LNG储罐9Ni钢环缝TT自动焊焊接工艺

郭 鹰，杨尚玉，周 聪，阮见峰，夏福龙

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

0 前言

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）作为一种运用普遍、全天然的深冷液体燃料，在日常生活、发电及车用等诸多方面广泛涉及［1］。伴随着国家能源政策的不断倾斜，LNG接收站储气设施的扩建步伐明显提速，LNG储罐是其中极为重要的一环。EN 10028 X7Ni9［2］是一种适用于-196 ℃使用的低碳调质钢，具有强度高、低温韧性好、热胀系数小、经济性较高等优点，目前国际上普遍采用其作为LNG内罐的建造材料［3］，其焊接工艺方法直接关乎LNG储罐的建造质量。

目前在LNG储罐内罐环缝自动焊接主要采用埋弧焊，存在几方面问题：盖面余高及清根打磨量大，焊材浪费严重［4-6］；粉尘噪声污染严重；需要碳弧气刨清根，由于操作工技能水平不一、刨削速度和碳棒送进速度不稳、压缩空气压力偏小、碳棒镀铜质量不好等因素影响，容易出现夹碳、粘渣、铜斑及渗碳等问题，影响焊缝的性能质量［7-8］。

为了提高焊接施工质量，适应市场多样化需求，贯彻国家低碳环保、清洁能源理念，中海油自主研发了LNG储罐内罐环缝全自动TT焊接系统，并对9Ni钢板的环缝TT焊接工艺进行深入研究，开发出了一套LNG储罐内罐环缝TT全自动氩弧焊接工艺。应用此工艺完成的焊缝，其焊接接头性能完全符合标准设计要求，且更节省焊材。

1 焊接难点及解决措施

LNG储罐内罐环缝焊接长度约占整罐焊缝总长度的80%，焊接质量要求高，同时由于环缝焊接位置的特殊性导致焊接成形困难，对焊接工艺的开发造成很大挑战。

（1）低温冲击韧性要求高。

LNG储罐内罐焊接要求焊接接头-196℃低温冲击功不低于70 J。焊接热输入、层间温度是影响低温韧性的主要因素。全自动TT环缝焊接系统采用TIP-TIG送丝技术，具有热丝和振动送丝功能，热丝有助于减少焊接热输入和提高焊接效率，振动送丝（振动频率20 Hz）有效地破坏熔滴和熔池的表面张力、细化晶粒、使裹挟在熔池中的气体及夹杂容易逸出，大幅度提高熔敷效率和熔池的冶金性能，提高焊缝冲击韧性。

（2）熔池受重力影响下坠。

在环缝焊接过程中，焊材及母材熔化后形成焊接熔池，熔池会在重力作用下自然下坠，容易造成焊缝上坡口熔合不良。全自动环缝TT焊接系统依靠钟摆系统（焊枪摆动角度可达30°），可以使钨针能量最集中的中心弧柱区到达坡口上侧壁，并且电弧在坡口两侧的停留时间可以分别设置，当熔池受重力影响产生下坠时，增大焊枪在上侧坡口的停留时间，使上侧坡口完全熔合，克服上侧坡口未熔合问题。

（3）焊接电弧磁偏吹问题。

9Ni钢对磁性极其敏感，焊接过程中由于焊接电流产生的工艺磁性很容易出现磁偏吹现象，导致焊缝成形不良，影响焊接质量。经过反复试验验证发现，在环缝TT焊接过程中，焊接磁性最大的位置始终在焊接熔池前方约150 mm处，而且磁性最大位置会随着焊接的推移而向前迁移。由于储罐内罐环缝是一个首尾相接的大型圆柱形，磁性会随着焊接一直向前迁移，磁性最大处永远在熔池的前方，对焊接未造成明显影响。

2 试验材料及方法

（1）母材及焊材。

试验母材为国产X7Ni9钢板，尺寸1 000 mm×200 mm，壁厚15 mm和29.7 mm，模拟施工现场组对进行焊接试验。设备为TT环缝全自动氩弧焊接系统，采用直流正接模式。焊材选用直径1.0 mm的AWS A5.14 ERNiCrMo-4［10］焊丝，牌号为 OK Autrod NiCrMo-4。母材和焊丝成分如表1所示，力学性能如表2所示。

表1 母材和焊丝的化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire（wt.%）

表2 母材和焊丝的力学性能Table 2 Mechanical properties of base metal and welding wire

（2）保护气体。

保护气体（包括背保护气体）为纯度99.99%的Ar，保护气流量为15～20 L/min，打底焊和热道焊需要背部氩气保护，在热道焊接完成之后背部气体保护撤销。

（3）坡口设计。

坡口设计的原则是在保证焊缝成形质量的前提下，综合考虑环缝焊接位置特点、现场施工组对难度、焊材节约、提高施工效率等多方面因素。经多次反复试验验证，最终确定采用上侧为双J型，下侧为平面的坡口设计，如图1所示，该坡口设计相比传统的60°X型坡口，焊接填充量减少50%以上。考虑到不同壁厚焊接时的工况，依据不同壁厚设计了不同的坡口。其中当壁厚t＜20 mm时，上侧J型坡口开口角度为15°；当壁厚t≥20 mm时，上侧J型坡口开口角度为12°，坡口其余参数保持一致。

图1 坡口设计Fig.1 Groove design

（4）组对工艺。

由于现场大多是高空作业，需要在高空进行钢板组对，施工难度很高，全自动焊接系统工艺采用图1的坡口形式很大程度上降低了现场钢板组对的难度；经过大量试验验证，确定钢板组对间隙为（3±0.5）mm。以现场实际工况的钢板组对为例，组对前将坡口两侧25 mm范围内的铁锈和氧化皮等用砂轮机打磨光亮，露出金属光泽，并用酒精擦拭，去除油污。然后将3 mm的专用组对垫片放置在下侧钢板，即直坡口一侧，之后再将上侧钢板吊至对应位置，利用背杠进行固定，注意保持钢板的竖直度。固定好后对钢板坡口进行点焊，点焊间距为500～1 000 mm（根据钢板壁厚的不同确定，壁厚越厚，点焊间距越短，壁厚越薄，点焊间距越长），点焊长度50 mm。点焊后即完成了整个钢板的组对工作。

（5）预热和层间温度。

焊前无需预热，保证焊接环境温度不低于5℃即可，焊接过程中层间温度要求最高为100℃。现场LNG储罐建造时，X7Ni9钢板板幅大（一般长约12 m，宽约3.5 m），焊接时散热很快，层间温度几乎达不到100℃。

（6）焊接工艺参数。

TT环缝氩弧自动焊系统具有焊接参数实时采集、视频监控并存储功能，焊工可以在监控屏上清晰地看到焊接熔池状态，以及实时的电流电压、送丝速度和焊接速度等。根据熔池不同状态，及时调整钨针位置和微调焊接参数，获得理想的成形效果。待无损检测和性能检测结束后，结合检测结果，从而确定最优焊接工艺参数。根据前期试验和结果分析，适合壁厚15 mm、29.7 mm的最优焊接工艺参数如表3、表4所示。

表3 9Ni钢环缝焊接工艺参数（壁厚15 mm）Table 3 Circumferential weld welding process parameters of 9Ni steel（wall thickness 15 mm）

表4 9Ni钢环缝焊接工艺参数（壁厚29.7 mm）Table 4 Circumferential weld welding process parameters of 9Ni steel（wall thickness 29.7 mm）

3 结果分析

（1）无损检测。焊接完成24 h后对焊缝进行无损检测。目视检测（VT）：焊缝表面均匀平整，呈银白色金属色泽，表面无咬边、气孔等缺陷（见图2）。渗透检测（PT）：未发现裂纹等缺陷；射线检测（RT）：射线底片焊道均匀、干净，熔合线边界整齐，未发现气孔、夹渣和未熔透等焊接缺陷，满足ISO 5817中B级规范（见图3）。

图2 焊缝表面成形Fig.2 Weld surface forming

图3 射线检测底片Fig.3 Radiographic inspection film

（2）拉伸试验。依据标准ISO 4136：2012，每块试板取两个试样（见图4），均在母材处韧性断裂，结果均满足要求（见表5）。结果表明，焊接接头处焊缝抗拉强度高于母材和焊接热影响区，拉伸性能满足验收要求。

表5 拉伸试验结果Table 5 Tensile test results

图4 拉伸试样Fig.4 Tensile specimen

弯曲试验。依据标准ISO 5173：2009进行弯曲试验，弯曲角度为180°，弯心直径40 mm，每块试板4个试样（见图5）。标准要求试样沿任何方向不得有大于3 mm的任何单一缺陷。弯曲试验结果如表6所示，弯曲试样未出现裂口，符合标准要求。

表6 弯曲试验结果Table 6 Bending test results

图5 弯曲试样Fig.5 Bend specimen

（3）冲击试验。分别在两块试板上的焊缝和热影响区取3件10 mm×10 mm×55 mm尺寸的试样进行-196℃低温冲击试验。冲击试验结果见表7，试样的低温冲击功和侧向膨胀量均满足标准要求。

表7 冲击试验结果Table 7 Impact test results

（4）宏观金相。依据ISO 17639：2013（E），每块试板取两个金相试样进行进行宏观金相检测。宏观金相照片如图6所示，焊缝完全熔合和焊透，未出现裂纹、气孔、夹渣或咬边等缺陷。

图6 宏观金相照片Fig.6 Macro metallographic photos

（5）微观组织。接头微观组织金相如图7所示，枝晶间距小，晶粒尺寸小，奥氏体含量大，故而焊缝延展性好，屈服强度大。

图7 微观组织形貌Fig.7 Microstructure morphology

（6）硬度试验，依据ISO 9015-1：2001进行显微硬度试验，硬度试验点分布如图8所示，试验结果如表8所示。试块的维氏显微硬度均符合标准要求，试板硬度合格。

表8 硬度试验结果Table 8 Hardness test results

图8 硬度试验后样品照片Fig.8 Photos of samples after hardness test

4 结论

（1）采用LNG储罐内罐环缝TT氩弧全自动焊接装备及焊接工艺系统可进行储罐环缝缝位置的焊接。

（2）针对9Ni钢环缝焊接，采用TT自动焊焊接工艺焊接获得的焊接接头拉伸、弯曲、冲击、硬度、金相等性能优异，完全满足设计要求，尤其-196℃低温冲击韧性约是标准要求的2倍以上。

（3）针对LNG储罐内罐9Ni钢环缝焊接，TT全自动氩弧焊接工艺具有焊缝质量高、焊材消耗少、施工环境清洁等优点。

（4）目前单台设备的焊接效率较低，工程应用经验少。后续应继续探索工艺，改进设备，提高焊接效率，节省施工时间，并争取应用到更多的工程项目中，为全自动TT环缝自动焊的推广奠定基础。