LNG儲罐9%Ni鋼立縫全自動焊技術

韋寶成 楊尚玉 郭鷹

摘要：對比分析了目前大型LNG儲罐內(nèi)罐9%Ni鋼立縫對接焊的幾種方法，介紹了DPS-3G全自動焊中TIP-TIG和鐘擺焊接技術的優(yōu)異性，研究認為采用DPS-3G全自動交流氬弧焊接技術，能徹底解決9%Ni鋼窄坡口焊的側壁未熔合的行業(yè)難題，同時-196 ℃低溫沖擊韌性優(yōu)異，焊接接頭性能質(zhì)量可靠，無損檢測一次合格率高，實現(xiàn)了高效率焊接，大幅縮短施工周期，節(jié)約施工成本。

關鍵詞：LNG儲罐;9%Ni鋼;全自動焊;立焊縫;鐘擺焊

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對清潔能源的需求日趨迫切，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）的需求量逐年遞增，構建大型LNG儲罐已成為國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分。LNG儲罐內(nèi)罐主要采用9%Ni鋼制造，該鋼種焊接要求較高[1-2]，目前9%Ni鋼的主要焊接方法有焊條電弧焊（SMAW）、鎢極惰性氣體保護焊（GTAW）、熔化極惰性氣體保護電弧焊（GMAW）和埋弧焊（SAW）[3]。國內(nèi)所有已建及在建的LNG工程，內(nèi)罐壁板現(xiàn)場安裝環(huán)縫已經(jīng)實現(xiàn)了埋弧自動焊，而立縫自動化焊接研究還處于起步階段。文中主要針對LNG儲罐內(nèi)罐9%Ni鋼立縫全自動焊接技術進行了討論。

1 9%Ni鋼立縫對接焊方法比較與選擇

1.1 9%Ni鋼立縫對接焊方法要求

天然氣在-162 ℃低溫下才會液化，因此對于制造LNG低溫儲罐內(nèi)罐的9%Ni鋼性能要求很高，特別是-196 ℃低溫沖擊韌性。同時，儲罐立縫承壓約為環(huán)縫承壓的2倍以上。因此，立縫焊接更為重要，質(zhì)量要求更高。9%Ni鋼立縫對接焊時存在以下要求：

（1）焊接接頭質(zhì)量要求高。LNG儲罐內(nèi)罐直接接觸液態(tài)天然氣，金屬材料在低溫下會發(fā)生脆性斷裂問題。這就要求LNG儲罐內(nèi)罐的對接焊接接頭具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性。同時，要求焊縫金屬與母材具有相當?shù)臒崤蛎浵禂?shù)，且焊縫與母材過渡圓滑，表面無氣孔、裂紋、咬邊等缺陷存在。

（2）一次合格率要求高。LNG儲罐內(nèi)罐用9%Ni鋼板要求-196 ℃低溫韌性優(yōu)良，為了避免多次返修造成鋼板性能的降低，要求每個缺陷區(qū)域最多只能返修一次，X射線檢測拍片的一次合格率必須達到98%以上。LNG儲罐內(nèi)罐用9%Ni鋼板都屬于定制鋼板，生產(chǎn)周期長，一旦出現(xiàn)焊縫返修不合格，整張鋼板報廢，將嚴重影響施工周期。

（3）焊接線能量的控制。9%Ni鋼焊接時選用的焊材Ni含量高達50%以上，焊接線能量較大時焊縫處會出現(xiàn)稀釋、裂紋等問題[4]。焊接線能量和層間溫度的改變會導致焊接熱循環(huán)的峰值溫度相應改變，從而影響熱影響區(qū)（HAZ）的金相組織。文獻[5]指出，逆轉變奧氏體有利于改善9%Ni鋼焊接HAZ的低溫韌性。如果峰值溫度過高，會使逆轉變奧氏體數(shù)量大大減少，并產(chǎn)生粗大的貝氏體，從而降低低溫沖擊韌性[5]。因此，9%Ni鋼焊接時應盡量采用小線能量、多層焊，并嚴格控制層間溫度。

（4）焊接方法操作簡便，人為因素影響小。受現(xiàn)場工況條件、焊接接頭質(zhì)量及一次合格率要求，所采用的焊接方法應降低現(xiàn)場焊接操作對焊工技能的依賴程度，減少人為因素的影響，保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。

（5）全位置焊接能力強。立焊時，熔池金屬和熔滴因受重力作用具有下墜趨勢，容易產(chǎn)生焊瘤，不利于側壁熔合。因此，應選用全位置焊接能力強，立焊成型好、能實現(xiàn)單面焊雙面成形的焊接技術和工藝。

1.2 焊接方法選擇

為獲得成形美觀、焊接線能量小、力學性能良好的焊接接頭，從焊接設備、控制、焊接工藝制定等多方面入手進行分析。

（1）焊條電弧焊（SMAW）。它是一種非常普遍、易使用的焊接方法。其不足之處在于電弧長度取決于焊工，焊接時易出現(xiàn)電弧不穩(wěn)現(xiàn)象，容易出現(xiàn)氣孔、夾渣、咬邊等焊接缺陷。目前國內(nèi)外9%Ni鋼立縫普遍采用SMAW焊接工藝，該工藝對焊工依賴性高，焊接質(zhì)量存在風險的可能性較高。SMAW無法實現(xiàn)自動化焊接。

（2）熔化極氣體保護焊（GMAW）。它是一種高電流密度焊接方法，可獲得較高的焊接速度和熔敷率，焊接過程易于實現(xiàn)自動化。但電弧不穩(wěn)定、飛濺大等原因造成熔池的冶金過程不穩(wěn)定，導致形成的焊縫性能和質(zhì)量都較差，一般重要結構的焊接都不采用GMAW焊。國內(nèi)翁大龍等[6]采用φ（Ar）90%+φ（He）10%的混合氣體對9%Ni鋼立縫的GMAW焊接工藝進行試驗研究，熔合線附近-196 ℃低溫沖擊功較低，低于70 J。目前，GMAW焊主要用于LNG儲罐外罐的焊接及內(nèi)罐部分零件焊接。

（3）藥芯焊絲電弧焊（FCAW）。它是一種氣渣聯(lián)合保護的焊接方法，焊縫成形較好，熔敷效率高，焊接過程易于實現(xiàn)自動化。但是，其電弧穩(wěn)定性較差，且焊絲制造復雜，成本高。目前大型LNG儲罐內(nèi)罐9%Ni鋼FCAW的焊接工藝應用來自國外，國內(nèi)未見相關報道。國內(nèi)蘇衍福等人采用FCAW對9%Ni鋼進行了立縫半自動焊接工藝進行試驗研究，焊后表面存在微小的氣孔、裂紋，需要打磨處理[7]。文獻[8]提出，用于大型LNG儲罐內(nèi)罐9%Ni鋼立縫的FCAW焊接工藝，以及簡易的自動焊輔助工作倉，已應用于大型LNG低溫儲罐的安裝制造，但未見進一步報道。

（4）埋弧焊（SAW）。它是一種電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法，焊接效率高、焊縫質(zhì)量高、勞動條件好、易實現(xiàn)自動化。SAW焊接線能量一般較大。由于焊接中必須使用焊劑，一般只適用于水平位置或傾斜度不大的焊縫。目前國內(nèi)外LNG儲罐內(nèi)罐環(huán)縫的焊接主要采用SAW。

（5）鎢極惰性氣體保護焊（GTAW）。其優(yōu)點是：電弧可見、焊接質(zhì)量高且易控制、焊接線能量小、熱量集中、電弧挺度高，全位置焊接能力強、焊接接頭成形美觀，易于實現(xiàn)自動化。但傳統(tǒng)的GTAW焊金屬熔敷效率低、生產(chǎn)率低，難以滿足大型LNG儲罐建設的要求。

（6）TIP-TIG焊。TIP-TIG焊是一種振動送絲和熱絲的TIG焊技術，其焊接線能量小、焊接接頭質(zhì)量高，生產(chǎn)效率高，熔敷效率甚至比脈沖MIG焊高20%[9]。2017年，國內(nèi)某LNG接收站首次采用TIP-TIG半自動焊工藝完成了低溫管道的焊接施工，合格率高達99.71%。路書永[3]采用TIP-TIG半自動焊進行了9%Ni鋼板立縫焊接工藝實驗研究，證明了該焊接工藝的優(yōu)越性和可行性。2019年，寧波某大型LNG儲罐項目針對9%Ni鋼立焊縫首次采用TIP-TIG焊接工藝，實現(xiàn)了9%Ni鋼立縫的TIG半自動焊接。李連波等人[10]通過開發(fā)簡易的裝置進行9%Ni鋼全自動TIP-TIG立焊焊接工藝開發(fā)，證明了TIP-TIG用于9%Ni鋼立縫全自動焊的可行性，但仍存在側壁未熔、裝備簡陋等諸多問題，距實現(xiàn)9%Ni鋼立縫全自動焊接仍有大量工作要做。鄭立娟等人[11]研究了9%Ni鋼的SMAW、SAW和GTAW焊接工藝與機理，認為壁板的立焊位置最好采用SMAW或GTAW方法。閆強強等人[12]對窄間隙TIG旋轉電弧的9%Ni鋼自動立焊技術進行了試驗研究，獲得的適用電流范圍窄，表面成形一般，且并未做過采用ER NiCrMo-3焊絲焊接接頭的力學性能試驗，特別是-196 ℃低溫沖擊韌性試驗，此方法有待進一步考證。

通過上述對比分析發(fā)現(xiàn)，TIG焊在所有電弧焊中電弧最穩(wěn)定，焊接線能量小，焊接質(zhì)量高，全位置焊接能力強，焊接接頭成形美觀，可單面焊雙面成形，易于實現(xiàn)自動化;除此之外，TIP-TIG焊焊效率高，特別適合9%Ni立縫全自動焊接。為此，國內(nèi)西安某公司在TIP-TIG焊接方法基礎上，結合窄坡口氬弧鐘擺焊接技術，研制出適用于大型LNG儲罐內(nèi)罐立焊的DPS-3G全自動焊接系統(tǒng)，并在3.5 m×6 m×10 mm的9%Ni鋼板上進行了驗證性試驗。

2 9%Ni鋼立縫DPS-3G全自動焊焊接技術

2.1 焊接材料選擇

為了保證9%Ni鋼焊接接頭的綜合性能，特別是-196 ℃低溫韌性;同時焊材熱膨脹系數(shù)與母材匹配，避免產(chǎn)生較大的應力[13]，9%Ni鋼焊接應選用低碳、高鎳（含鎳量高達50%以上）的焊材。大型LNG儲罐內(nèi)罐用9%Ni鋼環(huán)縫焊接主要選用ER NiCrMo-3和ER NiCrMo-4這兩種焊絲，并且這兩種焊材來源廣泛。9%Ni鋼立縫全自動焊用焊材擬采用直徑φ1.0 mm的AWS A5.14 ERNiCrMo-4焊絲。保護氣體（包括背保護氣體）為純度99.99%氬氣。

2.2 坡口加工

9%Ni鋼立縫全自動焊坡口設計有兩種：板厚小于15 mm的為單邊U型坡口，厚度大于等于15 mm的為雙邊U型坡口，具體尺寸如圖1所示。坡口加工采用成形刀，可保證圓弧角R2，坡口角度8°，鈍邊長度1.5 mm。LNG儲罐內(nèi)罐用9%Ni鋼板坡口加工可在鋼廠完成，坡口加工設備為普通的GMMA-60L銑邊機，設備簡單，加工精度高，鈍邊厚度加工精度可達2.0±0.2 mm。

2.3 組對安裝

組對前，將坡口兩側25 mm范圍內(nèi)打磨光亮，露出金屬光澤，并用酒精清理干凈油污。為了組對方便，LNG儲罐內(nèi)罐9%Ni鋼立縫自動化焊接工藝采用零間隙組對方式。同時，為了適應現(xiàn)場工況，經(jīng)試驗驗證：全自動焊打底可適應的最大間隙為3.0 mm，射線和性能檢測均合格。

2.4 焊前準備

大型LNG儲罐內(nèi)罐安裝是在封閉的環(huán)境中作業(yè)，因此不會受天氣因素影響。焊前無需預熱，當空氣濕度較大時，焊接區(qū)應用火焰適當加熱，除去鋼板表面的冷凝水。焊前應對設備進行全面檢查：水、電、氣路是否暢通，設備運行是否正常。

2.5 DPS-3G全自動焊接工藝特點

根據(jù)相關試驗研究，大型LNG儲罐內(nèi)罐9%Ni鋼立縫全自動焊采用小線能量、多層焊技術。其焊接工藝特點如下：

（1）全位置焊接能力強，成型好。TIP-TIG焊是一種先進的TIG焊接技術，具有優(yōu)異的全位置焊接能力。在立焊位置，打底根焊，可實現(xiàn)良好的單面焊雙面成形，基本可免除清根和打磨工序;填充、蓋面焊，可實現(xiàn)優(yōu)良理想的表面成形，基本免除層間修理打磨和蓋面修理打磨工序。從而免去了清根和大量的打磨工作，大幅減少因清根和打磨質(zhì)量問題造成的焊接質(zhì)量缺陷及污染;同時，大幅提高施工功效?，F(xiàn)場施工作業(yè)統(tǒng)計表明，焊條電弧焊的清根和打磨的工時消耗約為其焊接工時消耗的約75%。

（2）U型窄坡口。該坡口設計為零間隙組對，能有效減少填充量，提高焊接效率，也方便組對。與傳統(tǒng)SMAW相比，U型窄坡口設計可節(jié)約30%以上焊材，大幅降低施工成本。

（3）鐘擺焊技術。LNG儲罐內(nèi)罐9%Ni鋼立縫DPS-3G全自動焊焊接系統(tǒng)特有的鐘擺焊技術能使焊槍的擺動角度達到±30°，可增大鎢針與坡口側壁之間夾角，有利于熔池金屬在坡口側壁實現(xiàn)良好鋪展，實現(xiàn)側壁的充分熔合，解決了窄坡口氬弧焊側壁未熔的行業(yè)難題，大幅提高焊接質(zhì)量和效率。

（4）坡口組對適應性強。DPS-3G全自動焊接工藝可適應的組對間隙為0～3 mm，錯邊量0～2 mm;相比其他自動焊，對坡口加工精度和安裝組對的適應性更強。目前，施工現(xiàn)場鋼板預制和坡口加工精度與安裝組對精度基本滿足DPS-3G自動焊工藝對安裝組對的要求。

（5）多層單道焊。多層單道焊的焊接線能量小，工藝簡單、可靠、穩(wěn)定，層間成型優(yōu)良。此外，多層焊時后道焊縫對前道焊縫有充分的正火/回火作用，能細化晶粒;前道焊縫的余熱對后道焊縫起一定的預熱作用，能降低焊接應力。

（6）高質(zhì)量、高效率。采用LNG儲罐內(nèi)罐9%Ni鋼立縫DPS-3G全自動焊接工藝獲得的焊接接頭性能優(yōu)異，特別是-196 ℃低溫沖擊功，達到規(guī)范要求值的2倍以上。對于板厚22.5 mm、長1 m的9%Ni鋼板全自動焊接試件，估算全自動焊接完成3.5 m長立縫焊接用時4.8 h，而實際工程中焊條電弧焊完成一道長3.5 m立焊縫需要20 h。LNG儲罐內(nèi)罐9%Ni鋼立縫全自動焊接工藝大大縮短了施焊時間，同時降低了人工成本。

（7）抗磁偏吹效果好。選用交流軟方波電源，有效減弱連續(xù)自動焊造成的電弧磁偏吹，具有良好的焊接工藝性，降低了產(chǎn)生焊接缺陷的風險。

（8）優(yōu)異的焊接保護。焊槍采用復合氣罩雙路氣體保護，增大了保護區(qū)域面積，對焊接區(qū)域?qū)崿F(xiàn)優(yōu)良的保護，能獲得具有亮白色金屬光澤的焊縫。保護效果優(yōu)異，焊接接頭成形好、質(zhì)量高。

此外，LNG儲罐內(nèi)罐9%Ni鋼立縫DPS-3G全自動焊接工藝還具有：采用立向上焊工藝，增加熔深，有利于減少未熔合;自動化程度高，操作方便等特點。

3 結論

通過對比分析目前大型LNG儲罐內(nèi)罐用9%Ni鋼焊接方法可知，采用DPS-3G全自動焊接工藝進行9%Ni鋼立縫焊接，不僅降低了人為因素對焊接接頭質(zhì)量的影響，獲得了質(zhì)量穩(wěn)定可靠、成形美觀的焊接接頭，同時還能提高效率降低成本。目前，國內(nèi)大型LNG儲罐內(nèi)罐用9%Ni鋼立縫全自動焊接技術還處于發(fā)展初期，業(yè)內(nèi)期望有一種成熟可靠的自動焊接技術從根本上提高立縫的焊接質(zhì)量水平和焊接效率，減少對焊工的依賴，降低焊工勞動強度，為此，還需繼續(xù)進行大量研究工作。

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