提高焊接质量。9Ni钢焊接工序控制流程见图3。1、 无损检验2、 总体试验3、 产品试车检验1、 主材管理2、 焊接材料管理1、 技术准备2、 方案选定3、 工机具准备焊接质量检验焊接现场管理材料现场管理焊工培训与考试焊接工艺评定准备工作 图3 9Ni钢焊接工序控制图2 施工前准备工作2.1 9Ni钢焊接质量影响因素的确定2.1.1 9Ni钢在NNT供货状态下具有较好的低温性能，但在焊接冶金反应和热循环的作用下，熔合线的成分及热影响区的组织均将发生变化，破坏了材料的原始热
5、处理状态，使低温性能下降，脆性组织生成，呈现较大的冷裂倾向。2.1.2 由于焊缝金属中奥氏体几乎占100%，无第二相存在，因此抗热裂纹能力较差；2.1.3 9Ni钢磁化倾向较大，电弧的磁偏吹将严重影响焊接质量，甚至会影响焊接的正常进行。因此，焊接金属和母材的冷热裂纹倾向，焊接冶金反应和热循环造成的低温韧性下降以及母材的磁化倾向诸因素，是影响9Ni钢焊接质量的主要原因，国内施工单位，缺乏使用经验，制约了9Ni钢的推广应用。2.2 9Ni钢焊接缺陷的预防方案2.2.1 冷热裂纹倾向的预防专业理论认为，冷裂纹产生的原因是应力、淬硬组织和焊缝金属扩散氢含量；热裂纹的产生则与应力、杂质和化学成分有关。有
6、关专家曾对不锈钢焊条，如TH17/15TTW与ENiCrMo-6镍合金焊条焊接9Ni钢后的裂纹倾向进行比较，发现ENiCrMo-6镍合金焊条具有如下特点：（1） ENiCrMo-6焊条中的镍合金与9Ni钢在室温和高温下的线胀系数基本相近，从而避免因不均匀的热胀冷缩造成的热应力；（2） ENiCrMo-6镍合金焊条中含Ni量高达55%-66%，含碳量与9Ni钢相同，均为低碳型，考虑母材对焊缝金属的稀释作用，仍有足够高的奥氏体组织避免熔合线出现硬脆马氏体带；（3） ENiCrMo-6镍合金焊条具有低碳性（含碳量保持在0.05%左右，在Fe-C状态图中处于很小的“脆性温度区间”）以及高纯度（含S0.
7、03%,P0.02%）,低含氢量等特性。 由此可见，ENiCrMo-6镍合金焊条的使用可提供降低9Ni钢焊缝冷、热裂纹倾向的基本条件。同时说明，在严格控制扩散氢含量的条件下，选用ENiCrMo-6镍合金焊条可基本避免9Ni钢的焊接冷、热裂纹倾向。2.2.2 接头部位低温韧性的保证焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区，采用ENiCrMo-6镍合金焊条焊接9Ni钢时，每个区域的化学成分和金相组织各不相同。其中焊缝金属为奥氏体组织，具有良好的低温韧性；在熔合区由于焊条的含碳量与9Ni钢相同，含Ni量高达55%以上，可有效阻止碳迁移，避免熔合区产生脆性组织，从而保证熔合区低温韧性；热影响区，在1100以
8、上峰值温度的热循环作用下，会产生粗大的马氏体和贝氏体组织，逆转奥氏体减少，使低温韧性下降。因此，尽量控制线能量并采用多道焊，以减少高温停留时间。另有资料表明，9Ni钢的低温脆性转变温度VTrS随焊接接头（540）的冷却速度WC的增大而下降，见图2。 由此可见，采用ENiCrMo-6镍合金焊条焊接9Ni钢时，焊接接头的低温韧性主要取决于焊接热输入和焊缝金属结晶过程的冷却速度。2.2.3 焊接电弧磁偏吹的清除9Ni钢是一种磁化倾向较大的材料。由于电弧是一种离子流，钢材的磁性会造成电弧的磁偏吹，并将严重影响焊接质量，造成未焊透，未熔合，夹渣、气孔等缺陷，严重时甚至无法施焊。国外使用直流焊机焊接磁化倾
9、向较大的钢材时，先要用几组磁铁消磁，既麻烦，又增加成本影响工期。使用交流焊机时，由于电流方向每秒变换100次，避免了电弧的磁偏吹现象。ENiCrMo-6镍合金焊条药皮属于交直流两用型，可以使用交流焊机，但为了保证电弧稳定燃烧，焊机必须具有较高的空载电压。3 焊接工艺评定锦丰9Ni钢乙烯低温储罐施工，与A353钢有关的工艺评定包括：A353与A353、A353与A312TP304两项，前一项用于壁板焊接，后一项为接管与下层壁板及接管加强板焊接。9Ni钢乙烯低温储罐的设计和施工采用的规范为API620，焊接工艺评定标准选用ASME第IX篇，在平、立、横、仰四个位置中，立焊位置（3G）的输入热最大，
10、低温冲击性能最差，因此用立焊作为评定位置，评定结果见表3。表3 A353钢材焊接工艺评定结果母材板厚焊条焊接规范RT接头机械性能方法电流（A）电压（V）速度（cm/min）输入热KJ/cmASME-Vb（Mpa）纵向弯曲VEK（J）(-196）A353标准69082518014A353+A3536.4ENiCrMo-6 2.6手工立焊3层407020245.26.89164张合格690710面弯背弯45 46 52 53 52 48A353+A35310ENiCrMo-6 3.2手工立焊3层609020245.47.510214张合格730733面弯背弯72 68 63 64 78 68A35
11、3+A312TP30410ENiCrMo-6 2.6手工立焊3层609020245.57.210194张合格650650面弯背弯46 54 53 66 65 62 130 106118工艺评定中,对A353钢的焊接进行了金相检验和硬度测定,当E值为1019KJ/cm时,焊缝和熔合区为奥氏体组织,热影响区主要为马氏体+少量贝氏体,母材为马氏体+弥散奥氏体,见表4、图6。表四 A353钢材焊缝区的组织与硬度部 位金相组织晶粒度焊缝硬度（HB）焊缝中心奥氏体1级左右170200热影响区粒状贝氏体+低碳马氏体2级300350母材马氏体+弥散奥氏体8级以上2392474 材料现场管理4.1 9Ni钢材料
12、现场管理4.1.1 9Ni钢板材、半成品现场实行按批号、按规格，分类上架堆放，预制成形板料采用胎具支架存放，严禁9Ni钢材料直接置于潮湿地面。4.1.2 现场所有材料采用色标标识跟踪法管理，如现场材料中：Q235A材料为白色，16Mn材料为红色，A36mod为红白相间，9Ni钢为黄色。4.1.3 现场所有材料使用过程中采取跟踪式管理，并按实际情况绘制“材料使用跟踪布置图”。4.1.4 9Ni钢板材下料必须严格按照经核算的外方排版图进行套裁，严禁随意下料。4.1.5 9Ni钢板材不得随意点焊、引弧、焊接卡具；4.1.6 9Ni钢材料现场切割余料必须集中堆放，并逐一用黄色油漆作标记移植。4.2 E
13、NiCrMo-6(TK-110)焊材管理4.2.1 ENiCrMo-6(TK-110)焊条采用专人专库管理,经技术交底后,施焊人员和相关管理人员应熟识T-110焊条识别标记;4.2.2 焊条库设置符合相关管理规定,库内温度不得低于10,相对湿度不大于60%,并做好记录；4.2.3 焊条使用前再干燥（300350）1小时，烘干后放置于恒温干燥箱内（110150）；焊接使用时必须置于手提式通电保温桶中，桶内温度至少保持在50160；焊条置于空气中4小时，必须回炉再干燥，再干燥不得超过一次。4.2.4 建立并完善焊条发放、回收管理制度，形成如下保证体系： 计划 出库 发放焊工工焊条烘烤员材料员焊接工
14、程师焊接工程师 反馈 统计 回收4.2.5 强化焊条头回收制度。每支回收焊条头不得超过50mm长，焊条领用时采取以旧（焊条头）换新（焊条）形式，并辅以奖罚制度，防止用错和浪费。5 焊接现场管理经过充分的技术准备、方案比较以及焊接工艺评定的验证，虽然我们在理论上对采用ENiCrMo-6镍合金焊条焊接9Ni钢薄板的特点有了充分认识，对采用空载电压较高的交流电焊机焊接可有效控制电弧磁偏吹有了较大把握，但是现场情况却是非常复杂的。特别是施工地点处于海边填海区，风大湿度大，施工条件极其恶劣，施工期间又近冬季，如果放松质量控制，不仅易造成裂纹等质量问题，更无法保证施工任务的顺利完成。为此，我们采取了相应管理措施。5.1 每名9Ni钢施焊焊工必须经外方考试合格持证上岗，无证人员不得参与9Ni钢焊接；5.2 从严执行焊条的二级库保管、烘烤，发放回收、复烘等制度；5.3 开展攻
