LNG储罐焊接技术及发展

1991 年JIS G3127 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。
LNG储罐焊接技术及发 LNG储罐焊接技术及发 展
刘红坚
2010年 2010年9月
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。
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。
• 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》 • EN ISO 5817-2003《焊缝无损检测评定》 • ASME Ⅸ《焊接和钎焊评定标准》
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：B209M 5083-O 内罐：A553 TYPE 1（9%Ni钢） 螺柱：A108 Gr1015、A276 TYPE 304 接管及套管：TP304L、API 5L Gr. B、A516Gr450
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：
项目 储存介质 有效容积(m3) 工作温度(℃) 设计最低温度(℃)
内罐
外罐
ＬＮＧ（液化天然气蒸汽） 165.000m3 －165 -196 0.5 －3.5 -20
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。
• 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。
2.2 9%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：
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:
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），
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%。
（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。
最内层为9%Ni钢（例如ASTM A553 Type1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12 mm），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ASTM B209M5083），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。
Max 0.9
0.150.4
Max 0.30
8.59.5
Max0.4 0
Max 0.12
Max0.0 2
A553TYPE1钢机械性能
δb 机械性 δs（MPa） （MPa） 能 规定值 ≥585 690-825 延伸率 (%) ≥20 冲击功（J）196℃ ≥50 侧向膨胀 值 ≥ 0. 381mm
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"Jules Verne" 号，舱容 2.584 万m3。日本 LNG "Jules m3 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m3 LNG储罐，1977 年将Ni9 钢列入JIS 标 准， JIS G3127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。
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》
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550580℃ 回火．处理后的组织为低碳马氏体。 (3) α+γ 双相区淬火+回火(Intercritical HeatTreatment，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。
（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；
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。
五、焊接方法的选择
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。