浅谈LNG储罐中9Ni低温钢焊接

迟润峰

摘 要：9Ni低温钢在实施焊接过程中易出现诸多问题，如冷热裂纹、低温韧性降低、电弧磁偏吹等，这是由于LNG低温储罐9Ni低温钢材料本身的特点造成的。文章对其进行了归纳总结和详细分析，梳理并制定了对9Ni钢在焊接施工过程中的问题的控制措施，并提出了9Ni低温钢材料焊接的控制要点。要有效避免9Ni低温钢焊接过程中易出现的问题，达到预期的施工效果，通过现场实践可知，按照改进的施工方法能够达到目标。

关键词：LNG低温储罐；9Ni低温钢；控制措施；焊接

引言

LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然气的英文缩写。世界上越来越多地出现了LNG储罐的制造，目前我国使用9Ni钢的来源基本依赖进口，并且对其配套焊接材料的研究和开发还比较少。9Ni低温钢现已在国际上广泛应用在LNG储罐方面，然而其关键问题在于9Ni钢的焊接。9Ni钢在民用钢种产品中属于技术难度大、要求高的产品，严重制约了我国LNG工业的发展形成。为此，分析和探讨9Ni钢用于LNG储罐的焊接材料与工艺，具有显著的现实意义和社会效益。

1 9Ni低温钢特性

与普通碳钢相比，9Ni钢属耐低温的合金钢，世界各国普遍采用该材料作为LNG用钢。9Ni钢在-165℃乃至-196℃低温下仍具有较好的强度和韧性，因此其在低温状态下具有抗冲击性能强、低温韧性好的特点，其可焊接性优于一般高强度钢。为了获得良好的低温性能，应严格控制硫、磷的含量，以增加9Ni钢回火脆的敏感性。另外，保持硅和钼元素处于较低的含量，以促进9Ni钢的低温韧性。因此，通过化学成分的最佳搭配以及热处理方法能控制9Ni钢材料的组织。

2 焊接工艺要点

由于9Ni钢的焊接过程易出现磁偏吹现象，因此为了避免此现象的出现影响到焊缝的质量，就要保证9Ni钢中的磁性尽量减小到最低或是没有磁性，则应运用相应的措施来控制。要清除氧化膜与过热层，就一定要运用砂轮进行热切割的钢板边缘的打磨。从钢厂直接订购预制造焊接破口相关的定尺钢板可以减少现场施工周期，在焊接之前利用丙酮清理坡口面与两侧的母材来清除所有的油污。当空气中湿度比较大的时候，钢板表面上易出现冷凝水。为去除冷凝水，在焊接区域应该利用火焰将其加热到40℃-50℃。当环境温度超出15℃时，焊接前则不需进行预热。

3 9Ni低温钢焊接核心技术

3.1 焊接方式

LNG储罐一般情况下容积较大，以致焊接工作量较大。在内罐壁进行立缝焊接操作时，采用手工电弧焊完成组焊，焊接接头形式是开坡口。采用埋弧自动焊（SAW）可提高内罐壁板环缝焊接效率。焊接接头的形式和手工电弧焊一样，也是开坡口。同时，分为手工电弧焊和埋弧自动焊来进行焊接工艺评定试验。如图1、图2所示。

3.2 9Ni低温钢材料

9Ni低温钢在低碳马氏体型低温用钢中，w（Ni）含量为8.5%-9.5%，因此其具有明显的脆性转变温度和体心立方结构。不同化学成分的含量，尤其是Ni和C的含量，决定了9Ni低温钢的低温力学性能，且钢的纯净度及微观组织还决定9Ni低温钢的韧性。要降低Mn、Mo和Cr这几种元素的含量，因为其含量过高会损害钢的低温韧性，一般Mn的质量分数控制在0.6%左右。为降低AC3点、细化晶粒和脆性转变温度，以改善材料低温韧性，钢中还要添加质量分数为9%的Ni，添加少量Cu元素可提高9Ni钢的强度和韧性。此外，为有效地细化晶粒，钢中应加入少量的Nb元素，顺便也可提高材料的低温韧性。此外，因为S和P的存在会降低9Ni钢的低温韧性，所以要严格限制S和P的含量。

3.3 焊材的选择

整个低温储罐的关键是LNG内罐壁板的焊接质量。9Ni钢的焊接有技术含量高、焊接难度大的特点。该种钢在焊接冶金反应作用下，会出现低温性能下降，冷、热裂纹倾向增大并产生脆性相的现象，是因为其组织成分发生了改变。尽管现在已研制出与母材成分相同的焊材，但是现在仍以高Ni合金作为9Ni钢用焊接材料，一般采用镍基合金作为9Ni钢的焊接材料。選择9Ni钢焊接材料，要考虑到以下问题：

（1）9Ni钢用来生产低温设备。焊缝要在低温下进行，焊缝的低温韧性问题要考虑到。

（2）9Ni钢线膨胀系数大。为降低焊接残余应力，在选择焊接材料时，焊缝金属的热膨胀系数要尽量接近9Ni钢的热膨胀系数。

（3）9Ni钢易出现磁偏吹现象，是因其是一种强磁性材料。因此，尽量选用适应交流电源施焊的焊条或焊丝焊剂。连接储罐罐体的焊缝必然经受热膨胀循环，因LNG储罐在运行过程中随工作温度的变化会产生膨胀和收缩。由于是9Ni钢所使用的焊材，其熔敷金属应与母材的线膨胀系数相近，且要满足强度性能及-196℃低温冲击韧性的要求。

3.4 焊接试验

焊接关键技术是9Ni钢的焊接，也是建造低温压力容器的难点。焊接性包括两个方面的内容，结合与使用两个性能。9Ni钢焊接时可能遇到焊接气孔、未熔合、焊接冷、热裂纹、未焊透、变形大、焊接接头低温韧性的降低以及焊接应力和磁偏吹等问题，这些问题与所采用的焊接材料等方面有很大关系。

根据相关国际标准及设计文件所规定的试验要求以及拟定的焊接程序，通过力学性能试验判断该工艺是否满足试验要求，并为了验证在LNG内罐壁板中实施焊接的埋弧自动焊及手工电弧焊工艺是否满足技术要求，测定焊接接头是否具备所要求的性能。现场产品试板的厚度分别为10mm和24.4mm，试板厚度10mm的评定厚度范围为10-20mm，而试板厚度24.4mm的评定厚度范围为范围覆盖内罐壁板所有厚度16-48.8mm。对不同板厚及焊接位置进行焊接工艺评定试验，要按照内罐壁板的实际厚度及坡口形式分别进行。

4 结束语

随着天然气消耗量的日益增加，全球范围内也相继投入使用更多重要的与天然气相关的基础设施项目。针对LNG低温储罐使用的9Ni钢，本文也介绍了9Ni钢在焊接施工时易出现的问题，也提出了解决问题的应对措施。为使9Ni钢在低温设备领域得到更广泛的应用，应严格按照以上措施进行施工，并不断地对9Ni钢焊接性进行研究，对项目施工进行总结。

参考文献

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[2]蔡国强.9Ni钢低温储罐焊接工艺研究[J].机械制造，2008（7）：35-37.

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