LNG储罐用9Ni钢及其焊接性分析

耿都都，严春妍，纳学洋，曲 扬，杨顺贞

（河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022）

LNG储罐用9Ni钢及其焊接性分析

耿都都，严春妍，纳学洋，曲 扬，杨顺贞

（河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022）

介绍了国内外9Ni钢的发展概况。分析了9Ni钢的化学成分，组织结构和性能特点，并对其焊接性进行了系统的阐述。分析结果表明，9Ni钢以其强度高、易于加工和焊接性优良等优势适于在超低温条件下的LNG储罐设备中安全使用。9Ni钢的冷裂敏感性不大，当焊接材料、焊接工艺措施配合适当时，可防止焊接热裂纹和其他焊接缺陷的产生，以及低温韧性的降低。9Ni钢焊接时，宜采用小线能量，多层多道焊，焊前不需预热，但需控制层间温度在100℃以下。

焊接；9Ni钢；焊接性；LNG储罐

1 国内外9Ni钢的发展概况

能够在超低温条件下安全使用的材料有9Ni钢、铝合金、奥氏体不锈钢及镍合金等。上述几种材料中，9Ni钢以其强度高、易于加工和焊接性优良等优势被广泛应用于LNG储罐设备中。

1.1 国外9Ni钢的发展概况

9Ni钢于1956年初列入ASTM标准，1977年被列入JIS标准。在此期间，美国、法国、日本及阿联酋等国先后用该钢种建造了不少储罐和容器。1952年，第一台9Ni钢储罐在美国投入使用。1969年，日本在根岸采用手工电弧焊法建造了国内第一台9Ni钢制 LNG储罐[1]，随后又将自动焊应用于9Ni钢制LNG储罐上。1982年后，9Ni钢逐渐取代Ni-Cr不锈钢，成为低温储罐的主要结构材料。1995年，世界上已建的9Ni钢制最大储罐容积就达到14万m3[2]。目前，9Ni钢已成为国际上建造低温储罐使用最广泛的钢种之一，其焊接性能良好，焊接工艺日臻成熟。

1.2 国内9Ni钢的发展概况

1980年，我国曾从法国引进7台9Ni钢球罐。1982年，大庆石化总厂及燕山石化公司从法国C.M.P公司引进8台1 500 m3的9Ni钢乙烯球罐[3]。1995年，扬子石化公司建造了一套乙烯低温储运设施，其中采用9Ni钢建造的1万m3双层结构乙烯低温储罐是工程的核心和难点，当时制造如此大型的9Ni钢化工容器尚属国内首例[4]。2004年，国内首个大型低温液化气项目——广东LNG工程开工，共有9Ni钢制大型储罐3台，大罐单台容积16万m3，单台结构质量7 000 t，直径80 m，仅罐顶自重就达700余t，被称为“远东之最”[5]。可以预见，在未来几十年，作为LNG储运设备的主要结构材料，9Ni钢将被大量使用，9Ni钢的相关应用技术将受到极大的重视。相对于世界LNG的应用，我国的LNG发展刚刚起步，LNG储罐建设及9Ni钢的相关焊接技术还没有完全被消化吸收。因此，我国还需要不断进行技术引进和技术交流，在实际应用中不断总结经验教训，培养技术力量，以推动我国LNG储罐设备的发展。

2 9Ni钢化学成分、组织结构和性能特点

2.1 9Ni钢的化学成分特点

9Ni钢是w(Ni)为8.5%～9.5%的低碳马氏体型低温用钢，具有体心立方结构和明显的脆性转变温度。钢中添加质量分数为9%的Ni，可以降低AC3点、细化晶粒、降低脆性转变温度，使材料的低温韧性得到明显改善。9Ni钢的低温力学性能主要决定于化学成分，尤其是Ni和C的含量。此外，9Ni钢的韧性还取决于钢的纯净度及微观组织[6]。

9Ni钢在回火处理时，C，Ni和Mn等元素向弥散分布于基体内的奥氏体扩散，可得到体积分数为5%～10%的富含C，Ni和Mn的奥氏体，称为逆转奥氏体(亦称为回转奥氏体)。这种奥氏体非常稳定，在－196℃低温下不会发生马氏体转变，并且呈弥散分布，使9Ni钢能够在－196℃表现出很好的低温韧性，有利于阻止裂纹扩展。

Mn，Mo和Cr含量过高会损害钢的低温韧性，所以这几种元素的含量要控制在较低水平。Mn含量降低时会出现下贝氏体，有利于低温韧性的改善，但Mn含量过低反而会恶化低温韧性，所以9Ni钢中Mn的质量分数通常控制在0.6%左右[7]。

添加少量元素Cu可提高9Ni钢的强度，并保证良好的韧性。这是因为Cu提高了奥氏体的数量和稳定性，促进了析出强化[8]。

此外，加入少量的Nb素可有效地细化晶粒，提高材料的低温韧性[7]。

S和P的存在会降低9Ni钢的低温韧性，并且随P含量的增加，9Ni钢的回火脆性敏感性随之增加；同样，随S含量的增加， 9Ni钢的热裂纹敏感性随之增加。总之，要严格限制9Ni钢中S和P的含量。

前斜角肌综合征是胸廓出口综合征中最常见的原因。它与颈椎病神经根型有一些相似处，故在临床上经常被误诊，这与其肌肉的位置和功能有关。前、中、后斜角肌起于颈2～7横突结节处，属于颈椎深部外侧肌群，受颈2～8神经支配。此外，斜角肌还参与吸气功能。其中，前、中斜角肌及第1肋骨上缘围成三角形间隙，称为斜角肌间隙，有锁骨下动、静脉、臂丛神经穿过。其中，臂丛的内侧束由颈8和胸1神经组成为尺神经从腋窝穿出后沿上肢内侧下行，支配无名指尺侧和小指的皮肤[9]。如果斜角肌间隙变窄，就会产生上述部位的疼痛、麻木等功能障碍。通过5项症状激发试验可与神经根型颈椎病进行区别。

2.2 9Ni钢的组织结构和性能特点

目前，9Ni钢主要有三种热处理供货状态。双正火+回火（NNT）的组织为回火马氏体与贝氏体，淬火+回火（QT）以及经双相区淬火+回火（IHT）后的主要组织均为低碳回火马氏体。在这三种热处理规范中，经NNT处理的9Ni钢，其低温韧性最差，经IHT处理的9Ni钢的低温韧性最好[9]。

3 焊接性分析

在实际焊接应用方面，9Ni钢焊接成为建造低温LNG储罐的关键技术，也是建造低温压力容器的重点和难点。焊接性是指同质材料或异种材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力。它包括两个方面的内容，其一是结合性能，其二是使用性能[10]。9Ni钢焊接时可能遇到的问题有焊接冷裂纹、焊接热裂纹、焊接接头低温韧性的降低、磁偏吹、焊接气孔、未熔合、未焊透以及焊接应力和变形大等问题。这些问题与所采用的焊接材料，焊接工艺和焊接线能量有很大关系。

3.1 焊接冷裂纹

9Ni钢的冷裂敏感性不大，正常施焊条件下一般不会产生冷裂纹。但在焊接工艺条件不当时，会产生一定的氢致裂纹。应选用低氢，低碳含量焊材并配合合适的焊接工艺规程，特别要烘干焊条，保持焊接环境干燥，合理控制层间温度和热输入，即可降低冷裂敏感性。

3.2 焊接热裂纹

9Ni钢焊接热裂纹主要有弧坑裂纹，高温液化裂纹，显微疏松裂纹和高温失塑裂纹。研究表明，后三种裂纹的尺寸一般较小，对储罐的使用不会造成危害。相比之下，弧坑裂纹是需要重点预防的，其原因是合金中的S和P等元素极易与Ni形成低熔点共晶物，造成晶间偏析。因此要严格控制焊材和钢材中的S和P含量，并且选用熔化温度区间范围小的，或偏析杂质在焊缝金属晶界的分布为不连续状的 (非单一奥氏体组织)焊条[11]。

3.3 低温韧性

9Ni钢用于制造LNG储罐的主要因素之一就是其优异的低温韧性。9Ni钢具有良好低温韧性的机理，目前有三种解释得到普遍认可，一种解释是回转奥氏体阻止裂纹的扩展即裂纹尖端钝化效应。另一种解释是回转奥氏体发生形变诱发马氏体转变，阻止了裂纹的萌生和扩展，还有一种解释是回转奥氏体吸收使铁素体变脆的C和N等元素，使基体得到净化，从而提高低温韧性，即回转奥氏体的净化作用[12]。

9Ni钢焊接后，焊接接头中的焊缝，熔合区和焊接热影响区的低温韧性都有可能降低。焊缝金属的低温韧性主要与采用的焊接材料有关，熔合区的低温韧性主要与所出现的脆性组织有关，焊接热影响区的低温韧性主要与焊接热输入和层间温度有关[13]。

3.4 磁偏吹

9Ni钢为铁磁性材料，焊接时容易出现磁偏吹现象，从而影响焊接质量。为避免磁偏吹现象，尽量选择适于交流焊接的焊材，同时配以交流焊接电源。必要时，还需要进行消磁处理。

3.5 焊接气孔

9Ni钢焊接时由于镍合金的固液相温度间距小，焊缝金属粘滞，流动性偏低，熔池中的气泡在凝固时不易排出[14]，而且如果母材及焊材表面清理不彻底，焊材烘干不合格，就容易产生气孔。所以在焊接时，要严格遵守焊接工艺规程。

3.6 未熔合，未焊透

焊接时，如果采用异质焊材，焊材与母材的熔化温度区间差异较大，在焊接过程中容易产生熔合不良等问题。所以一般采用镍基合金焊材。

3.7 焊接应力和变形

9Ni钢热膨胀系数较大，在20℃到－196℃之间线膨胀系数为 8.05×10－6/℃[8]， 为了减小焊接接头的应力和变形，在选择焊接材料时，尽量选择热膨胀系数与9Ni钢相接近的焊材。

4 焊接工艺

4.1 焊接方法

目前，9Ni钢可采用的焊接方法主要有：焊条电弧焊（SMAW），埋弧焊（SAW），熔化极惰性气体保护焊（GMAW），钨极氩弧焊（GTAW）。SMAW适合各种焊接位置，灵活性大，合金过渡系数高；SAW熔敷效率高，适于环焊缝横焊位置的焊接；GTAW的焊接效率太低，在工程中选择此焊接方法不太经济，但能得到具有窄坡口高质量的焊接接头，所以只有在特定场合才选择GTAW。GMAW方法在应用时由于存在较大缺陷和局限性，所以9Ni钢的现场焊接基本只采用SMAW和SAW。

4.2 焊接材料

为获得性能优越的焊接接头，保证焊缝具有与9Ni钢相适应的低温韧性，焊接生产中需采用合适的焊接材料，按Ni的质量分数分为：①60%以上的Ni基型 （Ni-Cr-Mo系合金）；②40%的Fe-Ni基型（Fe-Ni-Cr系合金）；③13%的13Ni-16Cr-Mn-W型奥氏体不锈钢；④11%的铁素体型。其中，采用Ni基和Fe-Ni基型焊材可以获得良好的低温韧性，且线膨胀系数与9Ni钢接近，尽管焊接过程中热裂纹敏感性较高，但通过调整焊接工艺措施和焊接工艺参数可以解决，所以这两类焊材是焊接9Ni钢的最合适选择[9]。

4.3 焊接电流

为避免磁偏吹，最好采用交流方波焊接电源，并配合交流焊接的镍基合金焊条。

4.4 焊前清理及坡口加工

焊接前，采用有机溶剂清洗或打磨的方法，对焊接坡口表面进行清理，保证坡口表面及其附近区域没有氧化皮、油污、水分和有机物等杂质。

坡口加工：通常采用X形和Y形坡口。由于大型LNG储罐的9Ni钢内壁钢板厚度为10～36 mm，厚度的跨度比较大，因此，开坡口时，较薄的钢板采用单边V形(Y形)坡口，较厚的钢板采用X形坡口[7]。

4.5 预热温度、层间温度和焊接热输入

预热温度，层间温度和焊接热输入会直接影响钢材焊后的冷却速度。冷却速度越慢，晶粒长大越显著，导致低温韧性下降，故9Ni钢在焊前一般不需要预热，且应控制层间温度在100℃以下，焊接热输入应控制在7～35 kJ/cm之间[2]。

对板厚超过8 mm的9Ni钢，焊接时尽量采用多层多道焊，避免单道焊。研究表明[15]，小线能量(15 kJ/cm)单道热循环CGHAZ的低温(－196℃)冲击功比较低，经过800℃或900℃二次热循环后，低温冲击功明显提高，三次热循环还能进一步改善CGHAZ的低温韧性。在实际操作中，还要认真做好层间清理工作，确保无熔渣等杂质，然后再进行下一层的焊接。

5 焊接检测

LNG储罐用9Ni钢焊接检测方法主要有无损检测和压力检测、真空箱法检测等。其中，无损检测主要包括射线检测、超声波检测及渗透检测。射线检测和超声波检测主要检测焊缝的内部缺陷，渗透检测主要是检测焊缝的表面缺陷[16]。

6 结 语

伴随着全球范围内天然气消耗量的持续增长，建造新的LNG设施的需求不断增加，9Ni钢作为LNG储罐的主体结构材料，将被大量使用。本文回顾总结了近几十年9Ni钢焊接技术的发展，针对其焊接性及焊接工艺进行了详细阐述，将为今后9Ni钢在LNG储罐中的实际运用提供依据，以推动我国在该领域的发展。

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Analysis on 9Ni Steel Used for LNG Store Tank and its Weldability

GENG Dudu,YAN Chunyan,NA Xueyang,QU Yang,YANG Shunzhen
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,Jiangsu,China)

In this article,it introduced the development of 9Ni steel at home and abroad,analyzed its chemical composition,microstructure,properties characteristics,and systematically expatiated weldability.The analysis results showed that 9Ni steel is with some advantages,such as high strength,easy to be processed,good weldability and so on,which is suitable for usage in LNG tank under ultra-low temperature conditions.9Ni steel is with little cold crack sensitivity,when matching welding materials with welding process is applicable,the welding hot cracking and other welding defects can be avoided,as well as the decrease of low temperature toughness.In practical welding,it should adopt low heat input and multi-layer,multi-pass welding.The preheating before welding is not necessary,but the interlayer temperature should be controlled lower than 100℃.

welded pipe;appearance inspection;measure template;deviation

TG133.26

A

1001－3938（2015）05-0005-04

耿都都（1992—），女，河海大学本科在读，即将于天津大学材料科学与工程学院继续攻读硕士学位，专业为材料加工工程，研究方向为材料焊接冶金及焊接结构分析。

2015-01-14

谢淑霞