CN101412136A - 大型液态天然气储罐焊接工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型液态天然气储罐焊接工艺方法，焊接使用交流方波电源，焊接工艺参数为8.156－24.32KJ/cm，线能量18.9－24.32KJ/cm的层间温度300℃，选用低碳型镍基焊丝。本发明克服了焊接电弧磁偏吹问题，既可避免碳刨时对9％Ni钢的影响，又可以节省焊材及劳动力，加快了施工进度，提高了焊接效率；使用本工艺焊接能提高焊接区粗晶粒区的低温韧性，避免熔合区产生脆性组织，防止焊接冷、热裂纹的产生，焊缝质量优良，有效地保证了9％Ni钢焊接接头的低温韧性。很好地控制焊缝质量，保证了天然气储罐的整体质量。

Description

大型液态天然气储罐焊接工艺方法

技术领域

本发明属焊接领域，特别是涉及一种耐低温材料的焊接工艺。

背景技术

天然气又名LND可以在-162℃低温下液化，液化后的体积只有气态的1/600，使于储罐和运输，且很容易将其气化，因此液态天然气是储罐和调峰最经济的手段。

上海燃气集团五号沟LNG事故备用站扩建工程中，2台50000m3LNG储罐，外罐为预应力混凝土罐壁，内衬碳钢板，内罐为9％Ni钢板焊制，建造LNG储罐的关键技术，是9％Ni钢的焊接。50000m3LNG储罐，是全包容类型储罐，外罐预应力钢筋混凝土罐壁，外罐内径φ54.8m，罐壁高度29.3m，罐顶混凝土厚度400mm；内罐为9％Ni钢，内罐内径：φ52.5m，高度为26.73m。材质为9％Ni钢，内罐直接接触LNG低温介质。

9％Ni钢是低温马氏体型低温钢，在-165℃低温工作条件下，具有良好的低温韧性和较高的强度，其脆性转变温度低于最低工作温度，在低温下，组织稳定，不发生力学性能与物理性能的相变，因此9％Ni钢其低温性能可满足LNG储罐要求，但9％Ni钢的焊接有很高的技术难度：

①焊接接头的低温韧性问题，焊接接头需作-196℃冲击试验，冲击值大于35J，由于9％Ni钢是经热处理提高性能的钢种，由于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钢焊接时，有可能产生焊接热裂纹，热裂纹的产生与应力、化学成分、杂质有关。

如焊材与9％Ni钢在室温和高温下的线胀系数差异较大，则焊接过程中，因不均匀的热胀冷缩会产生热应力，有可能产生裂纹。

热裂纹的产生与焊接金属结晶过程中的低熔点杂质偏析的数量及分布有关，液态金属结晶过程越长，偏析越严重，偏析产生的低熔点杂志分布在晶界上，有可能产生裂纹。

③焊接冷裂纹问题

9％Ni钢焊接时，也有一定的冷裂纹敏感性，其原因是应力、脆性组织及高氢条件。

焊接接头应力，包括拘束应力、组织应力和热应力。特别是当施焊第一层焊缝时，由于根部的冷却速度较快，拘束应力较大。

焊缝中氢的积聚主要由于焊条扩散氢含量及坡口的不清洁(如有水，油污及有机物)，以及施焊环境，湿度等有关。

熔合线出现冷脆的马氏体带。

④焊接电弧磁偏吹问题

9％Ni钢对磁化敏感，当用直流焊机施焊时，会形成定向磁场，对9％Ni钢会进一步磁化，如剩磁过大，焊接时会产生电弧磁偏吹，磁偏吹一旦产生，就有一定的持续长度，有可能产生整条焊缝未熔合，未焊透和条状夹渣并存，严重影响焊接质量。因此，焊接接头的低温韧性降低，冷、热裂纹倾向、母材的磁化敏感，是9％Ni钢焊接的主要难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大型液态天然气储罐焊接工艺方法，以解决现有技术中焊接困难的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种大型液态天然气储罐焊接工艺方法，其特征是：焊接使用交流方波电源，焊接工艺参数为8.156-24.32KJ/cm，线能量18.9-24.32 KJ/cm的层间温度300℃，选用低碳型镍基焊丝。

焊接坡口角度范围60-90℃，错口值范围15-20℃。

焊丝直径φ2.4。

焊接坡口为K型坡口(10)，首先焊接大坡口(11)，然后对背面小坡口(12)碳刨清根，再用砂轮打磨清除表面氧化层，并将刨槽打磨光滑，最后焊接小坡口(12)。

焊接大坡口(11)时背面小坡口(12)用焊剂保护。

当焊接δ＝14.3mm的环焊缝时，大坡口侧采用三层六道，背面焊二层，使用埋弧自动横焊，三台埋弧焊机均布，同向，同步施焊。

有益效果

本发明的工艺采用交流方波电源用控制波形的方法，克服了用直流电源会形成定向磁场，会产生电弧磁偏吹和使用正弦波焊接存在电弧的宽度变窄，焊道上侧的熔合情况变差，熔池较浅的缺陷；焊接大坡口时背面小坡口用焊剂保护，使背面的成形良好，可大幅度减少清根工作量，只用砂轮稍加修整，经渗透检测合格后，即可焊接小坡口，这样即可避免碳刨时对9％Ni钢的影响，又可以节省焊材及劳动力，加快了施工进度，提高了焊接效率。

使用本工艺焊接能提高焊接区粗晶粒区的低温韧性，避免熔合区产生脆性组织，防止焊接冷、热裂纹的产生，焊缝质量优良，有效地保证了9％Ni钢焊接接头的低温韧性。很好地控制焊缝质量，保证了LNG储罐的整体质量。

附图说明

图1为焊接K型坡口示意图；

图2为交流方波电波形图；

图3为埋弧自动横焊机构结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

1.采用交流方波电源：

埋弧自动焊用的电源，有直流与交流两种，用直流电源，焊道铺得开，熔合良好，但由于直流电源施焊时，向同一方向施加电流，会形成定向磁场，而对于9％Ni钢这种磁化敏感材料，一旦产生了磁性则不易消除，如剩磁超过50高斯，会产生电弧磁偏吹，严重影响焊接质量，为解决9％Ni钢的磁化问题，需选择交流电源。

但交流电源，如采用正弦波，则存在电弧的宽度变窄，焊道上侧的熔合情况变差，熔池较浅，因此交流正弦波被认为是不合适的。

所以选择交流方波电源，用控制波形的方法，克服了使用正弦波焊接的缺陷，方波结合了直流负接和直流正接的优点，得到最大的熔敷效率，达到最佳的焊缝成形，确保熔合良好，减少有益元素的损伤，保证其低温韧性。

2.采用背面焊剂保护：LNG储罐的9％Ni钢内罐环缝的坡口型式为K型坡口，施焊顺序为大坡口焊接后，背面小坡口需碳刨清根，再用砂轮打磨清除表面氧化层，并将刨槽打磨光滑，经渗透检测合格后，再进行焊接。

碳刨清根存在如下问题：

a.碳刨清根用的是大功率的直流焊机，对9％Ni钢有磁性影响。

b.碳刨清根时，将焊缝根部刨去一层，多消耗焊材及劳动率。

本发明背面小坡口采用焊剂保护，使背面的成形良好，可大幅度减少清根工作量，只用砂轮稍加修整，经渗透检测合格后，即可焊接。这样即可避免碳刨时对9％Ni钢的影响，又可以节省焊材及劳动力。

3.防止焊接冷、热裂纹的方法

a.从三个方面防止冷裂纹产生

①如熔合区出现硬化后，则会产生焊接冷裂纹倾向。为避免熔合线出现硬脆的马氏体带，选用低碳型Ni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，避免熔合线出现硬脆组织，从而防止冷裂纹的产生。

②减少焊接接头应力：用线能量较小的焊接规范，控制热应力，不强力组装及合理的焊接顺序，对称、同步施焊，减少拘束应力，以控制冷裂纹产生。

③防止氢致裂纹：焊口表面清洁，将水、油污及有机物清除掉，在大气湿度超过90％时，停止施焊，雨、雪天停止施焊，母材金属温度低于0℃时，预热到手感温度。焊材严格烘干后使用，以避免氢的积累，以防止氢致裂纹。

b.防止热裂纹的措施

热裂纹的产生与焊缝金属结晶过程中的低熔点杂质偏析有关，结晶过程越长，偏析越严重，而产生裂纹，本工艺采用了较小线能量，较细的焊丝，以防止焊接热裂纹。

焊接时使用的设备如图3所示，包括焊接电源1、焊剂回收机构2、行走机构3、焊剂托架4，所述的行走机构3放置在壁板5上，

为确定交流埋弧自动横焊方法，焊接9％Ni钢的最佳焊接工艺参数，用9％Ni钢板制作试板，按ASME SEC IX焊接工艺评定的内容作了一系列试验：

①试验用电源：选用林肯AC/直流1000型用其交流方波输出模式。

②埋弧自动焊横焊机：型号为YSAGW-1型，背面带焊剂保护机架。

③试验用焊材：试用了不同厂商及不同型号的焊材，选定德国蒂森公司的焊丝，THERMANITNiMoC276；符合AWS ERNiCrMo-4直径φ2.4mm，相匹配的焊剂：MARATHON 104该种焊丝不易产生裂纹。

④焊接工艺参数的选择选择了中间线能量、高线能量、低线能量三种热输出进行试验。

⑤试板作了如下试验

a.X射线检测     b.拉伸试验      c.弯曲试验      d.-196℃冲击试验

e.宏观金相试验  f.微观金相检验  g.显微硬度检测  h.剩磁测定

⑥在焊接过程中作了方波调整及波形测定。

表1 焊接工艺参数汇总表

表 2力学性能试验汇总表

注：试板经X射线检测合格后，再做力学性能试验

表3 试板剩磁测定高斯特拉(mT)1mT＝10GS(高斯)

试验结果表明：

①选择的焊接参数是适合的，力学性能试验各项数据均符合规范要求，焊缝及热影响区的-196℃冲击值，大大高于规范要求，硬度测定值表明无脆性层存在，保证低温性能的措施是有效的。

②选用的焊丝焊剂是适合的，防止焊接冷、热裂纹的措施是成功的，试板经X射线检测，未发现任何裂纹。

③为了防止电弧磁偏吹，选用交流方波电源，采用交流电源，从根本上防止产生磁性。

④背面用焊剂保护，背面成型良好。

在试验成功的基础上，在2台50000m3LNG储罐安装过程中具体实施。

50000m3LNG储罐，其内罐材质A553TypeI(9％Ni钢)直径为φ52.5m，高度26.73m，由九圈壁板组成，每圈壁板由14块钢板组成，宽度为2.97m，壁厚17.7mm—8mm，环缝长度1319.47m/台罐，纵缝372.22m/台罐，环缝长度是纵缝的3.53倍，为加快施工进度，提高焊接效率，环缝采用埋弧自动焊。

1.埋弧焊机：选用南京佳创机电设备有限公司生产的低温储罐用YS-AGW-LNG-1单面埋弧横焊机，背面带焊剂保护。共购买6台，由于二台储罐同时施工，每台罐配备3台，每台横焊机施焊约55m。

2.电源：选用林肯AC/直流-1000型，与埋弧焊机配套使用，用其交流方波，以防止9％Ni钢的电弧磁偏吹。

3.焊接材料：焊丝，选用德国蒂森THERMANIT NiMo C276直径φ2.4，符合AWS ERNiCrMo-4焊剂：蒂森MARATHON 104选用较细的，以防止焊接热裂纹。

4.焊接工艺评定

按试验合格的焊接参数，用本工程适用的试板厚度：8mm试板，按ASME SECIV进行焊接工艺评定，试板焊接后，经力学性能试验及-196℃冲击试验合格后，按评定合格的焊接工艺，编制焊接工艺评定(WPS)，用于指导现场施工，为保证内罐焊缝的低温韧性，编制的WPS，线能量选择在10—22KJ/cm，最高层间温度小于100℃，最低预热温度大于10℃。

5.焊工资质：按ASME SEC IX进行焊接操作工培训，合格后才能上岗操作，以保证操作工能正确的使用埋弧焊机及掌握埋弧焊技术，保证内罐的焊接质量。

6.焊道布置：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，如图1所示，采用多层多焊道，δ＝14.3mm的环焊缝，大坡口侧采用三层六道1，2，3，4，5，6，背面焊二层7，8，三台埋弧焊机均布，同向，同步施焊。

7.焊材管理

为控制焊接冷裂纹的产生，焊材严格管理，按规定存放、烘干、发放、回收。焊剂烘干后放在焊剂桶中发放，超过二次烘焙的焊剂不允许使用。

8.焊接工艺控制

①线能量控制：线能量由焊工自控，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。

②层间温度监控：现场配备测温仪，由焊工自控，焊接检验员抽检。

③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。

④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，然后进行渗透检测，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，最后经渗透检测合格。

9.打磨控制

①打磨采用专用氧化铝砂轮及不锈钢丝刷。

②焊前打磨：坡口面内及坡口两侧15mm—20mm，宽度范围内的铁锈及油污等清理干净，直至呈现金属光泽。

③碳刨清根打磨：9％Ni钢碳刨清根后，应打磨清除表面氧化层，打磨深度至少1.6mm，并打磨成有利于焊接的形状，经渗透检验合格后，再焊接。

④成型打磨，在焊接结束后对焊缝进行成型打磨，表面不得有妨碍无损检测的缺陷存在。

10.焊缝检查

焊缝经目视检查后，环焊缝按API620附录Q，图Q-2圆柱形平底储罐筒体对接焊缝焊缝的射线探伤要求，进行RT检测。按ASME SECVIIIUW-51(b)的要求进行评定。

11.X射线检测结果

①胶片：用AgFa-D7 400mm×100mm。

②相质计：镍基型相质计，根据ASME SEC V T-276选用group3 INCONEL 15#-17# IQL孔型镍合金相质计。

③由于母材与焊缝金属密度不同，同一位置拍二张片，一张针对母材热影响区，另一张针对焊缝金属。

④环缝实际拍片数量(仅指单片数量)

 

罐号	拍片数量	返修片	一次合格率
				2#罐	2164	7	99.67％
3#罐	1778	8	99.55％

注：最终合格率均为100％，返修片均一次返修成功。

12.实际焊接效率

根据2台50000m3LNG储罐9％Ni钢内罐焊接效率分析，埋弧自动焊比手工电弧焊焊接速度快5—6倍，且焊工劳动强度大幅度降低。

Claims (6)

1.一种大型液态天然气储罐焊接工艺方法，其特征是：焊接使用交流方波电源，焊接工艺参数为8.156-24.32KJ/cm，线能量18.9-24.32KJ/cm的层间温度300℃，选用低碳型镍基焊丝。

2.如权利要求1所述的大型液态天然气储罐焊接工艺方法，其特征是：焊接坡口角度范围60-90℃，错口值范围15-20℃。

3.如权利要求1或2所述的大型液态天然气储罐焊接工艺方法，其特征是：所述焊丝直径φ2.4。

4.如权利要求3所述的大型液态天然气储罐焊接工艺方法，其特征是：所述的焊接坡口为K型坡口(10)，首先焊接大坡口(11)，然后对背面小坡口(12)碳刨清根，再用砂轮打磨清除表面氧化层，并将刨槽打磨光滑，最后焊接小坡口(12)。

5.如权利要求4所述的大型液态天然气储罐焊接工艺方法，其特征是：焊接大坡口(11)时背面小坡口(12)用焊剂保护。

6.如权利要求5所述的大型液态天然气储罐焊接工艺方法，其特征是：当焊接δ＝14.3mm的环焊缝时，大坡口侧采用三层六道，背面焊二层，使用埋弧自动横焊，三台埋弧焊机均布，同向，同步施焊。

Images