LNG低温储罐材料及焊接要点分析

LNG 低温储罐材料及焊接要点分析

朱雷 陶正珲 薛洪利 聂海川 海洋石油工程股份有限公司 天津 300452

摘要：LNG是液化天然气的英文缩写，LNG低温储罐建造中的焊接过程尤为关键，并且LNG低温储罐内罐原材料是9Ni钢。本文就围绕LNG低温储罐内罐原材料9Ni钢的性能、成分、组织、热处理工艺、冷热裂纹、电弧的磁偏吹、焊接接头的低温韧性等进行阐述。

关键词：9Ni钢；LNG低温储罐焊接；性能分析

伴随着我国经济的高速发展，我国对能源的需求也与日俱增，清洁能源的推广和使用日益增多，同时，清洁能源天然气的需求量不断增加，液化石油气、 LNG低温储存罐等关键材料镍系低温9 Ni钢的需求也日益增长。9 Ni钢是 LNG低温储罐的内壁原材料，LNG低温储罐建造完成投入生产后9Ni钢内罐长期处于-162℃的超低温环境下，所以9 Ni钢的焊接性能尤为重要，而我国目前生产9 Ni钢的工艺已经日趋成熟，但仍有部分需要依靠进口，因此我国 LNG产业还是受到了很大的制约，研究9 Ni钢对我国能源安全发展具有重要意义。

1.9Ni钢的定义

目前LNG低温储罐的制作材料是以9Ni钢为主的，因为9Ni钢具有普通钢材不具备的在低温下都能表现出良好的强度和韧性性能，所以在LNG低温储罐中广泛应用。

1.1 9Ni钢的组成成分性能

9Ni钢中的化学组成，特别是 C、Ni的含量，决定了低温下9 Ni钢的力学性能，9Ni钢中的 w (Ni)含量为8.5%-9.5%，因此其脆性温度转变和体心立方结构，这决定了其低温下的强度，且属于马氏体型低温用钢，决定了其低温储存罐的韧性是钢的纯净度及其组织结构，为保证9Ni钢的韧性，必须降低Mn、 Mo和 Cr这几种元素的含量，以保证钢的纯净度，这几种元素的存在，将直接降低9 Ni钢在生产 LNG低温储存罐时所需的低温储存罐性能要求，为了保证 LNG低温储存罐的低温储存罐性能，我们在制造 Ni钢时，必须将Ni钢的工艺加入到生产 LNG低温储罐所需的工艺中。

而9 Ni钢中的 C含量对其性能的影响也是很大的， C含量过高，9 Ni钢的焊接性能和冷脆性都会受到很大的影响，如果 C含量过低，可使9 Ni钢在回火过程中马氏体碳化物的析出明显减少，因此应保证9 Ni钢保持较低的碳含量，其他化学元素的添加也可适当增加9 Ni钢的低温韧性，但要控制 S、P在钢中的含量，过高含量会降低钢的低温韧性。

1.2 9Ni钢的特性

目前，世界上广泛采用9 Ni钢作为 LNG低温储罐的制造材料，这是由其优良的性能决定的，9 Ni钢具备普通钢材不具备的低温韧性、低温抗冲击性和优良的可焊性等特点，一般认为9 Ni钢在-165℃至-196℃范围内具有良好的耐低温性能，但9 Ni钢在-165℃至-196℃范围内的强度和韧性较差，因此，用9 Ni钢制作的 LNG低温储罐只有具备良好的耐冲击性能，才能保证 LNG在运输和储存过程中的安全性。

2.9Ni钢的三种热处理方式

常规的9 Ni钢的热处理方法主要有三种：NNT处理、QT处理和QLT处理，这三种热处理方法各有其优点，但均为改善 QT后的低温韧性。

2.1 NNT处理

此工艺步骤是：首先以正火加热到900℃，再以冷风冷却，正火加热到790℃，再在550℃至580℃之间急速回火冷却，然后用 NNT法对回火后的组织进行回火马氏体和贝氏体处理。

2.2 QT处理

用这种热处理方法可以得到少量的弥散奥氏体，9 Ni钢在低温下的韧性比 NNT钢要好， QT对此进行了热处理：800℃的水淬火或油淬，550℃转580℃回火，经调质后可获得微粒马氏体，再经回火处理可获得微粒马氏体，再经回火处理可获得明显改善的9 Ni钢低温韧性。

2.3 QLT处理

用 QLT处理的9 Ni钢在低温下具有最好的韧性，这主要与其中的奥氏体相联系，工艺步骤：α+γ双段淬火，即800℃水淬+670℃水淬，通过550℃-580℃双段淬火后再经550℃回火，经此热处理后可获得低碳马氏体。

3.9Ni钢的焊接工艺分析

LNG低温储罐内罐使用9 Ni钢建造而成，最小使用温度可以达到-196℃，因此必须保证它的低温韧性和低温稳定性，这样才能使9 Ni钢具有良好的低温稳定性，低温韧性的大小不仅取决于9 Ni钢的化学成分，同时也取决于它的热处理工艺。60年代以前，9 NT钢只能用铁素体焊条焊接，但该方法焊接后必须去除应力热处理，以后又采用 NNT、 QT、 QLT三种处理方式，再也不需要进行焊后应力热处理，如 LNG低温储罐一般采用这种较大的焊接结构进行现场焊接组装，这样，我们对焊区和焊板进行了相同的热处理，一般采用镍基合金作为焊接材料，可使其具有稳定后的低温韧性，从而可以保证 LNG低温储罐的正常运行，而 LNG低温储罐内罐焊接用的也是同一种焊接工艺，因此会产生下列问题。

3.1受母材稀释率的影响

基材的低温强度受基材中 Mo、 Cr、 W、 Nb等元素含量的影响。基材中加入 Ni等元素，能使焊后基材的强度有所提高，这几个元素的含量对焊后材料的强度有很大的影响，特别是当母体的稀释率增加时，焊后材料的抗拉强度下降，焊后材料的稀释率受到控制，以保证焊缝金属的强度。

3.2受电弧的磁偏吹影响

9 Ni钢是一种磁性极强的钢，因此当它通电时容易产生磁偏吹现象。为消除这一影响，我们可在焊接时使用交流电，这样可大大减少磁偏吹的影响，产生磁偏吹最根本的原因是9 Ni钢具有很强的磁性，因此要使这一现象的影响减至最小，就必须降低9 Ni钢的磁性，为了消除9 Ni钢磁性需要去除其中的氧化膜和过热层，并对待焊部位进行打磨。

3.3热裂纹影响

热裂是焊接过程中经常遇到的一大难题，由于镍基合金焊条在热裂前具有热裂敏感性，从而极易出现热裂纹，而热裂的出现，将极大地影响焊接质量，但是目前已经开发出来的镍基合金焊条，在热裂前还有热裂现象，为了保证焊接质量，热裂时必须采用较低的焊接速度。

3.4冷裂纹影响

本来9 Ni钢具有良好的低温强度和低温韧性，但在焊接过程中，不断地受到冷热循环的影响，使其破坏其热处理后的稳定性、强度和韧度，多以极易产生冷裂纹的形式出现，而冷裂纹又严重影响焊接质量，焊接材料基本上为奥氏体，极易产生热裂纹，这也将影响焊接质量。

4.解决9Ni钢产生不良影响的措施

4.1消除冷裂纹的影响

现在可以采用抗裂纹的镍基合金材料，这种材料在焊接的部位基本上不会产生高强度的马氏体，可以减少冷裂纹的产生，提高质量。

4.2消除热裂纹影响

对焊接接口进行打磨处理，并且尽量减少对容易产生热裂纹的杂质。并且低焊速和低电流对减少热裂纹也是很重要的。

4.3预防电弧磁偏吹的影响

电弧磁偏吹对焊接的影响巨大，因为9Ni钢是一种具有磁性比较强的钢材，所以在焊接的时候很容易产生电弧磁偏吹，电弧磁偏吹的产生会导致焊缝金属未熔合、含有杂质、产生气孔焊接缺陷，影响焊接质量。所以一般我们在焊接前都要对9Ni钢板进行消磁处理，尽可能减少磁对焊接的影响，交流电源在焊接过程中对磁偏吹敏感度较小，所以在焊接电源及焊接设备选择方面采用交流电源及其设备。

结束语

9Ni钢是LNG低温储罐的制造材料，对于LNG的运输和储存的安全性至关重要。所以对9Ni钢的研究以及LNG低温储罐焊接材料的研究意义重大，9Ni钢具有很好的低温强度、韧性，但是也会在焊接的时候产生很多的问题，比如说冷裂纹、热裂纹、还有电弧磁偏吹等这些都是会影响焊接质量的，本文对上面的种种进行了详细的分析和研究。

参考文献

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