刘红坚 2010年9月 LNG储罐焊接技术及发展 一 前言 目前世界各国都在积极推动低温液化气的储备 随着我国经济的迅猛发展 我国的能源产业结构也在发生巨大的变化 国家极力支持液化天然气项目的发展 并把实施LNG进口多元化发展战略作为国家能源战略的重要组成部分 06年启动的三大LNG接收站项目广东 福建和上海LNG项目相继投产 目前大连 江苏项目正处施工阶段 LNG接收设施主要由用于LNG接收储存的低温储罐 LNG码头及栈桥区 灌区泡沫站 气化区 增压 冷凝区 火炬区 公用工程 计量输出区 槽车装车区等组成 其中LNG低温储罐的安装是建设的核心和关键 LNG低温储罐通常是双层壁结构的立式拱顶储罐 外壁为预应力混凝土结构 内侧为双层壁钢结构 外层普通碳钢板紧贴混凝土 通过预埋件贴在外罐壁混凝土层内侧并密封焊接 最内层为9 Ni钢 例如ASTMA553Type1等 厚度从下到上呈递减型 16 5万立方储罐内罐底圈壁板为26 2mm 顶圈壁板为12mm 内外层结构间距一般在850mm以上 1000mm以内 中间夹层填充特殊的绝热材料 罐顶也是双层结构 顶板是普通碳钢板 悬挂在外顶层内壁的吊顶是铝板 例如ASTMB209M5083 通过吊杆 SS 与外罐拱顶骨架连接 内外顶之间夹层填充特殊的绝热材料 在顶板外侧为混凝土层 罐底由三层钢板及保冷层组成 最下层底板为碳钢板 底板和次外层底板为9 Ni钢 每两层底板之间铺设泡沫玻璃砖保冷层 储罐罐壁无管口 所有管线都由罐顶开孔与罐内连接 其结构如下图 储罐工艺设计数据 下面主要以上海LNG储罐的焊接施工为例进行介绍 二 储罐材料介绍2 1储罐所包含的主要材料外罐 A36 A516Gr380 A516Gr450铝吊顶 B209M5083 O内罐 A553TYPE1 9 Ni钢 螺柱 A108Gr1015 A276TYPE304接管及套管 TP304L API5LGr B A516Gr450 2 29 Ni钢介绍9 Ni钢于1944年由美国INCO公司开发发明的一种优良的低温用钢 1948年推向市场 1956年初列入ASTM标准 1960年以前9 Ni钢只能用铁素体焊条焊接 需进行焊后消除应力的热处理 这对于制造大型储罐是一个难题 1960年10月 采用Inconel型焊条焊接9 Ni钢成功 并通过了液氮温度下的爆破增压试验 后来开发的9 Ni钢的双正火 回火 NNT 热处理工艺和淬火 回火 QT 热处理工艺使9 Ni钢的焊接不需进行焊后消除应力的热处理 1962年 ASTM规范认定 板厚不超过38mm的储罐可以不进行消除焊接接残余应力热处理 1963年又扩大到50mm 使9 Ni钢用于大型LNG储罐制造成为可能 1952年 第一台9 Ni钢储罐在美国投入使用 1965年法国用9 Ni钢建造了第一艘LNG油轮 JulesVerne 号 舱容2 584万m3 日本大规模使用9 Ni钢开始于1969年横滨港建成的3 5万m3和4 5万m3LNG储罐 1977年将Ni9钢列入JIS标准 JISG3127对9 Ni钢的热处理进行了如下要求 双正火 回火处理 NNT 和淬火 回火处理 QT 1980年日本建成了7 5万m3LNG储罐 1991年JISG3127中明确指出 根据需要可进行中间热处理 1982年后 9 Ni钢已经成为低温储罐主材 逐渐取代了Ni Cr不锈钢 截止到1995年世界上已建的最大9 Ni钢储罐容积为14万m3 由此可见 9 Ni钢已是国际上低温设备领域广泛使用的钢种 其焊接性能良好 焊接工艺已日臻成熟 而在我国由于对9 Ni钢焊接的研究和应用比较晚 特别是在LNG储罐焊接方面 还没有形成自己的标准 工艺规范也不完善 目前推荐并且常用的热处理方法有三种 1 NNT处理第一次正火加热至900 空冷 第二次正火加热至790 空冷 然后在550 580 回火后急冷 处理后的组织为回火马氏体与贝氏体 2 QT处理800 水淬或油淬 然后550 580 回火 处理后的组织为低碳马氏体 3 双相区淬火 回火 IntercriticalHeatTreatment 简称IHT 一般为800 水淬 670 水淬 然后经550 580 回火 处理后的组织为低碳马氏体 Ni是9 Ni钢的主要合金元素 它在该钢中的作用是降低钢的脆性转变温度 提高它的冲击韧性 Mn在该钢中可以细化晶粒 同时还可以提高w Mn w C 的比值 起到提高钢的韧性 降低转变温度的作用 C在该钢中可以提高钢强度 S P含量应严格控制 否则会使脆性转变温度升高 增加热裂纹的倾向 因此 为了保证9 Ni钢具有良好的低温韧性 应严格控制该钢中的C Si等其它元素及S P等杂质含量 9 Ni钢的化学成分和力学性能 wt 上海LNG用低温钢板的化学成分及机械性能见下表 A553TYPE1钢化学成分 A553TYPE1钢机械性能 2 39 Ni钢的焊接性能9 Ni钢以其优良的低温性能和焊接性能被认为是制造低温压力容器 储罐的最佳材料 焊接9 Ni钢主要问题是保证焊接接头的低温韧性 防止焊接裂纹 防止电弧磁偏吹等问题 这与焊接材料的类型 焊接热输入 焊接工艺有关 1 焊后低温韧性下降 焊接接头的低温韧性问题出现在焊缝区 熔合区和粗晶区 焊缝金属的低温韧性与采用焊接材料的类型有关 采用与9 Ni钢成份相同的焊材时 焊缝金属低温性能很差 主要是由焊缝金属含氧量过高造成的 熔合区的低温韧性与所出现的脆性组织有关 当采用Ni13 Cr16 型奥氏体不锈钢焊接材焊接9 Ni时 熔合区的化学成份既非奥氏体钢也非9 Ni钢的成份 而是富含Cr Mn W与C的区域 熔合区的硬度明显比焊缝金属的硬度和热影响区的硬度高 熔合区的硬度又随位置的不同而不同 熔合区存在脆硬层 该区域是板条马氏体和挛晶马氏体复合而成 2 焊接热裂纹采用Ni基 Fe Ni基或Ni13 Cr16 奥氏体不锈钢焊材焊接Ni9钢时 都可能产生热裂纹 如用25Cr16Ni13Mn8W3焊条焊接Ni9钢时 可能产生弧坑裂纹 高温失塑裂纹 液化裂纹 也可能在熔合区中产生显微疏松 焊接热裂纹易产生在打底焊缝或定位焊缝中 如果夹渣较多时 也能从夹渣处产生裂纹 定位焊时在起弧处也可能产生裂纹 显微疏松或称折叠中的显微裂纹主要产生在熔合区 这种缺陷一般很小 所谓折叠是焊接过程中由于电弧的搅动 把部分母材带入焊缝中造成的 带入焊缝中的这部分母材虽经熔化 但未与焊条金属相混合 其成分基本上是原9 Ni钢的成分 因为焊缝金属的合金元素比母材高的多 其熔点低于9 Ni钢 陷入折叠之中的焊缝金属的凝固晚于周围的折叠金属 因而在它凝固时的不到金属的补充而产生裂纹实际是显微疏松 消除以上裂纹的方法是减少有害元素 采用正确的焊接技术并配和适当的打磨 3 焊接冷裂纹9 Ni钢与同强度的其它低合金钢相比有较好的抗冷裂性能 在低氢条件下不产生冷裂纹 但采用低Ni高Mn的奥氏体焊条时 因母材稀释作用在熔和区附近会出现高硬度的马氏体带 对氢脆敏感 防止焊接冷裂纹的措施是 施焊中严格执行焊接工艺规程特别是焊条烘干 焊接环境湿度 焊接规范等 采用Ni基焊材时可使熔合区不出现高硬马氏体 有效防止冷裂纹 4 电弧磁偏吹焊接9 Ni钢时易发生磁偏吹 防止措施是控制母材剩磁率在50高斯以下 但是焊接过程中剩磁率在20高斯以上 因此 应尽量采用交流焊接避免用大电流的碳弧气刨清根 或采用磁铁消磁 三 焊接工作的难点及关键点 在LNG焊接施工中 通过对9 Ni钢的焊接性进行分析 内罐作为储罐焊接施工的核心 其主要焊接难点如下 钢材硬度大 坡口加工的难度较大 钢材易磁化 焊缝易产生冷 热裂纹 焊接电弧的磁偏吹 四 主要应用的规范 目前国内对于低温储罐的施工方面还无具体的验收规范 施工主要参考国外相关规范 焊接工艺评定及焊接施工主要应用的规范如下 BS7777 1993 立式圆筒型低温储罐 EN287 1 1992 钢熔化焊焊工考试 EN287 2 1992 铝熔化焊焊工考试 EN288 3 1992 金属材料焊接工艺评定 钢材 EN288 4 1992 金属材料焊接工艺评定 铝及铝合金 EN571 1997 无损检测 着色检测 EN895 2001 拉伸试验 EN910 1996 弯曲试验 EN10045 1993 冲击试验 EN1043 1997 硬度试验 ENISO5817 2003 焊缝无损检测评定 ASME 焊接和钎焊评定标准 5 1外罐的焊接方法外罐的焊接 主要为SMAW 螺柱的焊接采用螺柱焊和SMAW 五 焊接方法的选择 外罐壁板安装焊接 拱顶螺柱焊接 铝吊顶的焊接焊接 5 2内罐的焊接方法目前焊接9 Ni钢主要焊接方法是焊条电弧焊 SMAW 钨极氩弧焊 GTAW 熔化极惰性气体保护电弧焊 GMAW 和埋弧焊 SAW 钨极氩弧焊的焊接效率太低 在工程中选择这种焊接方法不太经济 但是 能得到具有窄坡口的高质量的焊接接头 特别是采用 低镍型焊接材料焊接9 Ni钢时 钨极氩弧焊是非常好的焊接方法 所以只是在特定的场合下才选择使用钨极氩弧焊 手工熔化极惰性气体保护电弧焊的熔敷速率大 但对焊工的焊接技术要求较高 该焊接方法的主要缺点是容易产生熔合不良和气孔 焊条电弧焊是9 Ni钢现场焊接的一种适合各种焊接位置 非常灵活且可行的焊接方法 该焊接方法可以达到很高的合金过度系数 甚至高达170 埋弧焊是熔敷速率最高的一种焊接方法 特别是在环焊缝焊接时 由于使用了环缝焊接机械系统 埋弧焊的优点表现得更加突出 但它只适合于焊接横焊缝和水平位置焊缝 对于立式储罐的纵焊缝 虽然现在已经开发出了气电立焊设备 且自动化程度很高 但是由于气电立焊的线能量偏大且不易控制 所以不适合用来焊接9 Ni钢 立焊缝仍然用焊条电弧焊焊接 生产实践证明 焊条电弧焊和埋弧焊是9 Ni钢储罐现场焊接效率最高的焊接方法 由于LNG储罐的焊接工作量大 对于9 Ni钢的焊接目前主要应用的方法有 手工电弧焊 埋弧自动焊 也是目前我国LNG储罐本体普遍采用的焊接方法 其中手工电弧焊主要应用于壁板的立缝 底板 大脚缝 热转角保护板 埋弧自动焊主要应用于壁板的横缝 下面是我公司上海LNG储罐的焊接方法示意图 内罐壁板角缝焊接 内罐壁板环缝焊接 9 Ni钢的焊接材料可归纳为四种类型 即含Ni约60 以上的Inconel型 含Ni约40 的Fe Ni基型 含Ni13 Cr16 的奥氏体不锈钢型和含Ni11 的铁素体型 铁素体型焊材具有成本低的优点 但其成分与9 Ni钢相同 焊后如果不进行热处理 得到的焊缝低温韧性很差 研究表明这主要是因为焊缝金属中的含氧量太高 有时可达600ppm 焊后热处理虽然 六 焊接材料 可以较好地提高焊缝的低温韧性 但在施工现场的环境下特别是对大型储罐的焊接 热处理是很难实现的 因此 用于9 Ni钢电弧焊的焊材主要是前三者 Ni13 Cr16奥氏体不锈钢型焊接材料的强度稍高 但低温韧性较差 线膨胀系数与9 Ni钢相差较大 易产生高的热应力集中 从而增大焊缝的热疲劳和失效的风险 而且容易在熔合区出现硬脆组织而使冷裂纹倾向大大增加 Ni基和Fe Ni基焊接材料的线膨胀系数与9 Ni钢相近 并且所得焊缝金属均为奥氏体 具有优异的低温韧性 但这两种焊接材料也有缺点 主要表现在以下方面 由于奥氏体焊缝结晶特点 焊接过程中热裂纹敏感性很强 更易出现弧坑裂纹 Ni基合金焊缝金属的熔点一般要比母材低100 150 焊接时熔深较浅 流动性较差 往往会形成未焊透缺陷 但通过调整焊接工艺 可以克服这些问题 此外 这两种材料的成本过高 焊缝强度略低于母材 四类焊接材料类型及特点如下表 9 Ni钢焊接材料类型及其特点 目前 在世界各国LNG储罐的建造中 焊条采用ENiCrMo 6 ENiCrMo 3 ENiCrFe 9等 焊丝采用ERNiCrMo 3 ERNiCrMo 4 ERNiCrMo 8 ERNiMo 8 ERNiMo 9等 但使用ERNiCrMo 3的较多 我们在上海LNG中焊条采用E