大型LNG储罐焊接质量管理

摘要：随着中国清洁能源的全面化发展，国内LNG储罐也是在大规模的建设中，截止目前中国已经有26座大型LNG接收站，储罐的设计施工也由最先的国外承包商全部国产化，标志着中国已经完全掌握了LNG储罐及接收站的设计、施工能力。其中储罐建造过程中的一大难点就是内罐的焊接管理，因储罐投产后一直在超低温状态下运行，且无法进行返修处理，因此焊接的质量极其重要。文中就LNG储罐的焊接管理从多方面、多维度进场总结，供行业参考。

关键词：LNG储罐；焊接；经验；质量

中图分类号：TG47

1工程设计

设计是工程建设的“龙头”，设计应做到正确、合理、可行。积极沟通、精诚合作，准确理解基础数据参数，保证焊接设计的正确、可行。对于9%Ni钢焊接接头形式设计，需要向安装单位人员咨询，在确保结构形式设计合理、施工工艺满足要求的条件下，进行焊接工艺的设计，确保项目焊接坡口设计的合理性、可行性。为了减少焊缝的数量，在满足运输的情况下，尽可能选择宽板幅，目前国内板幅宽度已经能达到3.5m以上。

以下选取几家不同设计院的坡口形式供参考学习，如图1～图4所示。从以上不同设计院的坡口形式来看，各家的设计都存在不同的地方，TGE和CNOOC两家公司的坡口以4∶6的比例进行开设，安装时要求上下板中心对齐，TR公司的坡口以5∶5的比例进行开设，安装时要求上下板内侧对齐，CBI公司的的坡口以3∶7的比例进行开设，安装时要求上下板中心对齐，从现场施工完效果以及一线工人的反馈，美国CBI公司的坡口设计是无论从组对，焊接，焊后变形都是最为优的，推荐使用。

2人员资质管理

2.1焊工以及焊接操作工

要求焊工的持有双证，须持有市场监督管理局（原质监局）颁发的技能证和安监局颁发的操作证，且持证项目与现场实际位置项目要符合。

对于9Ni钢没有在TSGZ6002-2010进行详细分类的问题[2]，建议按照填充金属以及焊接方法分类进行管理，暨只能持证项目满足焊接方法，满足填充金属，就可以参加现场考试，这样完全与ISO9606考试[3]的初衷进行了相呼应。

经入场资格审查合格的焊工，在本项目从事金属焊接的焊工，都应当按照标准ISO9606最新版的规定进行技能验证考试，只允许补考一次。

项目应成立焊工入场资格考评小组，小组成员至少包括焊接工程师、焊接监督、无损检测工程师等。为了公平、公正选拔入场焊工，在业主监理的监证下和焊接监督的主考下，对焊工实际操作考核。考核合格后，监理焊接监督工程师要在焊工证书的背面签字盖章确认，并保留相关考核记录。分包商对考核合格的焊工，编制焊工明细，整理焊工考核资料、无损检测报告，编制和报批合格焊工资料。

2.2检验人员

项目应配置足够、可以胜任的、从事焊接生产施工及监督的检验人员。负责工序检查和外观检查的检验员必须经过培训，掌握相关的知识、图纸和标准。若需要，应提供近期的视力体检报告。

从事无损检测的人员必须满足具备如下条件：

（1）具有国家质检总局认可的特种设备II级（含II级）以上资质。

（2）至少一名III级人员在场指导无损检测人员工作（不仅限于无损检测工艺、程序、流程、解决现场疑难问题等工作）。

2.3焊接管理人员

项目应配置足够、可以胜任的焊接管理人员，明确职责和权限。焊接管理人员应取得国际焊接工程师（IWE）或焊接检验师（CWI），定期对他们进行考核，以确保他们的职责和权限得到落实，保障了工程的焊接质量。

3设备材料

3.1生产和检验设备

项目建设需要配置的设备为焊接电源及焊接机器、破口加工及切割设备、焊接材料的烘干设备及保温桶、母材或破口表面清理设备、无损检测设备、PMI分析仪等。埋弧焊接设备基本上以林肯、伊萨、米勒的电源为主，如图5所示，焊接性能也比较稳定。立缝手工焊接一般采用山大奥特，如图6所示，另外立缝自动焊西安泰普生产的设备电源为奥地利产，如图7所示，目前也在市场上暂露头角。所有与焊接有关的检验、测量和试验装置均要求定期校准、标定。如高斯计（见图8）、钳型电流表（见图9）、测温枪（见图10）等，按要求定期标定。

3.2材料、半成品及成品

3.2.1母材

LNG储罐内罐建造材料主体材料为9%Ni钢，其他为铝合金、不锈钢、碳钢。材料形式有钢板、管道、型钢、螺柱等。不同材质、形式的材料的存储，应严格遵循相关规定，重点是避免潮湿、磕碰损坏、变形。

目前9Ni钢已经完全国产化，太钢、南钢、鞍钢、宝钢等都已经大量的使用。钢板采购期间要重点关注油漆的涂装，因为油漆防腐能给储罐水压试压提供很好的防护作用，也是最有效的防护措施。油漆颜色的选择也是一个很重要的工作，因为9Ni钢进场下料后很难肉眼和碳钢进行区别，建议9Ni钢为灰色，碳钢为铁红色，以便防止混淆。

3.1.2焊材

考虑工程建设在海边进行，焊材的存储、施焊过程中的质量管控，对焊接质量具有决定性的作用。对于工程中重要的焊材，如9%Ni钢焊条、不锈钢焊条，设计文件对焊材包装提出明确要求，建议使用真空包装，这样首次使用不能烘烤，可以直接使用。对重要焊材的质量证明文件，也要做出明确规定，能够客观体现每批焊材性能指标的过程检验。焊材进场入库后，防护的重点是避免受潮、损坏，存储和使用应符合设计文件的规定和生产厂家的推荐要求。

项目现场设置焊接材料库房，如图11所示。要求库房内相对湿度不得大于60%，温度不得低于5℃，库房配有温湿计，随时监控库房内的湿度、温度，库房配置焊接材料货架，保证焊接材料摆放应距离地面和墙壁不小于0.3m。

焊条烘干和保温严格按照生产厂家推荐的要求执行，真空包装的9%Ni钢焊条、不锈钢焊条，可以不烘干直接使用；碳钢焊条CHE58-1的烘干温度为350～400℃，烘干时间为1～2h，烘干后的保温温度为120～150℃，烘干次数不得超过2次，超过两次未用完的焊材用红色油漆做好标识[4]。

对于9Ni钢的焊材选择，不同的设计院选择有细微的区别，以下列举典型的几个不同设计院的焊材选用牌号，如表1所示[5-6]。

从各家的选材来看，以手工焊以ENiCrMo-6为主，埋弧自动焊以ERNiCrMo-4为主，无论从焊接性能，焊接合格率，使用后的效果都满足要求。

4焊评管理

国内的设计院在出具焊接技术文件时，大都延续了国外设计院的做法，要求内罐9Ni钢采用在现场制作焊评的模式，对于这一做法，国内很多承包商都很不解，确实规范也没有这方面的要求，但是为什么好多项目的焊接评定至今也无法一次性通过，国内的承包商对待焊接评定的态度更多的就是完任务，交作业，根本没有认识到焊接评定的重要性，在不同的焊接环境、不同厂家的材料、不同的设备焊接出的产品都存在差异。

为了保证焊接的质量，焊接评定不能照搬照抄，还是要在现场根据实际使用的焊材、母材以及使用环境进行PQR的制作，虽然规范不要求每个项目前进行焊接评定，但是不同厂家的材料，成分在合格范围内均存在差异，而且焊接的环境不尽相同，为了确保找到一个合适的焊接参数，建议在项目进行焊接评定的制作，目前国家管网均要求每个项目单独进行焊接评定。焊接评定完成后重点要落实焊接参数的执行，不能为了追求合格率和焊接效率，随意的大电流，任意的大摆幅等。

下面就以福建LNG项目储罐本体焊接评定清单做一个总结分享，如表2所示，福建LNG作为中海油自主设计建造的第一个大型LNG项目，内罐焊评执行EN15614[7]，管道执行ASME第9卷[8]，主要根据现场的接头形式，母材、焊接位置等进行分类。

5焊接施工

5.1焊前检查

焊前检查是决定焊接质量的关键因素，应是各方质量控制的重点。材料跟踪、焊接衬板、组对间隙、剩磁、清根、预热等关键控制点应满足施工规范或图纸的相关要求，工装卡具的布置应合理恰当，防风防雨、母材预热等辅助措施要充分，焊道标识、施工记录要完整准确。

5.1.1组对检查

焊接前检验员应严控组对质量，严禁强力对口，坡口及其坡口两侧各25mm范围内的油、漆、垢、锈应清理干净。组对时，充分考虑焊接位置、焊接方法、焊接工艺对于间隙的影响。内罐壁板组对过程中，考虑焊接收缩对于储罐直径的影响，放样尺寸较公称直径适当放大2～3mm；考虑焊接收缩对于焊缝棱角度的影响，根据坡口方向和焊接工作量，适当向焊接侧外凸；考虑9%Ni焊材易出现热裂纹的特点，无衬板或不清根焊道的组对间隙应尽可能小；考虑内罐壁板对于底环板压应力的影响，合理安排大角缝的焊接顺序；考虑内罐母材与焊材含Ni量不同，严控壁板组对错边量，缩小母材与焊道间的黑度差。

5.1.29%Ni钢板剩磁检查

内罐用9%Ni钢易磁化，即使在生产、运输、安装等环节采取一系列保护措施，但是根据以往项目经验，仍很难保证组对过程中所有焊缝的剩磁值满足焊接要求。超标位置主要集中在大角缝、纵缝收尾、环缝壁板接头等位置，因此组对过程中应通过目视铁屑分布、剩磁仪检测等方法查找超标位置，并通过磁轭引磁、焊把线缠绕消磁等方法降低待焊区域剩磁值，确保焊接前剩磁量在30高斯左右，保证焊接质量。

5.2施焊过程监控

焊接工艺中要求，内罐的环缝和纵缝等位置需要进行背面清根，以达到根部缺陷全去除、焊接全熔透的目的。根据以往项目经验，碳弧气刨成本低、效率高、设备简单、机动性强，是施工单位首选的清根方式，但是碳弧气刨会产生渗碳层、清根质量受操作工人主观影响较大，如采用此方式，需要加强清根后的检查，建议设置清根检查为停检点，确保焊接前清根深度不小于1mm，表面露出金属光泽；应平直、整齐，根部应圆滑过度，严禁出现修磨尖角、气刨凹坑、夹碳等不利于焊接因素。

5.2.1焊接工艺检查

检查的项目包括但不限于焊接电流、电压、焊接速度、线能量、层间温度、层间清理、焊条保温、焊道布置、焊条摆宽等，并填写详细的检查记录。

引弧处，由于钢板温度较低，焊条药皮还没有充分发挥作用，会引起弧点处焊缝较高、熔深较浅、气孔多发，对于9%Ni焊材这种气孔敏感性材料更为明显。为此焊工应在焊接起始点后面10mm处引弧，引燃电弧后拉长电弧，并迅速将电弧迁移至焊缝起点进行预热。预热后将电弧压短至焊条直径一半左右的短电弧，进行正常焊接。

电弧中断或焊接结束时，应确保收弧处的弧坑能够填满，且不存在疏松、裂纹、气孔、夹渣等缺陷。根据9%Ni钢的焊接特性，焊接应采用回焊收弧法，焊条焊缝收尾处应立即停止，并改变焊条角度回焊。

整条焊缝的收弧和起弧位置，设置收弧板和引弧板；在保证焊材不受潮的前提下，允许焊工手持2根焊条，接头热接，降低冷接时产生气孔的概率；加大焊条接头处的打磨，打底接头全部打磨，填充盖面接头根据焊接情况适当打磨，必要时增加PT检测等辅助手段。

5.2.2焊接变形控制

变形量控制是低温储罐质量控制的难点和重点。在LNG储罐项目中，内罐壁板以对接为主，内罐底板以薄板角接为主，焊接工作量大，焊缝密度高，在组对应力、焊接应力、施工平台的共同作用下极易产生超标变形，且一旦超标，由于钢板强度、钢板厚度的共同影响，很难通过机械的方法矫正。为此，综合分析产生变形的质量风险，结合防变形的常用理论和经验，过程中派选专人进行监督，严格控制清根深度，确保储罐成型后的变形量满足规范要求。

内罐壁板纵缝焊接变形有：内罐壁板向内倾斜和焊接角变形。控制措施如下：

采取壁板焊接反变形措施：内罐壁板纵缝焊接，上口收缩大而下口收缩小，纵缝焊后壁板普遍向内倾斜，向内倾斜程度因板厚及板宽而有所不同，因此在壁板纵缝焊接过程中，通过焊缝上部适当预留较大焊接间隙；通过电话卡调节控制其垂直度。焊接过程中，夹层焊接，平台侧需要铆工以弧形样板随时监测焊缝角变形，根据角变形的大小，适时调整电话卡圆销子，控制变形量。

5.3焊后外观检查

焊接成形后，焊后应立即去除药皮、飞溅物、清理干净焊缝表面，焊工首先对焊缝进行自检，检查的区域包括焊接接头和相邻母材的全部区域，确保焊缝表面没有飞溅、夹渣、气孔、裂纹等缺陷，母材上没有电弧擦伤、焊疤等施工残留。焊缝外观由焊接检查员检查，焊缝余高应≤2mm，超出位置应进行打磨，打磨的余高应在0～2mm。06Ni9DR钢板的焊缝不允许有咬边，对出现咬边区域进行补焊、打磨，消除缺陷。

对于焊接返修区域，需要严格执行焊缝返修程序，返修次数不能超过2次，超过2次建议增加对应的焊评，并召开专家会。9%Ni钢的返修过程在焊接检验员或焊接负责人的全程见证下完成。返修合格后，执行与返修前相同的外罐检验和无损检测。焊接前在每道焊缝旁进行编号，建议包含以下信息，如图12所示，并且现场进行及时填写。

5.4无损检测

9Ni焊缝内罐焊缝焊接后需要进行无损检测，焊缝在外观检查后需要应进行PT检测，合格后应进行RT检测，在RT检测前焊缝的表面状态为打磨后，打磨掉表面的鱼鳞纹，保证焊缝圆滑，且不低于母材，不允许有咬边。

渗透检测时应优先采用溶剂型材料，射线检测建议使用C4胶片，每个片位采用双胶片进行透射，因为由于焊缝镍的密度较大，C7胶片很难把缺陷呈现出来。渗透检测首选溶剂去除型着色渗透检测法。另外9Ni钢容易在钉子缝位置出现裂纹，建议采用UT进行检测。

6未来LNG储罐的焊接方向

随着优秀焊工人员逐步锐减，新生力量不足的困境，焊接采用自动化是必然的趋势，近年来全自动热丝TIG焊接方法已经在国内得到了运用，大脚焊缝自动埋弧焊也在尝试使用中，下一步底板的焊接自动化也势在必行。另外焊接时焊接参数的自动记录，焊评的参数设置均是要研究开发的，这样从根本上避免了焊工违反焊接工艺参数的情况，也更清楚更准确记录了每次焊接的全部参数，如图13所示。

在材料方面，壁板已经完全国产化，如果提高成品率，如何元素精细化是下一步要提高的方面，但是焊接材料目前全部依赖于进口，以伊萨和林肯为主流，国产厂家京群也在极力推广，目前还没有项目大量尝试，相信随着国产化的大力推进，焊材国产化也是指日可待。

7结束语

LNG储罐的焊接工艺日渐成熟，但是国内完成的储罐也存在罐壁结冰、结霜的情况，一旦投产几乎无法进行返修，只能带病运行，因此希望各位同仁时刻保持一种敬畏之心，把好每一道工序，在这大干快上，急功近利的时刻，更需要我们坚持一份自己的初心，让中国制造也迈向世界的舞台。

参考文献

［1］ComitéEuropéendeNormalisation，Designandmanufactureofsitebuilt，vertical，cylindrical，flat-bottomedsteeltanksforthestorageofrefrigerated，liquefiedgaseswithoperatingtemperaturesbetween0℃and-165℃［S］.EN14620：2006，2006.

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，TSGZ6002-2010特种设备焊接操作人员考核研究细则［S］.新华出版社，2010.

［3］ISO.ISO9606：2012Qualificationtestingofwelders［S］.ISO9606：2012，2012.

［4］中华人民共和国工业和信息化部，焊接材料质量管理规程：JBT3223-2017［S］.中国标准出版社，2017.

［5］AmericanWeldingSocietyA5CommitteeonFillerMetalsandAlliedMaterials.AWSA5.14A5.14M：2018Specificationfornickelandnickel-alloybareweldingelectrodesandrods［S］.AmericanWeldingSociety，2018.

［6］AmericanWeldingSocietyA5CommitteeonFillerMetalsandAlliedMaterials.AWSA5.11A5.11M：2018Specificationfornickelandnickel-alloyweldingelectrodesforshieldedmetalarcwelding［S］.AmericanWeldingSociety，2018.

［7］ComitéEuropéendeNormalisation，Specificationandqualificationofweldingproceduresformetallicmaterials.EN15614-2010［S］.EN15614-2010，2010.

［8］ASME.2023ASMEboilerandpressurevesselcommittee.IX-qualificationstandardforwelding，brazing，andfusingprocedures；welders；brazers；andwelding，brazing，andfusingoperators［S］.ASMEBPVC.IX-2023，2023.

收稿日期：2023-11-20

丁小见简介：1989年出生；中级工程师，焊接检验师。277787998@qq.com。