CN115070169B - 一种7%Ni储罐钢的钢板焊接方法 - Google Patents

一种7%Ni储罐钢的钢板焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种7％Ni储罐钢的钢板焊接方法，包括以下步骤：(1)坡口加工：对7％Ni储罐钢进行坡口加工；(2)保护气：采用70～75％Ar+25～30％CO2的混合保护气体；(3)组对焊接：按照常规的点焊方式进行组对焊接；(4)打底焊接：焊接前不预热，焊接电流为130～140A，电压为20～21V，焊接速度为14～16cm/min；(5)填充焊接：层间温度控制在100℃以下，焊接电流为150～160A，电压为23～24V，焊接速度为15～16cm/min；(6)盖面焊接；步骤(3)～(6)焊接过程使用的焊丝为符合ENiCrMO3T1‑4标准要求的药芯焊丝，焊材熔敷金属中Ni为62～68wt％，C为0.02～0.05wt％，Mo为6～10wt％，W为1～2wt％；本方法通过对焊材的选择、保护气配比以及焊接工艺的调整，焊接7％镍储罐钢能满足储罐钢建设要求，在‑196℃低温冲击性能良好。

Description

一种7％Ni储罐钢的钢板焊接方法
技术领域
本发明涉及一种钢板的焊接方法，特别涉及一种7％Ni钢板的焊接方法。
背景技术
9％Ni钢，是一种低碳调质钢，组织为马氏体加贝氏体，在-196℃下具有优异的冲击韧性，常用于石油天然气储罐用钢。9％Ni钢的核心合金成分为Ni元素，添加量达8.5～9.5％，因Ni元素属贵重金属，全球探明存量有限，开采冶炼成本也很高，所以9％Ni钢售价昂贵。
随着学者深入研究，9％Ni钢在大多数应用场景下富余量较多，而7％Ni钢(主要成分C为0.042～0.073wt％，Si为0.11～0.25wt％，Mn为0.65～0.73wt％，Ni为7.0～7.5wt％)在-196℃的冲击韧性良好，能够应用于大多数工程场景。7Ni相对于9Ni制造成本更加低廉，未来将有广阔的应用前景。
目前7％Ni钢尚未大规模工业化应用，常参考9％Ni钢焊接工艺。传统9％Ni钢焊接方法为手工焊条焊、埋弧焊、氩弧焊(“王宏伟,张剑.低温用9％Ni钢的焊接[J].内蒙古石油化工,2009.”、“郑立娟.大型LNG储罐用9Ni钢焊接工艺与机理研究.哈尔滨工业大学,2010.”)，近年来随着药芯焊丝研发，许多学者进行了9％Ni钢药芯焊接工艺研究(“李宇章.9Ni钢药芯焊接头低温断裂韧性及与微观组织关联的研究[D].2019.”)。
因7％Ni钢与9％Ni钢在成分和工艺上有明显区别，9％Ni和7％Ni钢的工艺、成分不同，并不能因为两者的接头力学性能相同，而生搬硬套同种焊材、同种工艺；焊缝金属的性能由焊材和钢板共同组成，7％Ni钢的钢板含Ni量相对于9％Ni钢低，如两者同种焊材、同种工艺，得到的7％Ni钢的接头性能无法预料能否达到使用需求。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种能满足LNG储罐建造要求要求的7％Ni钢的焊接方法。
技术方案：本发明所述的钢板焊接方法，包括以下步骤：
(1)坡口加工：对7％Ni储罐钢进行坡口加工；
(2)保护气：采用70～75％Ar+25～30％CO2的混合保护气体；
(3)组对焊接：按照常规的点焊方式进行组对焊接；
(4)打底焊接：焊接前不预热，焊接电流为130～140A，电压为20～21V，焊接速度为14～16cm/min；
(5)填充焊接：层间温度控制在100℃以下，焊接电流为150～160A，电压为23～24V，焊接速度为15～16cm/min；
(6)盖面焊接。
步骤(3)～(6)焊接过程使用的焊丝为符合ENiCrMO3T1-4标准要求的药芯焊丝，焊材熔敷金属中Ni为62～68wt％，C为0.02～0.05wt％，Mo为6～10wt％，W为1～2wt％。
所述焊丝中，Mo、W元素能够细化焊缝的晶粒，提高强度、韧性，特别在高合金Ni、Cr焊缝金属中，W元素能提高热稳定性，在多层多道焊接时，降低了焊缝的回火脆性。但为了确保7％Ni钢焊缝低温冲击韧性，Ni含量较高，而Ni的溶C能力相对于Fe更低，焊缝中过高的Mo、W会与C结合析出碳化物，形成夹杂，易在弯曲时形成应力集中点而开裂，所以，必须严格控制选用焊材熔敷金属中的C、Mo、W元素。
优选的，所述保护气体流量为20～25L/min；保护其中Ar的纯度为99.999％，CO2的纯度为99.995％。所述保护气中，Ar为惰性气体，焊接过程中不发生反应；CO2在高温下发生2CO2＝2CO+O2、CO2＝C+O2的反应，因而具有氧化性，大量烧损焊缝合金元素。因CO2的价格低廉，一般药芯焊丝进行焊接时，常采用100％CO2保护气体，且CO2有助于焊缝中的Mn、Si反应生成渣壳对焊缝进行保护，但100％CO2保护气体飞溅大，且易在难脱渣的根焊缝位置形成夹渣缺陷。为了提高焊缝质量，工业采用Ar和CO2的混合气体进行焊接，保证气体氧化性的同时减少飞溅，降低焊缝氧化物含量以提高冲击功，一般为80％Ar+20％CO2的配比。但在上述药芯焊丝的焊接时，因焊缝为Ni基材料，如果CO2的含量不够，不能与焊缝中的Mn、Si元素充分反应，焊缝中的Mn、Si元素残留过高，反而容易导致有害laves相的析出，不利于焊缝的性能。因此70～75％Ar+25～30％CO2的混合保护气体能够有效保护焊缝、脱渣适中、产生有害相少，性能优良。
所述打底焊接参数，热输入较低，主要防止根焊缝与母材熔合比高而导致性能下降。
所述填充焊接参数，在匹配焊材的同时热输入相对较高，如热输入太高会导致7％Ni钢的热影响区逆转变奥氏体减少并产生粗大的马氏体，从而降低低温韧性，而热输入过低则会因严重的枝晶偏析导致低温韧性下降。
优选的，所述坡口加工对储罐钢开单边30°±2°V型坡口或1：2不对称单边30°±2°X型坡口。
优选的，所述组对焊接中根部留间隙1.5～2mm。
优选的，所述盖面焊接条件为：层间温度控制在100℃以下，焊接电流为160～170A，电压为23～24V，焊接速度为19～20cm/min
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本方法通过对焊材的选择、保护气配比以及焊接工艺的调整，焊接7％镍储罐钢能满足储罐钢建设要求，在-196℃低温冲击性能良好。
附图说明
图1为实施例1接头拉伸检测结果图；
图2为实施例1接头弯曲检测结果图；
图3为实施例1接头冲击检测结果图；
图4为对比例1碳化物析出SEM和元素检测图；
图5为对比例2氧化物夹渣SEM和元素检测图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本发明的7％Ni储罐钢的钢板焊接方法，包括以下步骤：
(1)坡口加工：对18mm厚7％Ni钢开单边30°。
(2)保护气：采用70％Ar+30％CO2的混合保护气体，其中Ar的纯度为99.999％，CO2的纯度为99.995％。；焊接时，保护气体流量为20L/min。
焊材选用符合ENiCrMO3T1-4标准要求的药芯焊丝，直径为1.2mm；该焊材熔敷金属中Ni为62wt％，C为0.029wt％，Mo为9.0wt％，W为1.5wt％，Mn为0.32wt％，Si为0.401wt％，Fe为7.184wt％，P为0.007wt％，S为0.004wt％，Cr为19.4wt％，Cu为0.03wt％，Co为0.1wt％，V为0.025wt％。
(3)组对焊接，按照常规的点焊方式进行组对焊接，根部留间隙1.5mm。
(4)打底焊接，焊接前不预热，焊接电流为130A，电压为20V，焊接速度为14cm/min，焊接需保证单面焊双面成型。
(5)填充焊接，层间温度控制在100℃以下，焊接电流为150A，电压为23V，焊接速度为15cm/min。
(6)盖面焊接，层间温度控制在100℃以下，焊接电流为160A，电压为23V，焊接速度为19cm/min。
对焊接得到的焊缝进行性能测试，接头拉伸、侧弯、低温冲击和膨胀值测试方法参照NB/T 47016《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》。
参照NB/T 47016《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》，焊缝要求-196℃低温冲击≥31J，但实际行业权威用户中石化设计院要求-196℃低温冲击≥70J，拉伸≥680MPa，侧膨胀值≥0.38。
采用上述焊接方法焊接，该焊缝成型良好，探伤合格。接头拉伸为726MPa、733MPa，拉伸试样如图1所示；侧弯无裂纹，侧弯试样如图2所示；焊缝-196℃低温冲击为90、81J、72J，冲击试样如图3所示；侧膨胀值为1.18、0.78、0.76，满足使用要求。
实施例2
本发明的7％Ni储罐钢的钢板焊接方法，包括以下步骤：
(1)坡口加工对27mm厚7％Ni钢开1：2不对称X型坡口。
(2)保护气：采用75％Ar+25％CO2的混合保护气体，其中Ar的纯度为99.999％，CO2的纯度为99.995％；焊接时，保护气体流量为22L/min。
焊材选用符合ENiCrMO3T1-4标准要求的药芯焊丝，直径为1.2mm；该焊材熔敷金属中Ni为66wt％，C为0.02wt％，Mo为10wt％，W为2wt％，Mn为0.29wt％，Si为0.265wt％，Fe为2.488wt％，P为0.005wt％，S为0.005wt％，Cr为18.7wt％，Cu为0.01wt％，Co为0.2wt％，V为0.017wt％。
(3)组对焊接，按照常规的点焊方式进行组对焊接，根部留间隙2mm。
(4)打底焊接，焊接前不预热，焊接电流为135A，电压为20V，焊接速度为15cm/min，焊接需保证单面焊双面成型，打底焊接在大坡口侧施焊。
(5)填充焊接，层间温度控制在100℃以下，焊接电流为155A，电压为23V，焊接速度为15cm/min，填充焊接前2道在大坡口侧施焊。
(6)盖面焊接，层间温度控制在100℃以下，焊接电流为165A，电压为23V，焊接速度为19cm/min。
采用上述焊接方法焊接，该焊缝成型良好，探伤合格。接头拉伸为726、733Mpa；侧弯无裂纹；焊缝-196℃低温冲击为99、89、88J，侧膨胀值为1.25、1.16、1.20，满足使用要求。
实施例3
本发明的7％Ni储罐钢的钢板焊接方法，包括以下步骤：
(1)坡口加工，对30mm厚7％Ni钢开1：2不对称X型坡口。
(2)保护气体，采用70％Ar+30％CO2的混合保护气体，其中Ar的纯度为99.999％，CO2的纯度为99.995％，焊接时，保护气体流量为25L/min。
焊材选用符合ENiCrMO3T1-4标准要求的药芯焊丝，直径为1.2mm；该焊材熔敷金属中Ni为68wt％，C为0.05wt％，Mo为6wt％，W为1wt％，Mn为0.21wt％，Si为0.215wt％，Fe为3.998wt％，P为0.003wt％，S为0.003wt％，Cr为20.4wt％，Cu为0.01wt％，Co为0.1wt％，V为0.011wt％。
(3)组对焊接，按照常规的点焊方式进行组对焊接，根部留间隙2mm。
(4)打底焊接，焊接前不预热，焊接电流为140A，电压为21V，焊接速度为16cm/min，焊接需保证单面焊双面成型，打底焊接在大坡口侧施焊。
(5)填充焊接，层间温度控制在100℃以下，焊接电流为160A，电压为24V，焊接速度为16cm/min，填充焊接前2道在大坡口侧施焊。
(6)盖面焊接，层间温度控制在100℃以下，焊接电流为170A，电压为24V，焊接速度为20cm/min。
采用上述焊接方法焊接，该焊缝成型良好，探伤合格。接头拉伸为739、734MPa，侧弯无裂纹，焊缝-196℃低温冲击为85、84、92J，侧膨胀值为1.40、1.03、1.29，满足使用要求。
对比例1
在实施例1的基础上，焊材熔敷金属中Mo为14wt％，W为3wt％，其他条件不变。。
采用上述焊接方法焊接，该焊缝成型良好，探伤合格。接头拉伸为741MPa、737MPa；侧弯出现裂纹，进行微观分析，发现如图4所示的碳化物析出缺陷，因焊缝Ni含量较高，而Ni的溶C能力相对于Fe更低，焊缝中过高的Mo、W会与C结合析出碳化物，形成夹杂，易在弯曲时形成应力集中点而开裂；焊缝-196℃低温冲击为76、85、85J，侧膨胀值为0.98、1.08、1.04，不能满足使用要求。
对比例2
在实施例1的基础上，焊材熔敷金属中Ni为60wt％，C为0.05wt％，Mo为6wt％，W为1wt％，其他条件不变。
采用上述焊接方法焊接，该焊缝成型良好，探伤合格。接头拉伸为741MPa、737MPa；侧弯出现裂纹，进行微观分析，发现采用100％CO2的保护气体生成了大量氧化物，造成了裂纹，如图5(左)所示，CO2在高温下发生2CO2＝2CO+O2、CO2＝C+O2的反应，因而具有氧化性，采用100％CO2保护气体，飞溅大，且易在难脱渣的根焊缝位置形成氧化物夹渣缺陷；焊缝-196℃低温冲击为85、78、78J，侧膨胀值为1.05、1.01、0.98，不能满足使用要求。
对比例3
在实施例1的基础上，焊材熔敷金属中Ni为60wt％，C为0.05wt％，Mo为6wt％，W为1wt％，其他条件不变。
采用上述焊接方法焊接，该焊缝成型良好，探伤合格。接头拉伸为729、735MPa；侧弯无裂纹；焊缝-196℃低温冲击为42、45、45J，侧膨胀值为0.76、0.78、0.88，不能满足使用要求。因该焊材的熔敷金属中，Ni含量不足，形成的焊缝低温冲击韧性下降。

Claims (7)

1.一种7％Ni储罐钢的钢板焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)坡口加工：对7％Ni储罐钢进行坡口加工；
(2)保护气：采用70～75％Ar+25～30％CO2的混合保护气体；
(3)组对焊接：按照常规的点焊方式进行组对焊接；
(4)打底焊接：焊接前不预热，焊接电流为130～140A，电压为20～21V，焊接速度为14～16cm/min；
(5)填充焊接：层间温度控制在100℃以下，焊接电流为150～160A，电压为23～24V，焊接速度为15～16cm/min；
(6)盖面焊接；
步骤(3)～(6)焊接过程使用的焊丝为符合ENiCrMO3T1-4标准要求的药芯焊丝，焊材熔敷金属中Ni为62～68wt％，C为0.02～0.05wt％，Mo为6～10wt％，W为1～2wt％。
2.根据权利要求1所述的钢板焊接方法，其特征在于，所述坡口加工对储罐钢开单边30°±2°V型坡口。
3.根据权利要求1所述的钢板焊接方法，其特征在于，所述坡口加工对储罐钢开1：2不对称单边30°±2°X型坡口。
4.根据权利要求1所述的钢板焊接方法，其特征在于，所述保护气体流量为20～25L/min。
5.根据权利要求1所述的钢板焊接方法，其特征在于，所述盖面焊接条件为：层间温度控制在100℃以下，焊接电流为160～170A，电压为23～24V，焊接速度为19～20cm/min。
6.根据权利要求1所述的钢板焊接方法，其特征在于，所述焊丝的直径为0.8～1.2mm。
7.根据权利要求1所述的钢板焊接方法，其特征在于，所述组对焊接中根部留间隙1.5～2mm。
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