CN101678493B - 缝焊36Ni-Fe合金结构及其制造和使用方法 - Google Patents

缝焊36Ni-Fe合金结构及其制造和使用方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种由36％Ni-Fe合金钢制成的焊接结构及其制造方法，这种焊接结构用于存储容器、管道和其它与低温物质相关的设备。焊接钢在焊缝和基体钢内具有相似的热膨胀系数。

Description

缝焊36Ni-Fe合金结构及其制造和使用方法
相关申请的交叉参考
不适用。
关于联邦资助研究的声明
不适用。
技术领域
本发明涉及焊接钢及其制造方法，这种焊接钢用于存储容器、管道和其它设备。更具体地，这种焊接钢，包括焊缝本身，由具有低热膨胀系数的铁镍合金形成。这种焊接钢可以用于形成适于运输和/或存储低温物质——例如液化天然气(LNG)——的结构。
背景技术
在诸如油和气的各种行业中，需要在低温条件下存储和运输物质，其中，物质可能是从气态冷却并且液化而来。例如，需要在低温条件下——例如从-110℃到大约-170℃的温度范围——并且压力在从大约大气压到大约6000kPa的宽范围内存储和运输LNG的容器。还需要在低温下安全经济地存储和运输其它压缩流体——例如，氧气、氮气、氦气、氢气、氩气、氖气、氟、空气、甲烷、乙烷、丙烷——的容器。
当选择材料以存储或者运输低温物质时，存在许多挑战。所选择的材料必须保持足够的延展性和拉伸强度，以避免在低温条件下失效。易于延展的材料是优选的，因为在过大的应力下它们会变形，而脆性材料则破碎。许多材料随着温度降低从易于延展过渡到易于破碎，使得它们不适于低温应用。同时，材料必须还具有低的热膨胀系数(CTE)。CTE确定了材料随着温度降低的收缩量。这种收缩在低温结构内部产生热应力并且改变它的几何外形；所以较低的CTE可以减少这种效应。尤其是，低温管经常需要将管卷成环状，以阻碍管中的流动作为代价来缓解由于高CTE导致的热应力。
通常，低温结构优选使用金属，因为它们在低温下具有高的机械强度和延展性。尽管许多金属在低温下易碎，但是具有面心立方晶体结构(fcc)的金属——例如，铝、铜、镍及其合金——是易于延展的。包括按重量计35-50％的镍的镍铁合金由于其低的CTE是优选的fcc金属。有时称作FeNi36并通常由Imphy Alloys公司在商标“Invar”下出售的36％Ni-Fe合金由于其特别低的CTE是优选的。
使用金属加工低温结构也会产生独特的困难。希望生产出整体具有一致的材料特性的结构。尤其是，希望低温结构具有一致的机械强度和热膨胀特性。如果结构不具有一致的机械强度，断裂将可能首先发生在机械强度较小的区域，而机械强度较大的区域则能够承受此时的应力。同时，不均匀的热膨胀行为在低温条件下产生额外的应力。当结构的一个区域由于较高的CTE而具有较大的收缩时，沿着高低CTE之间的边界产生额外的应力，这会导致机械失效。这种现象通常称作“CTE失配”。
为避免机械强度和CTE的不一致(variance)，金属低温结构经常由单个模具或者坯件形成，以获得均匀的材料特性。例如，金属管可以由单个钢坯通过首先将该钢坯加热到大约1000℃并然后使用曼内斯曼式穿孔方法沿该钢坯的轴线穿一纵向孔而形成。然后，通过一系列的挤压和热/冷尺寸成形(sizing)方法将壁厚和直径形成期望的几何尺寸。对于低温结构，这种获取均匀机械强度和CTE的工艺是有效的，然而，由于经济性和尺寸上的考虑，它们的使用受到限制。通常，由于高温和需要进一步的挤压和尺寸成形，形成坯件或者模具比其它技术更昂贵。并且，成形结构的整体尺寸受到模具体积或者待加工坯件体积的限制。由于当前通过铸造、锻造或者其它任何方法制造的模具或者坯件的体积有限，由单个模具或者坯件形成超过特定尺寸的金属低温结构是不实际的。运输限制也约束了由单个模具或坯件形成的结构的尺寸。
作为由单个模具或坯件形成金属低温结构的替代，可使用焊接工艺来形成结构，其中，材料沿着接缝连接在一起。典型的焊接工艺涉及沿着接缝应用一些能源，以形成材料熔池，材料熔池在冷却时聚结并形成密闭接头。有许多能源可以用于焊接低温结构，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波。
通常沿着接缝添加填料，以帮助基体材料/母材的焊接。填料在焊接过程中熔化，并且聚结成为沿着接头接缝固化的焊道(weld bead)的一部分。填料通常用来改进各种焊接特性。例如，可以通过选择一种填料使得焊缝的机械强度超过基体材料的机械强度，以确保沿着焊缝不会发生机械失效。
低温结构使用焊接技术的一个例子是生产管。管可以通过使用高速卷绕成型机床首先把金属板成型为具有规定直径、长度和纵向接缝区域的管状形状制成。然后，根据管道和低温工业标准要求，使用机械强度大于基体材料的金属填料利用气体保护钨极电弧焊技术——也称作钨极惰性气体保护焊(TIG)——进行焊接。
焊接技术经常优选用于生产低温结构，这是因为，与形成坯件或者模具相比，焊接技术可以生产更大的结构并且更经济。取代形成坯件或者模具，原材料可以是通过低成本连铸形成的金属板。如果需要，焊接工艺允许连接多个金属板。因此，所制造的结构的尺寸不会受到原材料的限制，在一些例子中，为避免运输限制，可以在现场制造。此外，焊接工艺本身也比挤压和/或热加工和冷加工中的一种更经济。
尽管有这些优点，焊接技术用于生产低温结构依然受到限制，因为它们会固有地产生不均匀的材料特性。由于焊接过程会沿着接缝产生不同的微结构，焊缝通常具有不同的机械特性。典型地，使用与基体金属匹配的填料进行焊接会沿着接缝产生较大的晶粒尺寸，这会导致焊缝的机械强度较低，易于引起失效。为避免沿着焊缝出现失效，经常使用机械强度较高的填料来使得焊缝强度高于基体材料强度。然而，用于焊接36％Ni-Fe合金的强度较高的填料通常比基体材料具有更大的CTE(为获取更高强度而添加合金)，这导致CTE失配从而在低温条件下可能导致失效。所以，当前存在着对改进的缝焊36％Ni-Fe合金结构及其制造和使用方法的持续需求。
发明内容
本发明涉及一种结构焊接工艺，该结构的焊缝和基体材料具有相似的热膨胀系数。更具体地，本发明涉及用36％Ni-Fe合金制造结构——例如，用于诸如运输、输送或者存储低温液体的低温应用领域中的管的结构——的新方法。
在一个实施例中，一种结构焊接方法包括：(1)形成具有期望壁厚、长度和接缝区域的结构，(2)使用36％Ni-Fe合金沿着接缝区域对结构进行焊接，多余的焊接合金留在接缝区域作为焊道的一部分，(3)加工硬化焊道(例如，冷加工)，使接缝区域的厚度与结构的期望壁厚近似相同，(4)热处理接缝区域。完成热处理后，接缝区域内部的晶粒尺寸与结构的其它部分处的相似。这种结构适用于低温应用和低温条件。
在另一实施例中，管包括：(1)具有预定壁厚和长度的管状体部，和(2)沿着管状体部的长度延伸的焊缝。管状体部和焊缝由36％Ni-Fe合金制成并且具有基本相同的晶粒尺寸。这种管适用于低温应用和低温条件。
参照以下的详细说明和例子，本发明的这些和其它实施例、特征和优点会变得更清楚。
附图说明
下面将参照附图进一步详细说明本发明，其中：
图1是不同成分Ni-Fe合金的热膨胀系数的曲线图；
图2是根据本发明的工艺步骤的流程图；
图3a-图3b是根据本发明的不同焊接接头的透视图。
具体实施方式
本发明涉及36％Ni-Fe合金的焊接，这可以形成适用于低温条件下的结构(例如，管)。36％Ni-Fe合金非常适于用于低温结构，这是因为，它在低温下易于延展并且对于Ni-Fe合金而言这种成分产生的CTE最小，非常低。参照图1，示出CTE随Ni-Fe合金成分变化的曲线图。从图1中可以清楚地看出，在-196℃处存在一个明显的CTE最小值，大约是1.3×10-6℃-1，对应于36％Ni-Fe合金。这大约是典型不锈钢的CTE的1/10。
这里所用的36％Ni-Fe合金是由整体结合在本文中作为参考的ASTMF 1684或者ASTM A 333/A 333M规范定义的。在实施例中，36％Ni-Fe合金包括36％的Ni以及余量Fe和在ASTM规范中所述量的微量元素。在一个实施例中，36％Ni-Fe合金包括在ASTM F 1684中所述的合金UNSNo.K93603。在一个实施例中，36％Ni-Fe合金包括在ASTM A 333/A 333M中所述的合金Grade 11。在一个实施例中，36％Ni-Fe合金包括在表1中所述的一种或者多种合金。在一个实施例中，36％Ni-Fe合金包括具有如在图1的曲线图中所示的最小CTE的合金。所有元素应理解为按照重量百分比给出。
表1：ASTM F1684
元素   UNS No.K93603成分，％   UNS No.K93050成分，％
  铁，标称值   余量A   余量A
  镍，标称值   36A   36A
  钴，最大值   0.50   0.50
  锰，最大值   0.60   1.00
  硅，最大值   0.40   0.35
  碳，最大值   0.05   0.15
  铝，最大值   0.10B   ....C
  镁，最大值   0.10B   ....C
  锆，最大值   0.10B   ....C
  钛，最大值   0.10B   ....C
  铬，最大值   0.25   0.25
  硒   ....   0.15到0.30
  磷，最大值   0.015D   0.020
  硫，最大值   0.015D   0.020
A对于UNS No.K93603和K93050，铁和镍的要求是标称值。这些含量水平可以由生产商调整，以满足12.1中所规定的热膨胀系数的要求。
B铝、镁、钛和锆的总量不得超过0.20％。
C对于此种合金没有测量这些元素。
D磷和硫的总量不得超过0.025％。
表2：ASTM A333/A333M
  元素   成分，％-Grade11
  碳，最大值   0.10
  锰   最大0.60
  磷，最大值   0.025
  硫，最大值   0.025
  硅   最大0.35
  镍   35.0～37.0
  铬   最大0.50
  铜   ....
  铝   ....
  钒，最大值   ....
  铌，最大值   ....
  钼，最大值   最大0.50
  钴   最大0.50
初始材料或基体材料优选是用连铸法或者现有技术中已知的类似方法制造的一个或者多个金属板。在实施例中，所述板还具有在规范ASTMF1684或者ASTM A 333/A 333M中所述的特征。可以对金属板进行进一步处理，以获得期望的特性，例如光滑度、抗腐蚀等等。所述板优选基本上具有均匀的微结构，以便确保在初始材料内部具有一致的机械特性。
现在参照图2，示出根据本发明的工艺步骤200的流程图。如上所述，焊接前，可以首先对初始材料进行本领域内已知的各种金属加工处理，以形成期望的几何形状210。可以使用各种技术——包括钻削、车削、攻丝、切削、磨削或其它本领域内已知的方法——对初始材料进行加工。此外，初始材料可以通过锻造、轧制、挤压、旋压、弯曲或其它任何本领域内已知的技术形成。例如，可以对板材进行热轧或者冷轧形成管状，以制造管。在一些实施例中，然后可以使用机加工技术使管的边缘变薄。
一旦获得了期望的几何形状，就可以使用焊接技术——例如，焊条电弧焊/手工电弧焊(shielded metal arc)、气体保护钨极电弧焊或者钨极惰性气体保护焊(TIG)、气体保护熔化极电弧焊或者熔化极惰性气体保护焊(MIG)、等离子弧焊、电子束焊、氧乙炔焰焊接、点焊、缝焊/滚焊、凸焊、闪光焊或其它任何本领域内已知的技术——焊接至少一条接缝220。任何接头类型都可以用于焊接。例如，可以使用如图3a所示的对接接头或者如图3b所示的单V形预制接头。其它合适的接头型式包括角接接头、端接接头、双V形预制接头、单U形接头和双U形接头。例如，如图3b所示，单V形预制接头包括两个锥面，这两个锥面沿着接缝的轴线交于一点，以形成V形。接头几何形状处的空隙用于容纳焊接过程中添加的填料，以形成焊道，焊道故意做得比基体材料厚一些，以便将来允许冷却收缩。可以使用与36％Ni-Fe合金基体材料具有完全相同或者大致相同成分的填料材料来填充各种类型接头形成的空隙。对填料和基体材料材料进行匹配可以确保焊缝和基体材料具有完全相同或者大致相同的CTE，并避免CTE失配。在一个实施例中，使用36％Ni-Fe合金填料通过气体钨极电弧焊在由36％Ni-Fe板材形成的单V形接头内形成焊道。
焊缝固化后，对焊缝进行加工硬化处理230，例如冷轧、辗平(planishing)或者其它任何本领域内已知的方法，以便对焊缝进行冷加工。无意受到理论限制，但相信加工硬化处理230提高了位错密度和/或向材料中增加了用于在随后的热处理和退火处理中的晶粒细化的激发能量。金属的屈服机理涉及位错运动。增加位错密度会阻碍晶粒运动，这是因为位错可能相互交叉形成“割阶”。由于屈服机理受到阻碍，焊缝的屈服强度得到提高。在一个实施例中，通过辗平焊缝使焊缝厚度减小来对焊缝进行加工硬化。经辗平后的焊缝厚度可减小大约20％到大约60％，作为选择，可减小大约20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％或60％。在一个实施例中，辗平焊缝，使得焊道具有与基体材料相似(例如，大约相同或基本相同)的厚度。
对焊缝或者整个结构进行热处理或者退火处理240，以便使焊缝中的晶粒尺寸减小到与基体材料的相似(例如，大约相同或基本相同)。在一个实施例中，焊缝中的平均晶粒尺寸偏离基体材料中的平均晶粒尺寸10％或者以下。无意受到理论限制，但相信晶粒尺寸的减小会导致更多的晶粒边界，更多的晶粒边界会阻碍导致屈服的位错运动，从而屈服强度提高。并且，由于使材料破碎所需的应力大小与晶粒尺寸成反比，因此热处理工艺使得材料的极限抗拉强度提高。热处理工艺240结束后，焊道的强度会等于或者超过基体材料的强度。例如，焊道和基体材料的强度都会超过应用规范——例如，本文中所公开的ASTM规范——中所给出的最小抗拉强度。
在一个实施例中，在可以有效细化晶粒尺寸的条件下，对焊缝本身局部加热或者对整个结构加热，以获得容许延展的一致的晶粒结构，以使焊缝或接缝区域或其结合再结晶。合适的热处理条件包括以足够或有效的时间和温度加热焊缝和/或整个结构以使得焊缝和/或接缝区域经历那些变化(例如，再结晶、晶粒尺寸细化/一致化等)。在一个实施例中，将焊缝和/或整个结构加热到760到870℃(1400到1600°F)足够或有效的时间，以经历那些变化(例如，再结晶、晶粒尺寸细化/一致化等)。焊缝或整个结构可以进行多个热处理循环。
热处理后，可以对焊缝或整个结构进行所期望的各种中间和/或最终加工，包括喷射处理、清洗和酸洗。例如，在一些情况下，可能希望利用超声波检查焊缝。同样地，在一些情况下，可以对结构进行喷射处理或者化学酸洗来去除氧化物沉积。也可以选择对制造好的结构进行涂层。
由于整个焊缝和基体材料具有相似的成分和晶粒结构，因此使用标准焊接技术会产生大致一致的机械强度和热膨胀特性。结构的机械强度应该足以适合在低温条件下工作，可用屈服强度、极限抗拉强度和韧度来测量。
极限抗拉强度可以用标准拉伸试验技术进行测量，例如，整体结合在本文中作为参考的ASTM标准E8-04中的“用于金属材料拉伸试验的标准试验方法”所规定的技术。在一个实施例中，结构的基体材料和焊缝在室温下的极限抗拉强度等于或者大于58ksi，或者等于或大于60ksi，或者等于或大于65ksi。
屈服强度可以用标准拉伸试验技术进行试验，例如，在ASTM标准E8-04中的“用于金属材料拉伸试验的标准试验方法”所规定的技术。在一个优选的实施例中，结构的基体材料和焊缝在室温下的屈服强度等于或者大于30ksi，或者等于或大于33.33ksi，或者等于或大于35ksi。
本发明可以用来制造工业过程中使用的任何结构，例如像那些在低温条件下工作的需要低CTE的结构。特别是，本发明适于制造用于存储、输送和运输液化气体的结构，这些气体包括但不限于氮气、氧气、氦气、氢气、氖气、氟、氩气、甲烷、空气、丙烷(LP)和天然气(LNG)。在一个实施例中，本文所述的结构可以用于LNG工艺。一些合适的气体液化工艺和有关设备和结构的例子在美国专利申请公开No.20030005698和美国专利No.7,074,322；7,047,764；7,127,914；6,722,157；6,658,8921；6,647,744；6,250,105；6,158,240；6,125,653；6,070,429；6,023,942；5,724,833；5,651,270；5,600,969；5,611,216；5,473,900；4,698,080；4,548,629；4,430,103；4,225,329；4,195,979和4,172,711l，每一个都被完整地结合在本文中作为参考。
可以使用本发明实施的结构包括在管道中通常使用的几何形状——例如，管状形状或者弯管接头——或者在存储容器中使用的几何形状——例如，带有盘形的、椭圆形的或平的底部的球或者圆柱。这些管和存储容器可以用于在岸或者离岸液化、运输、存储或者再气化设施，包括诸如平台、船坞和油船的海洋设施。在所选择的任何结构中，应该理解为该结构包括期望的壁厚、长度和接缝区域。本发明特别适合于生产管，可以容易地使板形成管状结构，该管状结构包含有易于辗平的线性接缝。
当图示并描述了本发明的优选实施例后，本领域技术人员在不脱离本发明的精神或教导下可以对这些实施例进行修改。本文所述的实施例仅是示例性的，而非限制性的。系统和设施的许多变型和修改是可能的并且都在本发明的范围内。例如，本发明并不想囿于任何特定的几何形状，并且可以用于制造在低温条件下工作的任何结构。因此，保护范围不限于本文所述的实施例，而仅受到所附的权利要求的限制，权利要求的范围应该包括权利要求的主题的所有等同物。特别是，除非特别明确指明顺序，权利要求中所述的步骤并非有意要求按照任何特定的顺序进行或者某一步骤必须在另一步骤开始前完成。

Claims (13)

1.一种结构焊接方法，包括：
形成具有期望壁厚、长度和接缝区域的结构，其中，该结构由36％Ni-Fe合金基体材料制成；
使用36％Ni-Fe合金填料沿着接缝区域对所述结构进行焊接，多余的焊接增强部留在接缝区域作为焊道的一部分，所述36％Ni-Fe合金填料与所述36％Ni-Fe合金基体材料具有完全相同的成分；
对焊道进行冷加工，使接缝区域的厚度减小；以及
在有效导致接缝区域具有等于或者大于基体材料的极限抗拉强度、屈服强度或者极限抗拉强度和屈服强度两者的条件下，对接缝区域进行热处理，其中，热处理在温度范围从1400°F到1600°F的温度下进行有效使接缝区域再结晶的一段时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接缝区域和基体材料具有等于或者大于58ksi的极限抗拉强度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接缝区域和基体材料具有等于或者大于30ksi的屈服强度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接缝区域和基体材料具有相等的热膨胀系数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接缝区域和基体材料具有相等的晶粒尺寸。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷加工后，接缝区域的厚度在从20％到80％的范围内减小。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷加工后，接缝区域的厚度与所述结构的期望壁厚相同。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用钨极惰性气体焊接方法进行所述焊接。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接缝区域由单V形预制接头形成。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成具有期望壁厚、长度和接缝区域的结构的步骤还包括对板进行成形，以形成接缝区域。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述结构是适用于低温工作的管或者存储容器。
12.一种结构焊接方法，包括：
形成具有期望壁厚、长度和接缝区域的结构，其中，该结构由36％Ni-Fe合金基体材料制成；
使用36％Ni-Fe合金填料沿着接缝区域对所述结构进行焊接，多余的焊接增强部留在接缝区域作为焊道的一部分，所述36％Ni-Fe合金填料与所述36％Ni-Fe合金基体材料具有完全相同的成分；
对焊道进行冷加工，使接缝区域的厚度减小；以及
在有效导致接缝区域再结晶的条件下，对接缝区域进行热处理。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，再结晶后，接缝区域和基体材料具有相等的晶粒尺寸。
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