液化天然气(LNG)用超低温不锈钢的焊接及焊接材料

Ｌ Ｎ Ｇ 项目常用的外经＞ ２ ０ ０ ｍ ｍ ，壁厚超过 １ ０ ｍ ｍ 的管道 焊接时尤其突出。
埋弧焊（ Ｓ Ａ Ｗ ） 不能用来进行固定管道系统的焊接， 也很少能够在现场安装施工中使用。但是，对于平面位 置能够移动或者转动的接头位置和结构，作为生产效率 最高的焊接工艺，埋弧焊无疑是焊接厚大截面结构的最 有优势的一种方法，这些应用包括储罐或压力容器的纵 向焊缝，可转动施工的圆形结构（ 如管道等） 的环向焊缝 等。 但是，埋弧焊一般不适用于焊接厚度＜ １ ５ ｍ ｍ ，或直 径低于 ２ ０ ０ ｍ ｍ 的管道结构。
二、韧性要求
在 Ｌ Ｎ Ｇ 设施中的各种奥氏体不锈钢结构，根据具体 装备的不同用途，其设计最低工作温度不尽相同，为便 于测试和结果比较，统一评定标准，冲击韧性的试验温 度一般都规定在－ １ ９ ６ ℃下进行，这样试验样品很容易 在液氮中进行冷却。 采用 Ｖ 形缺口的却贝冲击试样，试 样的韧性由冲击功衡量，而断裂塑性则由样品的侧面膨 胀量来反映。
在 Ｌ Ｎ Ｇ 设施的建造和安装工程中，不可避免 地要涉及到大量的管道系统，特别是在超低温下服 役的 ３ ０ ４ Ｌ 和 ３ １ ６ Ｌ 类奥氏体不锈钢管道系统的焊 接。 本文将着重讨论在Ｌ Ｎ Ｇ 项目中设计工作温度为 － １ ９ ６ ℃的不锈钢结构的焊接及焊接材料。
表１ 低温合金及其相应的焊接材料
（ＥＲ８０Ｓ—Ｎｉ２）
（Ｅ８０１８—ＣBiblioteka Baidu）
—
－７５
３％Ｎｉ 低合金钢
曼彻特 ２％～３％Ｎｉ 低合金钢焊材
２Ｎｉ焊丝 （ＥＲ８０Ｓ—Ｎｉ２）
（ＥＲ８０Ｓ—Ｎｉ３）
Ｔｕｆｍｅｔ３ Ｎｉ．Ｂ （Ｅ８０１８—Ｃ２）
—
－１０１ ３％～５％ Ｎｉ 低合金钢
曼彻特１８２型 镍基合金焊材
２０．７０．Ｎｂ焊丝 （ＥＲＮｉＣｒ—３）
三、焊接工艺方法及其应用场合
在 Ｌ Ｎ Ｇ 设施的建造施工中，目前主要有五种常用的 电弧焊工艺，这些方法各有特点，适用于不同的场合和 结构。
（１ ）钨极氩弧焊 （ Ｇ Ｔ Ａ Ｗ ，以下简称Ｔ Ｉ Ｇ 焊） 。 （２ ）气体保护焊 （ Ｇ Ｍ Ａ Ｗ ，以下简称Ｍ Ｉ Ｇ 焊） 。 （３ ）焊条电弧焊 （ Ｓ Ｍ Ａ Ｗ ） 。 （４ ）药芯焊丝焊接 （ Ｆ Ｃ Ａ Ｗ ） 。 （５ ）埋弧焊 （ＳＡＷ） 。 Ｔ Ｉ Ｇ 焊（ Ｇ Ｔ Ａ Ｗ ） 通常用来进行管道焊接的打底焊， 在薄壁小直径管道焊接时，接头也可完全由钨极氩弧焊 完成。氩弧焊的优点是易于控制，焊缝金属质量优良。因 此，在焊接接头需要严格控制，焊缝质量要求很高的应 用时，Ｔ Ｉ Ｇ 焊工艺无疑是最佳的选择。当然，其施工生 产率则相对较低。 尽管使用实芯焊丝的 Ｍ Ｉ Ｇ 焊（ Ｇ Ｍ Ａ Ｗ ） 目前已能够获 得具有良好低温韧性的焊接接头，但是由于在获得理想 且稳定的焊接工艺性能方面的难度，这种方法还没有在 液化天然气项目，特别是一些关键设备的建造中得到广 泛采用。而适于采用自动或半自动焊接的 Ｌ Ｎ Ｇ 结构，目 前已开始大量应用气体保护药芯焊丝焊接工艺，这也是 曼彻特基于药芯焊丝的诸多优点，推荐采用的自动焊工 艺。 由于其简单易行的特点，焊条电弧焊（ Ｓ Ｍ Ａ Ｗ ） 目前 仍然是工程应用中采用得最为普遍的工艺，这种方法使 用的设备相对简单，而且不需要保护气体，因此最适于 在现场施工中采用。手工焊在液化天然气项目中的成功 应用不仅受所用焊条的设计和质量的影响，同时在很大 程度上也取决焊工的技术与焊条工艺性能的结合。 所以， 优良的液化天然气结构用焊条，需要合理的合金设计和 理想的焊接工艺性能的完美结合。 作为采用连续焊丝的焊接方法，由于其很高的焊 接熔敷率以及新型焊丝优良的全位置焊接能力，气体 保护的药芯焊丝焊接（Ｆ Ｃ Ａ Ｗ ）已开始大量使用于传统 上采用焊条电弧焊施工的领域。这种方法在设备使用 上与实芯焊丝 Ｍ Ｉ Ｇ 焊很相似，但焊丝是药芯焊丝。药 芯焊丝的优点包括其优良的全位置焊接能力，灵活的 熔敷金属合金成分调整和理想的焊缝外观成形。 与焊 条电弧焊相比，药芯焊丝的最大特点是有很高的焊接 生产效率，这在固定或非固定的管道焊接中，特别是
焊 接 材 料 特 别 策 张筑耀：焊接冶金博士，１９９５ 年加 划 入曼彻特公司，曾在中国华中理工大学，
英国南安普敦大学和巴布科克公司工作，
专 现任曼彻特研究开发部主管经理。 辑
工作温度 母材
／℃
合金类型
焊接材料 合金类型
适用焊接材料及工艺方法
ＴＩＧ 和 ＭＩＧ 焊 （ＧＡＴＷ／ＧＭＡＷ）
焊条电弧焊 （ＳＭＡＷ）
本文详细介绍了不同焊接工艺方法得到的焊缝金属 的力学性能，以及为确保焊缝金属取得稳定的超低温韧 性，对焊缝化学成分、组织和焊接工艺所需要采取的控 制措施。作为实际应用的实例，介绍了曼彻特焊接材料 公司推出的完整系列的控制铁素体（Ｃ Ｆ ）特殊奥氏体不 锈钢焊接材料，这些焊材专门适用于液化天然气项目的 不锈钢结构及管线的建造。
Ｕｌｔｒａｍｅｔ３ １６ＮＦ （ＥＮ ： Ｅ １８ １５ ３ ＬＲ）
Ｕｌｔｒａｍｅｔ Ｂ３１６ＮＦ （ＥＮ： Ｅ １８ １５ ３ Ｌ Ｂ）
Ｓｕｐｅｒｃｏｒｅ３ １６ＮＦ （ＥＮ ： Ｔ １８ １６ ５ ＮＬＲ）
通常，这类不锈钢不但具有优良的耐腐蚀性，而且 也有很好的超低温韧性，在非常低的工作温度下，能够 有效地防止恶性脆性断裂事故的发生。与随温度的降低， 有着明显的塑 － 脆性断裂转变的低合金钢相比，低碳奥 氏体不锈钢的这种性能在设计使用温度可达－ １ ９ ６ ℃， 甚至－ ２ ６ ９ ℃的 Ｌ Ｎ Ｇ 设备中有着特殊的优势。与普通低 碳奥氏体钢焊材不同，专门用于 Ｌ Ｎ Ｇ 设施的不锈钢焊材 熔敷金属的铁素体含量需要严格控制在 ２ ～５ Ｆ Ｎ 的范围， 以确保焊缝金属满足超低温韧性要求，因此也称控制铁 素体，即“ＣＦ”（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｆｅｒｒｉｔｅ ）焊材。同时，优化平 衡的 Ｃ ｒ 、Ｎ ｉ 当量比率，又保证了焊缝组织具有超强的抗 结晶裂纹（ 也称热裂纹） 性能。
１ ．δ铁素体含量及其影响 ３ ０ ４ Ｌ 和 ３ １ ６ Ｌ 类不锈钢母材的典型显微组织为全奥 氏体。 但是，为确保焊缝金属具有足够的抗结晶裂纹的 能力，相应的焊接材料的化学成分需要进行必要的调 整，以使相应的焊缝金属在冷却凝固时能够析出一定量 的抗裂性强的δ铁素体相 （其含量一般以铁素体数－ Ｆｅｒｒｉｔｅ Ｎｕｍｂｅｒ ，ＦＮ －来定量描述），冷却后获得奥氏体 加少量δ铁素体相的组织。 然而，试验结果显示，普通 焊材通常允许的铁素体含量会防碍需用焊剂保护的焊接 方法的焊缝金属取得满意的超低温韧性。为此，各种国 际标准规定了不同的超低温奥氏体不锈钢焊缝金属最高
但是，需用焊剂保护的其他焊接方法，如手工焊、药 芯焊丝和埋弧焊等，焊缝金属不可避免地含有较高的非 金属夹杂物，特别是金属氧化物。因此，普通的 ３ ０ ８ Ｌ 和 ３ １ ６ Ｌ 类焊接材料就不能满足要求，相应的焊材需要采取 特别的附加冶金控制措施，以确保其焊缝金属达到所需 的超低温韧性。这里，有三个方面最为重要： 焊缝组织 的铁素体含量、合金成分控制和焊剂的类型。下面将分 别讨论这三个方面的影响和控制因素。
允许铁素体含量，例如，美国焊接学会（ Ａ Ｗ Ｓ ） 不锈钢焊 条电弧焊标准 Ａ ５ ． ４ 的附件详细描述了这方面的有关细 节，并建议焊缝金属最高允许铁素体含量应控制在 ３ Ｆ Ｎ ， 或是 １ ０ ０ ％ 的全奥氏体组织，且认为碱性焊剂系统优于 酸性的氧化钛型。 Ａ Ｐ Ｉ ５ ８ ２ 指导规范则要求铁素体必需 高于 ３ Ｆ Ｎ ，但同时该规范也指出，对于超低温应用，较 低一些铁素体含量也许是必需的。
四、焊接工艺方法以及影响焊缝金属韧 性的因素
不同的焊接工艺方法对相应的焊缝金属的韧性有不 同程度的影响，采用气体保护的工艺，如 Ｔ Ｉ Ｇ 和 Ｍ Ｉ Ｇ 焊，由于焊接过程中的良好保护，得到的焊缝金属含有 最少量的显微非金属夹杂物（ｎｏｎ－ｍｅｔａｌｌｉｃ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ） ， 在各种温度下均具有优良的韧性。因此，在 Ｌ Ｎ Ｇ 设备的 超低温不锈钢结构的建造中，使用 Ｅ Ｒ ３ ０ ８ Ｌ ／ Ｅ Ｒ ３ ０ ８ Ｌ Ｓ ｉ ， Ｅ Ｒ ３ １ ６ Ｌ ／ Ｅ Ｒ ３ １ ６ Ｌ Ｓ ｉ 等标准低碳奥氏体不锈钢焊丝均能获 得满意、稳定的超低温冲击韧性，而且不需要特别的工 艺控制措施。
药芯焊丝焊接 （ＦＣＡＷ）
Ｃ－Ｍｎ
－５０
低合金钢
曼彻特 １％Ｎｉ 低合金钢焊材
１Ｎｉ焊丝 （ＥＲ８０Ｓ—Ｎｉ１）
Ｔｕｆｍｅｔ１ Ｎｉ．Ｂ （Ｅ８０１８—Ｃ３）
曼彻特 ＤＷＡ５５Ｅ （Ｅ８１Ｔ１—Ｎｉ１）
Ｃ－Ｍｎ（＋Ｎｉ）
曼彻特 ２％Ｎｉ
２Ｎｉ焊丝
Ｔｕｆｍｅｔ２ Ｎｉ．Ｂ
－６０
低合金钢
低合金钢焊材
液化天然气（ Ｌ Ｎ Ｇ ）
Topical Review 专题综述
用超低温不锈钢的焊接及焊接材料
Ｍｅｔｒｏｄｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ （Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅｓ）， ＵＫ 英国曼彻特焊接材料公司
Ｇ ｒ ａ ｈ ａ ｍ Ｈ ｏ ｌ ｌ ｏ ｗ ａ ｙ ： １９９４年加入曼 彻特公司， 曾在英国焊接研究所（ＴＷＩ ） 等机构从事焊接工艺及冶金的研究工作， 现任曼彻特技术支持部主管经理。
ＥＲ３０８ＬＣＦ 焊丝 （ＥＲ３０８Ｌ）
Ｕｌｔｒａｍｅｔ３ ０８ＬＣＦ
ＵｌｔｒａｍｅｔＢ３０８ＬＣＦ Ｓｕｐｅｒｃｏｒｅ３ ０８ＬＣＦ
（改良型Ｅ ３０８Ｌ —１６） （改良型Ｅ ３０８Ｌ —１５） （改良型 Ｅ３０８ＬＴ１ — ４）
３１６／３１６Ｌ ３１６Ｌ类控制铁素体 －１９６ 奥氏体不锈钢 超低温奥氏体不锈钢
对 Ｌ Ｎ Ｇ 设备焊接接头的韧性要求通常以却贝冲击 试样的侧面膨胀量为标准，用于 Ｌ Ｎ Ｇ 加工处理的管道系 统的 Ａ Ｓ Ｍ Ｅ 规范（即 Ａ Ｓ Ｍ Ｅ Ｂ ３ １ ． ３ 标准）要求－１ ９ ６ ℃ 冲击横向膨胀量必须＞ ０ ． ３ ８ ｍ ｍ ，这一要求已被Ｌ Ｎ Ｇ 项目 普遍采用，甚至一些不要求按 Ａ Ｓ Ｍ Ｅ 规范的项目也采用 这一规定。当然，还是有不少欧洲的 Ｌ Ｎ Ｇ 项目对却贝冲 击能量值有具体要求，例如，按 Ｔ ¨Ｕ Ｖ 标准设计建造的项 目常常要求却贝冲击功必须 ＞ ４ ０ Ｊ ／ ｃ ｍ ２ ，这相当于标准 却贝冲击试样的 ３ ２ Ｊ 。本文比较了却贝冲击功与侧面 膨胀量的关系，但在数据的分析讨论中，一般都假定 设计韧性要求均为－ １ ９ ６ ℃却贝冲击试验最低侧面膨 胀量＞０．３８ ｍｍ 。
ＥＲ３１６ＬＣＦ 焊丝 （ＥＲ３１６Ｌ）
Ｕｌｔｒａｍｅｔ３ １６ＬＣＦ
ＵｌｔｒａｍｅｔＢ３１６ＬＣＦ Ｓｕｐｅｒｃｏｒｅ３ １６ＬＣＦ
（改良型Ｅ３１６Ｌ—１６） （改良型Ｅ３１６Ｌ—１５） （改良型 Ｅ３１６ＬＴ１ — ４）
３０４Ｌ／３１６Ｌ ３１６Ｌ类无铁素体 ＥＲ３１６ＭｎＮＦ 焊丝 －２６９ 奥氏体不锈钢 超低温奥氏体不锈钢 （ＥＮ： ２０ １６ ３ Ｍｎ Ｌ）
Ａ ｄ ａ ｍ Ｍ ａ ｒ ｓ ｈ ａ ｌ ｌ ： １９６６ 年加入曼 彻特公司，长期从事焊接材料的研究和 开发工作，现任公司总冶金师。
不锈钢等。表 １ 详细列出了液化天然气设施中，各
图１ 液化天然气运输船和接收站
种工作温度和所需用的不同合金及其相应的焊接材 料（ 不包括铝合金） 。
一、引言
近年来，随着全球范围液化天然气（ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ－ＬＮＧ） 消耗量的持续增长，对
建造新 Ｌ Ｎ Ｇ 设施的需求也在不断增加。这些设施包括开采、运输、加工、储存及输送设
备等（ 见图 １ ） 。它们的服役温度、工作环境和力学状 态不尽相同，因此需要各种不同的合金及焊接材 料，如铝合金、Ｃ Ｍ ｎ 低合金钢、９ ％ Ｎ ｉ 钢和奥氏体
Ｎｉｍｒｏｄ １８２ＫＳ 或ＡＫＳ （ＥｎｉＣｒＦｅ—２或３）
—
６２－５０或ＨＡＳ Ｃ２７６
－１９６
９％ 钢
６２５ 或哈氏Ｃ２７６型
焊丝
镍基合金焊材 （ＥＲＮｉＣｒＭｏ—３或４）
Ｎｉｍｒｏｄ ＮＣＭ６ （ＥｎｉＣｒＭｏ—６）
—
－１９６
３０４／３０４Ｌ ３０８Ｌ类控制铁素体
奥氏体不锈钢 超低温奥氏体不锈钢