LNG储罐焊接技术及发展

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：ＬＮＧ储罐工艺设计数据项目内罐外罐储存介质ＬＮＧ（液化天然气蒸汽）有效容积(m3)165.000m3工作温度(℃)－165－3.5设计最低温度(℃)-196-20最高工作压力（MPa）0.5设计压力（MPa）0.75安全阀起跳压力（MPa）0.55直径(mm)8000082000最大设计液位(mm)37385射线探伤100%罐外低温管线100%腐蚀裕量01焊缝系数1.0罐底1.0,其余0.9主体材质9%NiA516Gr380、A36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、A516Gr4502.29%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)α+γ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钢化学成分化学成分CMnSiSPCrNiCuMoNb规定值Max0.13Max0.90.15-0.4Max0.002Max0.009Max0.308.5-9.5Max0.40Max0.12Max0.02A553TYPE1钢机械性能机械性能δs（MPa）δb（MPa）延伸率(%)冲击功（J）-196℃侧向膨胀值规定值≥585690-825≥20≥50≥0.381mm2.39%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》ASMEⅨ《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