9_Ni钢液化天然气_LNG_大型储罐焊接技术的进展

合金焊接材料的线膨胀系数与９％Ｎｉ钢 母材最接近。因此，与９％Ｎｉ钢相匹配 的焊接材料应在标准的镍基合金焊材 中选择。 ５．１ 药皮焊条。表２列出ＡＷＳＡ５．１１－ ２００５标准规定的各种镍基合金药皮焊 条以及全焊缝金属的化学成分及力学 性能数据。
由表２所列数据可见，ＥＮｉＣｒＭｏ－ ３（ＮｉＣｒｏ６０／２０）和ＥＮｉＣｒＭｏ－６（Ｎｙｌｏｉｄ２） 型焊条的全焊缝金属性能完全满足了 上述要求，并有一定的裕量。美国Ｌｉｎ－ ｃｏｌｎ公司生产的商品牌号为Ｎｙｌｏｉｄ２药皮
现 代 焊 接 Modern Welding 现代焊接新技术、新设备、新工艺、新成果
９％Ｎｉ钢液化天然气（ＬＮＧ） 大型储罐焊接技术的进展 Progress of
the welding technology of 9% Ni steel LCG large storage tank
珠海固得焊接自动化设备有限公司 陈裕川 ［摘要］ 本文系统地论述了９％Ｎｉ钢大型ＬＮＧ储罐焊接技术的最新进展，主要包括现代９％Ｎｉ钢的基本特性和焊接 性、相匹配的镍基合金焊接材料、适用的焊接工艺方法和焊接工艺要点。 ［关键词］ ９％Ｎｉ钢；ＬＮＧ储罐；镍基合金；焊接技术
５００
４００
Ｂ
３００
Ｍｓ
２００
Ｍ
１００ 维氏硬度：Ｈｖ１Ｍ０ ｆ ３４５ ３４４ ３４２ ３２５ ２９２ ２８０
１
１０
１００
１０００
１００００
自Ａｃ３温度冷却的时间［ｓ］ 钢的主要化学成分：
Ｃ：０．０９％ Ｓｉ：０．２２％ Ｍｎ：０．６８％ Ｎｉ：９．０２％
Ｐ：０．００８％ Ｓ：０．００９％ Ａｌ：０．０３％
壁厚为２７．５ｍｍ。１１００００ｍ３ ＬＮＧ储罐筒 证了在低的工作温度下具有足够的韧
体直径为８０ｍ，总高３７ｍ，最大液面高 度２４ｍ，底层筒体壁厚为１６．６ｍｍ，顶
性。通常，对于ＬＮＧ储罐内层筒体采 用淬火＋回火状态的９％Ｎｉ钢，其他结
层筒体壁厚为１２ｍｍ。图３示出正在建 构件或经受变形的部件，采用二次正
图４ 低碳高纯度９％Ｎｉ钢的连续冷却组织转变图
时，其硬度仍低于容许硬度值４００ＨＶ。 因此，对于厚度３０ｍｍ以下的９％Ｎｉ钢， 焊前不必预热，焊后亦无需热处理。
在缓慢冷却的平衡状态下，９％Ｎｉ 钢下临界转变点ＡＣ１实际上处于奥氏体 ／铁素体双相区。镍抑制了铁素体／珠 光体转变产物的形成。稳定的残余奥 氏体和富镍铁素体的显微组织使钢具 有较高的强度和冲击韧度。
表１ Ａ３５３／Ａ３５３Ｍ和Ａ５５３／Ａ５５３Ｍ ９％Ｎｉ钢标准化学成分和力学性能
标准钢号
ＡＳＴＭ Ａ３５３／Ａ３５３Ｍ
ＡＳＴＭ Ａ５５３／Ａ５５３Ｍ
化学成分
熔炼分析（％） 成品分析（％） 熔炼分析（％） 成品分析（％）
Ｃ
≤０．１３
≤０．１３
≤０．１３
≤０．１３
Ｍｎ
≤０．９０
≤０．９８
≤０．９０
≤０．９８
良的冲击韧度。其中，高碳奥氏体在 纯度９％Ｎｉ钢的连续冷却组织转变图。
－１９６℃以下的温度仍能保持稳定，保 从中可见，即使有相当高的速度冷却
现代焊接 ２００９年第９期 总第８１期 Ｊ－５
现代焊接 ＭｏｄｅｒｎＷｅｌｄｉｎｇ
８００
奥氏体化温度：９００℃／２０ｍｉｎ 厚度：２３ｍｍ
７００
６００
Ａｃ３７０５℃ Ａ ｃ１６ ０ ２ ℃
图６示出９％Ｎｉ钢和几种不同合金 成分焊缝金属的线膨胀系数与温度的 关系曲线。其中，ＥＮｉＣｒＭｏ－６型镍基
Ｊ－ ６ 现代焊接 ２００９年第９期 总第８１期
Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ 现代焊接
０
－５０
－１００
－１５０ －２００
温度［℃］
图６ ９％Ｎｉ钢与几种不同合金成分焊缝金属
线膨胀系数与温度的关系曲线
Ｐ
≤０．０３５
≤０．０３５
≤０．０３５
≤０．０３５
Ｓ Ｓｉ
Ｎｉ 力学性能
≤０．０３５ ０．１５￣０．４０ ８．来自百度文库０￣９．５０
≤０．０３５ ０．１３￣０．４５ ８．４０￣９．６０
≤０．０３５ ０．１５￣０．４０ ８．５０￣９．５０
≤０．０３５ ０．１３￣０．４５ ８．４０￣９．６０
抗拉强度Ｒｍ／ＭＰａ 屈服强度Ｒｔ０．２／ＭＰａ
碳钢顶盖
主平台 顶盖支撑 珍珠岩绝热层 顶盖人孔
碳钢衬里 混凝土外壳 珍珠岩绝热填料
预埋件 预埋件
９＃节 ７＃节 ５＃节 ３＃节 １＃节
１０ ＃节 ８＃节 ６＃节 ４＃节 ２＃节
内层储罐Ａ５５３
泵柱 内层底极Ａ５５３ 玻璃纤维填填料
图１ 土耳其建造的１４００００ｍ３ＬＮＧ储罐结构图
巨大，技术难度较高的建设工程，由 备受焊接工程界的关注。于是，在钢 于ＬＮＧ储罐的工作温度在－１６３℃，必 材的焊接性、相匹配的焊接材料、焊 须采用９％Ｎｉ低温钢。虽然这种低温 接方法以及焊接工艺等方面作出了不 钢早在１９５４年已得到美国ＡＳＭＥ《锅炉 断的改进和革新。本文针对９％Ｎｉ钢在 与压力容器法规》的认可，并已广泛 大型ＬＮＧ陆基储罐的应用及其焊接技 用于低温压力容器和储罐。但５０多年 术的最新进展作如下综合性的介绍。 来，９％Ｎｉ钢的焊接质量事故屡有发生，
５ ９％Ｎｉ钢用焊接材料
对９％Ｎｉ钢用焊接材料的基本要求 是：熔敷金属不仅应满足第２节中所提 出的母材力学性能和－１９６℃低温缺口 冲击韧度的要求，而且还应具有与母 材相近的热膨胀系数。这是因为ＬＮＧ 储罐在运行过程中，随着工作温度的 变化会产生膨胀和收缩，而连接储罐 壳体的焊缝必然同时经受热膨胀循环。 如果焊缝金属的热膨胀系数与９％Ｎｉ钢 母材的膨胀系数相差较大，则可能导 致焊接接头疲劳寿命的下降。
３ ９％Ｎｉ钢的焊接性
现代生产的９％Ｎｉ低温钢具有碳 含量低、纯度高的特点，通常将碳含
４００ＨＶ，回火在５７０℃温度下进行，最 量控制在０．１０％以下，Ｓ、Ｐ杂质含量低
终形成高镍铁素体、碳化物和稳定的 奥氏体。这种组织具有高的强度和优
于０．０１％。无疑，这就明显地改善了９％ Ｎｉ钢的焊接性。图４示出一种低碳高
图５ 大型储罐筒体环缝专用的 悬挂式埋弧焊横焊机全貌
接接头的自动焊。在９％Ｎｉ钢的焊接中， 由于要求限制热输入量，埋弧焊的效 率不能得到最大的发挥。
据多年积累的生产经验，９％Ｎｉ钢 大型储罐施工现场最适用的焊接方法 是埋弧焊和焊条电弧焊。当采取良好 的屏蔽措施后，也可采用自动和半自 动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊。
气体保护焊对于在车间内进行的 管道和预制件的焊接是很适用的，但 对于现场安装施工条件，由于气体保 护易受外界因素的干扰而难以保证接 头的质量。而钨极惰性气体保护焊熔 敷率低，从经济角度考虑也不适用于 大型的焊接工程。大型储罐立缝可以 采用半自动ＭＡＧ焊，但要求焊工技能 高度熟练，注意力集中，否则容易产 生未熔合之类的缺陷。如采用装有横 摆机构的自动爬行小车，则可在很大 程度上克服人为因素，易于保证焊接 质量。
Ｊ－ ４ 现代焊接 ２００９年第９期 总第８１期
Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ 现代焊接
３ ２
４ ５ ６ ７ ８
１４
１ １３
９ １０ １１
１２
１－管道（９％Ｎｉ）；２－压缩环；３－水泥外壳；４－碳 钢隔层；５－罐内筒（９％Ｎｉ钢）；６－珍珠岩隔热层； ７－直角保护装置；８－弹性保护层；９－底板；１０－内 筒体底板；１１－内筒体底板；１２－基础；１３－悬浮铝 顶盖；１４－加筋条 图２ 法国建造的１１００００ｍＬ３ ＮＧ储罐剖示图
现代炼钢技术的进步，如电弧炉
炼钢脱磷处理、钢水炉外精炼脱硫以 及真空除气技术等，对不断提高９％Ｎｉ 钢的质量和力学性能做出了贡献。钢 的高纯度保证了优良的低温冲击韧度 和止裂性能，而且也消除了回火脆性 的危险。所有这些，对９％Ｎｉ钢的焊接 性产生了相当有利的影响。
４ ９％Ｎｉ钢适用的焊接方法
传统的焊条电弧焊、埋弧焊、钨 极惰性气体保护焊和熔化极气体保护 焊（ＭＩＧ／ＭＡＧ焊）原则上都适用于９％ Ｎｉ钢的焊接。
６９０￣８２５ ≥５１５
６９０￣８２５ ≥５８５
伸长率（５０ｍｍ）Ａ（％） －１９６℃夏比Ｖ冲击功Ａｋｖ（Ｊ）
２０．２ 平均值２）
单值
２０．２ 平均值
单值
纵向 横向
≥３４
≥２７
≥３４
≥２７
≥２７
≥２０
≥２７
≥２０
注：１、冲击试样断面的侧向鼓胀量不小于０．３８ｍｍ；２、平均值为３个试样实测结果的平均值。
９％Ｎｉ钢二次正火的加热温度相应 为９００℃和８００℃，以形成均一的组织。 自８００℃温度水淬或空冷后形成低碳马 氏体加贝氏体组织，硬度一般不超过
功提出了如下更为严格的要求： 抗拉强度 ６９０￣８２５ＭＰａ 屈服强度 ＞４３０ＭＰａ 伸长率 ＞３５％ －１９６℃ 低温冲击功≥７０Ｊ 试样断口侧向鼓胀量 ＞０．３８ｍｍ －１９６℃ 冲击试样剪切断面＞８０％ －１９６℃ ＣＴＯＤ试样裂纹尖端张开 位移＞０．３０ｍｍ。
焊条电弧焊在大型储罐制造中的 应用已有较长的历史，积累了较丰富 的实际经验，具有灵活机动的特点。 与９％Ｎｉ钢相匹配的药皮焊条质量稳定， 货源充足，并且已研制出熔敷率高达 １５０％的高效药皮焊条。因此，焊条电 弧焊在大型ＬＮＧ储罐的焊接中，仍得 到较广泛的应用。
埋弧焊具有较高的效率，同时又 能保证焊接质量，通常用于大型储罐 环焊缝的横焊。采用图５所示的悬挂式 横焊机可以实现大型储罐筒体环向对
造的大型ＬＮＧ储罐外形照片。
火＋回火的９％Ｎｉ钢。
２ ９％Ｎｉ钢的基本特性
在我国，９％Ｎｉ钢尚未列入低温钢
这里必须强调指出，按现行大型 ＬＮＧ储罐的制造技术条件，对９％Ｎｉ钢 的力学性能，尤其是－１９６℃低温冲击
国家标准，各钢厂也未批量生产这种 低温钢。目前，在世界上基本引用美 国ＡＳＴＭ标准，其标准钢号相应为ＡＳＴＭ Ａ３５３／Ａ３５３Ｍ和ＡＳＴＭ Ａ５５３／Ａ５５３Ｍ。它 们之间的区别是：前者的热处理状态 是二次正火＋回火；后者的热处理状态 是淬火＋回火。其化学成分完全相同。 标准规定的９％Ｎｉ钢的化学成分、力学 性能和－１９６℃冲击吸收功列于表１。
前言
目前，我国已成为仅次于美国的 世界第二大石油消费国，也是原油纯 进口国，石油产品的供应渐趋紧张。 我国为改变能源结构，改善环境，加 快天然气的发展已势在必行。我国政 府从战略和长远发展的眼光，决定大 力开发和运用液化天然气。目前，已 规划和正在实施的项目有：西气东输、 海南１１７油气田的开发和东海地区天然 气的探测及开发，工程包括建立天然 气的液化中转站、液化天然气（ＬＮＧ） 的运输、建造大型ＬＮＧ船舶和大型ＬＮＧ 储罐。
我国沿海地区正在计划筹建１０万ｍ３ 以上的大型ＬＮＧ储罐。这是一项耗资
作者简介： 陈裕川（１９３６－），男，浙江余姚人，高级焊接 工程师。主要从事焊接工艺与设备的研究及设计工作。曾主 编《现代焊接生产实用手册》（机械工业出版社２００５年５月 出版）、《焊工手册：埋弧焊、气体保护焊、电渣焊、等离 子弧焊（第２版）》（机械工业出版社２００６年９月出版）。
由图４可知，在低碳钢中加入９％ Ｎｉ，使马氏体转变温度Ｍｓ和Ｍｆ相应降低 到３２５℃和１００℃，不再出现珠光体。另 一方面，由于马氏体的转变结束温度 Ｍｆ较低，自奥氏体化温度冷却到室温 后将残留不稳定的奥氏体。在下临界 温度以上的α＋β区内的回火处理使奥 氏体趋于稳定。在回火马氏体基体中， 少量的高碳镍奥氏体（５％￣１０％）在 －１９６℃低温下仍保持稳定。在这种情 况下，奥氏体中高的碳含量来源于网 状晶界碳化物的溶解，结果减少了脆 性网状碳化物，提高了低温冲击韧度。 在较低的冷却速度下，在马氏体基体 中可能形成奥氏体－铁素体加碳化物 的混合组织。这说明，对于９％Ｎｉ钢， 即使以相当低的速度冷却，焊接接头 热影响区的组织总是马氏体。
图３ 正在建造的大型ＬＮＧ储罐外形全貌照片
１ 大型ＬＮＧ储罐的结构
近年来，世界各国都投入巨资建 造容积超过１０万ｍ３的大型ＬＮＧ储罐。 图１示出在土耳其建造的１４００００ｍ３ Ｌ ＮＧ 储罐的结构详图，图２为在法国马赛港 附近建造的１１００００ｍ３ ＬＮＧ储罐剖示图。 这两台ＬＮＧ储罐均采用双层结构。外 层用混凝土浇灌制成，内层为９％Ｎｉ钢 制立式圆筒体。中间夹层填充膨胀珍 珠岩和玻璃纤维毡隔热层。其中， １４００００ｍ３ＬＮＧ储罐内层筒体的直径为 ７５ｍ，高度为３７ｍ ，第１节筒体的最大
焊条可作为一种经济的选择。在ＬＮＧ 储罐建造中的应用研究已有３０余年的 经验，并作了不断的改进，以满足现 行工业标准更高的要求。Ｎｙｌｏｉｄ２型焊 条的主要特性如下：