06Ni9鋼埋弧自動(dòng)橫焊技術(shù)探討

魏 明，胡建平，江 強(qiáng)

（中國(guó)石油天然氣第六建設(shè)公司，廣西桂林 541004）

0 引言

江蘇LNG接收站工程是中國(guó)石油首批開工建設(shè)的LNG接收站工程之一，是國(guó)家發(fā)改委核準(zhǔn)的重點(diǎn)工程，也是國(guó)內(nèi)第一個(gè)自主設(shè)計(jì)、自主采辦、自主施工、自主管理的LNG接收站項(xiàng)目。LNG儲(chǔ)罐由中國(guó)寰球工程公司設(shè)計(jì)采辦，在國(guó)內(nèi)是首次采用太鋼研發(fā)的06Ni9鋼板作為內(nèi)罐材料，我公司負(fù)責(zé)LNG儲(chǔ)罐主體施工。江蘇LNG項(xiàng)目2臺(tái)16萬(wàn)m3的低溫LNG儲(chǔ)罐于2011年5月24日正式投用，目前設(shè)備運(yùn)行良好，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LNG低溫儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)示意

1 06Ni9鋼性能簡(jiǎn)介

首批06Ni9鋼由太原鋼鐵 （集團(tuán)）有限公司生產(chǎn)，2007年1月通過(guò)全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組織的材料評(píng)審。由于項(xiàng)目開工前國(guó)內(nèi)尚無(wú)9%Ni鋼的材料標(biāo)準(zhǔn)，太鋼根據(jù)中國(guó)寰球工程公司江蘇LNG項(xiàng)目對(duì)9%Ni鋼的技術(shù)要求編制了Q/太新113-2008企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于9%Ni鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能的對(duì)比見(jiàn)表1和表2。

可見(jiàn)太鋼Q/太新113-2008標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)06Ni9鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能規(guī)定也滿足國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 06Ni9鋼埋弧自動(dòng)焊焊接工藝

2.1 焊接電源的選擇

根據(jù)LNG低溫儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，江蘇LNG項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐內(nèi)罐壁板環(huán)縫采用LINCOLN Power Wave AC/DC-1000交直流兩用埋弧自動(dòng)焊機(jī)，考慮到首次采用國(guó)產(chǎn)06Ni9鋼作為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐內(nèi)罐壁板材料，為避免直流電源模式導(dǎo)致06Ni9鋼板磁化，影響儲(chǔ)罐焊接施工，因此采用交流焊接模式。

表1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)9%Ni鋼化學(xué)成分對(duì)比/%

表2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)9%Ni鋼力學(xué)性能對(duì)比

2.2 焊接材料的選擇

06Ni9鋼為低碳馬氏體低溫鋼。保證焊接接頭的低溫韌性是關(guān)鍵，通?？梢圆捎肗i基、Fe-Ni基和Cr-Ni奧氏體不銹鋼三種類型。其中Fe-Ni基材料低溫韌性好，線膨脹系數(shù)與9%Ni鋼相近，但是屈服強(qiáng)度偏低；奧氏體不銹鋼成本低，屈服強(qiáng)度高，但是低溫韌性差，線膨脹系數(shù)與9%Ni鋼存在較大差異，無(wú)法滿足大型LNG低溫儲(chǔ)罐的力學(xué)性能要求；采用Ni基材料是最理想的選擇。由于06Ni9鋼剛研發(fā)成功，國(guó)內(nèi)焊材廠商提供的Ni基焊材焊接工藝性能較差，且同樣沒(méi)有與Ni9鋼配合使用的工程先例。因此，項(xiàng)目部決定采用德國(guó)伯樂(lè)公司的 Thermaint Nimo C276（ERNiCrMo-6）焊絲和Marathon 104焊劑配合進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)，焊接材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表3、表4和表5。

表3 焊接材料化學(xué)成分/%

表4 焊接材料力學(xué)性能

表5 Marathon 104焊劑主要組成/%

2.3 焊接工藝評(píng)定試板的選擇

本項(xiàng)目所需儲(chǔ)罐壁板厚度為27.5～12 mm，根據(jù)EN 15614-1-2004 《焊接工藝評(píng)定》的相關(guān)要求，選取厚度為23 mm和12 mm的兩種鋼板作為試板材料，規(guī)格分別為1 500 mm×250 mm×23 mm和1 500 mm×250 mm×12 mm，材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表6、表7。

表6 焊接工藝評(píng)定鋼板化學(xué)成分 （例值）/%

表7 焊接工藝評(píng)定鋼板力學(xué)性能 （例值）

2.4 坡口型式的選擇

坡口型式根據(jù)LNG內(nèi)罐壁板坡口設(shè)計(jì)圖紙選取，如圖2所示。

圖2 焊接工藝評(píng)定試板坡口型式

2.5 焊接工藝參數(shù)

06Ni9鋼焊接時(shí)應(yīng)合理選擇焊接工藝參數(shù)，選擇合適的焊接電流和焊接速度是控制焊接熱輸入的關(guān)鍵，焊接電流過(guò)大會(huì)影響焊縫的低溫韌性，焊接電流過(guò)小則導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。因此，在焊接電流與焊接速度之間選擇合理的配比十分重要，采用的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表8。焊接過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接排道工藝，控制單層焊道厚度≤4 mm，焊接過(guò)程中層間溫度控制在150℃以下。

表8 06Ni9鋼埋弧自動(dòng)焊的焊接工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)結(jié)果

3.1 拉伸試驗(yàn)

按照EN 895-1995《金屬材料焊縫處的破壞性試驗(yàn)——橫向拉伸試驗(yàn)》對(duì)埋弧自動(dòng)焊焊接接頭做橫向拉伸試驗(yàn)，并按BS 7777-1-1993《低溫用平底、立式、圓柱形儲(chǔ)罐》附錄B要求讀取屈服強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件要求。

表9 埋弧自動(dòng)焊橫焊橫向拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 彎曲試驗(yàn)

由于06Ni9鋼焊縫金屬為奧氏體組織，與06Ni9鋼母材存在較大差異，為了更準(zhǔn)確地反映焊接接頭的韌性，對(duì)06Ni9鋼埋弧自動(dòng)焊焊接接頭按照ASME IX 2007做縱向彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9，試驗(yàn)結(jié)果滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件要求。

3.3 低溫沖擊試驗(yàn)

低溫沖擊試驗(yàn)按照EN 10045-1-1990《金屬材料的夏比沖擊試驗(yàn)》進(jìn)行，并滿足BS 7777-2-1993《低溫設(shè)備用平底、立式、圓柱形儲(chǔ)罐》相關(guān)規(guī)定。試驗(yàn)溫度為-196℃。低溫沖擊試驗(yàn)的位置包括焊縫金屬、熔合線、熔合線+2 mm、熔合線+5 mm。圖3為SAW-23和SAW-12兩組試件的沖擊試驗(yàn)結(jié)果，最低值在SAW-23熔合線位置為58 J，所有試驗(yàn)數(shù)值滿足設(shè)計(jì)文件規(guī)定的最低低溫沖擊值55J、側(cè)向膨脹值 ＞0.38mm的要求。

圖3 SAW-23和SAW-12焊接接頭低溫沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 硬度試驗(yàn)

按照EN 1043-1-1996《金屬材料焊接的破壞試驗(yàn)——硬度試驗(yàn)》要求進(jìn)行接頭硬度試驗(yàn)，硬度測(cè)試位置如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10，所有數(shù)值滿足HV10≤450的要求，接頭硬度較高的位置在熱影響區(qū) （HAZ）的中部。

圖4 焊接接頭硬度檢測(cè)位置

3.5 接頭金相試驗(yàn)

按照EN 1321-1997 《金屬材料焊縫的破壞試驗(yàn)——焊縫宏觀和微觀檢驗(yàn)》要求完成金相試驗(yàn)，接頭圖片如圖5所示，宏觀金相檢驗(yàn)合格。

表10 SAW-23和SAW-12焊接接頭硬度試驗(yàn)數(shù)值

圖5 接頭金相試驗(yàn)圖片

4 06Ni9鋼埋弧自動(dòng)焊焊接過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題及對(duì)策

06Ni9鋼在焊接冶金反應(yīng)和熱循環(huán)的作用下，其組織和成分會(huì)改變，產(chǎn)生脆性相，低溫韌性下降，冷熱裂紋傾向增加，采用高Ni基焊材時(shí)氣孔產(chǎn)生機(jī)率也會(huì)隨之增加。

4.1 熱裂紋

熱裂紋的產(chǎn)生與焊縫金屬結(jié)晶過(guò)程中的低熔點(diǎn)雜質(zhì)偏析的數(shù)量及分布有關(guān)，必須有針對(duì)性地提高焊材技術(shù)要求，嚴(yán)格控制S、P的雜質(zhì)含量，每批焊材均需要廠方進(jìn)行工藝性試驗(yàn)并提交材料試驗(yàn)報(bào)告。

4.2 低溫韌性降低

為保證焊縫具有較高的低溫韌性，在焊接過(guò)程中必須控制焊接線能量和層間溫度，過(guò)高的線能量輸入使熱影響區(qū)組織逆轉(zhuǎn)，奧氏體減少，產(chǎn)生粗大的貝氏體。因此，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接作業(yè)的技術(shù)交底，嚴(yán)格控制焊接層道的寬度、厚度，避免氣刨清根，采用不銹鋼砂輪片打磨，防止?jié)B碳。

4.3 氣孔

埋弧自動(dòng)焊焊接過(guò)程中氣孔主要出現(xiàn)在焊縫表面層。主要原因一方面是高Ni基焊材本身的合金成分較高，熔敷金屬的流動(dòng)性較差，焊接時(shí)產(chǎn)生的氣體在熔池內(nèi)部不容易逸出，致使氣孔出現(xiàn)的機(jī)率相對(duì)較高，參見(jiàn)如下反應(yīng)式：另一方面原因是罐內(nèi)濕度較大，尤其是早上和夜間容易形成霧氣，導(dǎo)致焊劑吸潮。

針對(duì)第一種情況在焊接過(guò)程中可以適當(dāng)增大焊接電流；針對(duì)第二種情況要嚴(yán)格控制焊劑的烘焙、領(lǐng)用、回收過(guò)程，避免當(dāng)天未用完的焊劑存留在焊機(jī)內(nèi)過(guò)夜；還可以在焊縫打磨完成后增加焊縫表面的PT檢查工序。

4.4 條渣、條孔

條渣、條孔是埋弧自動(dòng)焊最容易出現(xiàn)的缺陷，占返修片的80%以上，主要出現(xiàn)在儲(chǔ)罐前3圈環(huán)縫，這主要與焊工焊接作業(yè)的熟練程度有關(guān)，包括對(duì)工藝指導(dǎo)書中焊接工藝的掌握。隨著焊工對(duì)焊接作業(yè)逐漸熟練，該類缺陷隨之減少。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用合理的埋弧自動(dòng)焊焊接工藝，我公司圓滿地完成了兩臺(tái)LNG低溫儲(chǔ)罐內(nèi)罐環(huán)縫的埋弧自動(dòng)焊焊接工作，環(huán)縫累計(jì)RT檢測(cè)17356張，其中一次合格的有17 117張，焊接一次合格率達(dá)到98.62%。

通過(guò)兩臺(tái)LNG低溫儲(chǔ)罐的埋弧自動(dòng)焊焊接施工，使我公司更加深入了解國(guó)產(chǎn)06Ni9鋼的焊接特性，掌握了大型LNG低溫儲(chǔ)罐埋弧自動(dòng)焊施工技術(shù)，施工能力得到了進(jìn)一步提升。

[1]中國(guó)工程機(jī)械學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（第2卷）材料的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]API 620-2002，大型焊接低壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建造[S].

[3]劉祥儒.9Ni鋼低溫儲(chǔ)罐焊接施工經(jīng)驗(yàn)與工藝問(wèn)題探討[J].石油工程建設(shè)，1997，（5）：14-18.