LNG储罐焊接技术难点分析

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焊接技术难点分析

1、焊接接头的低温韧性问题鉴于LNG储罐的使用条件，焊接接头需作-196℃低温冲击试验，冲击韧性值要大于35J。由于9%Ni钢是经热处理提高性能的钢种，在焊接冶金反应和热循环的作用下，破坏了原始热处理状态，熔合线的成分及热影响区的组织发生变化，使低温韧性降低。

2、焊接热裂纹问题9%Ni钢具有一定的热裂纹敏感性，多产生于接近固相线的高温下，具有沿晶界分布的特征，有时也能在低于固相线的温度下沿着“多边化边界”形成，通常产生于焊缝金属内，也可能出现在接头熔合组织内。这与焊缝冷却过程中的应力状态、母材和焊材的化学成分及杂质元素含量有关。

3、焊接冷裂纹问题9%Ni钢也有一定的冷裂纹敏感性，其原因是应力、脆性组织和扩散氢含量过高。焊接接头的应力主要包括拘束应力、组织应力和热应力，特别是在焊接第一层焊缝时，由于根部冷却速度较快，会导致拘束应力过大。过冷度较大时会在熔合线附近出现冷脆的马氏体带。坡口处的清洁度不够、焊条未充分烘干、施焊环境湿度过大等因素会导致焊缝中扩散氢含量过大。

4、焊接电弧磁偏吹问题9%Ni钢对磁化敏感，当使用直流焊机施焊时，会形成定向磁场，对9%Ni钢有磁化效应而产生剩磁。在焊接时就会有电弧磁偏吹现象。磁偏吹产生后会有一定的持续长度，可能会导致整条焊缝未熔合、未焊透和条状夹渣并存，严重影响焊接质量。

相应问题的解决方案    

本项目中每台储罐9%Ni钢焊缝长度达6500m，焊接工作量较大，为在保证焊接质量的同时提高焊接效率，内罐罐壁9%Ni钢壁板环焊缝全部采用埋弧自动焊设备施焊，壁板立焊采用焊条电弧焊。在施工过程中采取如下措施以保证9%Ni钢的焊接质量。

1、选用适用的工艺参数选用适用的工艺参数，保证9%Ni钢焊接接头的低温韧性。9%Ni钢焊接时，粗晶粒区、焊缝金属、熔合区的低温韧性有可能降低，采取的措施：①选用较小的线能量与较低的层间温度。逆转奥氏体随焊接热循环的峰值温度的提高而减少，冷却速度减小，粗晶粒区会出现粗大的马氏体和奥氏体组织，逆转奥氏体的减少与贝氏体组织的出现，均会使低温韧性降低。因此焊接线能量大，高温区停留时间长，过热区也宽，晶粒也越粗大，低温韧性会下降。本工艺采用较小的线能量，以减少高温区停留时间；采用较低的层间温度，以增加冷却速度；增加焊接层数，由于后续焊道起回火作用，能促使逆转奥氏体转化，以提高低温韧性。②选用适用的焊接材料，保证焊缝金属的低温韧性。选用镍基焊材，含镍量≥55%，焊材需具有优良的低温和常温韧性及塑性；具有良好的操作性能，因焊缝金属均为奥氏体组织，具有良好的低温韧性。

2、冷裂纹的防止措施①选用含Ni量高达55%的低碳型镍基焊材，焊接时虽有母材的稀释作用，但仍有足够多的奥氏体元素，能有效阻止碳迁移，避免熔合区出现脆性组织。②使用线能量较小的焊接规范，控制热应力；不得强行组对，采用合理的焊接顺序，对称、同步施焊，减少拘束应力。③将焊口表面的水、油污及有机物清理干净，焊条进行充分的烘干，在雨雪天气或大气湿度超过90%时禁止施焊，尽量降低焊缝中扩散氢含量。

3、热裂纹的防止措施、

①焊接过程中采用较小的线能量，尽量缩短结晶过程，从而减少焊缝金属结晶过程中的低熔点杂质偏析量。②选用线膨胀系数与母材差异较小的焊材，减小焊接过程中不均匀热胀冷缩所产生的热应力。

4、电弧磁偏吹的防治措施电弧磁偏吹产生的主要原因是直流电源会产生定向磁场，对9%Ni钢产生磁化效应，而9%Ni钢的剩磁现象较为严重，会对焊接电弧产生干扰，导致电弧偏向焊缝某一侧。因此在焊接过程中使用方波交流电源取代直流电源，能够有效解决这一问题。此外，方波电源结合了DCEN和DCEP的优点，得到了Zui大的熔敷效率和的焊缝成形，能够确保熔合良好，减少合金元素的烧损。

5、环缝埋弧焊接时背面使用焊剂保护LNG储罐的9%Ni钢内罐环缝的坡口型式为K型坡口，施焊顺序为大坡口侧焊接后，背面进行碳刨清根，再使用砂轮打磨清除表面氧化层，经PT检测合格后再进行焊接。

而碳刨清根存在以下问题：

①碳刨清根使用的是大功率的直流焊机，对9%Ni钢有磁性影响；

②碳刨清根会增加焊材的消耗，增加劳动力使用。为解决上述问题，在进行正面埋弧自动焊时，背面采用焊剂保护，使背面的成形良好，可大幅减少清根工作量，从而节省了焊材和劳动力的使用。

4、方案具体实施

4.1焊接参数的确定根据评定合格的焊接工艺，编制适合本工程的焊接工艺规程（见附表）。

附表 焊接工艺参数

4.2焊接设备的选用由于9%Ni钢内罐环缝长度是纵缝的近4倍，为加快施工进度，提高焊接效率，环缝采用埋弧自动焊。施焊时，焊接行走机构吊挂在储罐壁板上，先焊接焊缝外侧，打底层时采用双面机架，背面焊剂保护，外侧焊接结束后进行碳刨清根打磨，渗透检测合格后采用同样的方法焊接内侧。储罐立焊缝采用焊条电弧焊。

4.3焊接电源选用某型弧焊电源与埋弧焊机配套使用，通过调节方波的波形可以调整熔深和焊道形状，焊丝负半周不会产生电弧偏吹，电弧与电弧的干扰由相位转换控制。

4.4焊道布置    在环焊缝埋弧自动焊时，为减少焊缝拘束应力，防止产生焊接冷裂纹，以及提高焊接接头的低温韧性，采用多层多焊道，δ=14.3mm的环焊缝，大坡口侧采用3层6道，背面焊2层，3台埋弧焊机均布，同向、同步施焊。

4.5焊接工艺控制线能量控制：焊工严格按批准的WPS进行操作，现场由专职线能量记录员进行抽检，以保证线能量控制在规定范围。层间温度监控：现场配备测温仪，层间温度达到要求后再次施焊，焊接检验员抽检。施焊环境监控:现场由焊接工程师控制，超过规范要求，停止施焊。焊缝返修控制：9%Ni钢只允许返修一次，返修操作严格按程序进行。先碳弧气刨，清除缺陷，将刨槽打磨，清除表面氧化层，然后进行PT检测，确认缺陷已清除，再用原焊接工艺进行修补，再用砂轮将焊缝表面打磨光滑，Zui后经RT检测合格。

4.6打磨作业打磨采用专用氧化铝砂轮及不锈钢丝刷。焊前将坡口面及坡口两侧15～20mm宽度范围内的铁锈、油污等清理干净；碳刨清根后打磨清除表面氧化层，打磨深度至少1.6mm；在焊接结束后对焊缝进行成形打磨，表面不得有妨碍无损检测的缺陷存在。

5、结束语该工程2台LNG低温罐已施工完毕，各项总体试验全部合格，每台储罐的射线检测一次合格率都在99.5%以上，返修片均一次返修成功。产品试板力学性能检验结果均满足9%Ni钢制LNG储罐的设计和使用要求。虽然9%Ni钢本身的特点决定了这种材料的焊接难度较大，但由于针对焊接质量难题采取了有效的焊接工艺措施，并加强了各工序的控制，因而焊接质量良好，为业主提供了优质的产品，为今后此类储罐的施工积累了宝贵的经验。