9%Ni钢LNG低温储罐用埋弧焊焊接材料研制

2018-09-13，，，，

机械制造文摘(焊接分册) 2018年4期

，，，，

(1.哈尔滨威尔焊接有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150028；2.哈尔滨焊接研究院有限公司，黑龙江哈尔滨 150028；3.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东广州 510715)

0 前言

液化天然气(LNG)作为一种清洁、高效的能源，众多国家都已将LNG列为首选燃料，正以每年12%的速度增长，成为全球增长最激烈的能源行业。近几年，全球LNG的生产和贸易日趋活跃，LNG作为新型稀缺清洁资源，正成为世界油气工业的新热点。中国的LNG主要依赖于国外进口，需要大量的低温储罐和输送管网，虽然在2007年已经实现了9%Ni钢国产化，但还没有在LNG低温储罐中广泛应用。

大型LNG低温储罐用9%Ni钢焊接技术是LNG低温储罐建设的关键。国内缺少针对大型LNG低温储罐用9%Ni钢焊接材料和焊接工艺的研究。到目前为止，国内在LNG液化储存技术方面刚刚起步，与LNG低温储罐用9%Ni钢配套的焊接材料和焊接工艺的研究也处于起步阶段，焊接材料完全依赖于进口。试验主要是研制大型低温LNG储罐9%Ni钢专用焊接材料，实现大型低温LNG储罐焊接材料[1-3]国产化。

1 试验要求与方法

1.1 技术要求

LNG低温储罐的焊接材料技术要求对HNi276焊丝及HNi276/SJ609熔敷金属的C，S，P，Si元素含量进行了严格控制，见表1。对熔敷金属焊态力学性能要求严格，特别是-196 ℃冲击性能，见表2。同时,要求研制的焊丝、焊剂适用于交流、直流电源两用的埋弧平焊和横焊现场焊接。

1.2 试验方法

母材为Q345(16Mn)钢，对接试板用ENiCrMo-4焊条焊3层过渡层，试板厚度为20 mm，焊接方式为交流埋弧平焊[4]。具体焊接工艺参数见表3。

按照ASTM A751-2014《钢产品化学分析的试验方法、规程和术语》进行化学分析。焊缝金属力学性能分别按照GB/T 2652—2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》、GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》、GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》要求进行拉伸、冲击及弯曲试验。

表1 HNi276焊丝及HNi276/SJ609熔敷金属化学成分(质量分数，%)

表2 熔敷金属力学性能

表3 焊接工艺参数

2 焊接材料的研制

2.1 焊丝成分设计

9%Ni钢焊接材料熔敷金属力学性能指标一般包括抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和冲击吸收能量，此外还要考虑焊接材料的低温韧性、焊缝金属熔化温度和热膨胀系数。分析成分对性能的影响，焊接工艺及参数对性能的影响。同时研究制备技术对焊丝表面质量、焊接工艺性能及力学性能的影响，为样品成分设计和制备技术提供依据。结合已有的研究数据和产品经验，设计研究焊丝HNi276的化学成分。设计主要原则：①主成分满足技术条件；②严格控制杂质元素，特别是C，S，P和Si元素的含量。

2.2焊剂的研制

2.2.1焊剂类型定型

埋弧焊焊剂按照制造方法采用烧结型埋弧焊剂。烧结型焊剂可以减少焊剂过渡较多的C元素,从而降低镍基合金中C元素对热裂纹影响,且有利于保证焊剂合金过渡的要求。因此, 对新研制的焊剂选为烧结型。

2.2.2焊剂渣系的选择及调试

焊剂的选用首先要考虑焊接工艺性, 其次要考虑焊剂渣系及其组分对焊缝熔敷金属力学性能的影响。按焊剂的碱度分为3组, 进行焊接工艺性能调试，第一组碱度<1.5；第二组碱度为1.5～ 2.0；第二组碱度为2.0～3.0。工艺性能主要考核焊剂的脱渣性能、焊道成形、电弧稳定性3个方面。通过焊剂组分的变化及含量的调整, 研究焊剂组分与脱渣性能、焊渣的熔点高低及粘度大小的变化关系，对焊剂的焊接工艺性能进行优化, 分别调试了几十种配方, 优化出工艺性能优良的1号(B为1.2)、2号(SJ609)(B为1.8) 和3号(B为2.5)烧结焊剂试样，分别对上述3种焊剂进行熔敷金属力学性能试验。焊丝为规格φ2.4 mm的 HNi276，焊剂粒度为0.28～2.00 mm。焊接工艺规范为焊接电流350 A、电弧电压30 V、焊接速度550 mm/min。试验结果见表4。

表4 熔敷金属力学性能

由表4可知, 采用2号试样熔敷金属有良好抗拉强度和冲击韧性,而采用1号、3号试样熔敷金属的抗拉强度和冲击韧性较差。

对于镍基埋弧焊用焊剂，保证具有良好工艺性的同时具备较低的合金烧损能力。铝酸盐基属于中性渣系，具有较低的合金烧损能力，选定新研制的2号(SJ609)焊剂主渣系为Al2O3-SiO2-CaF2。

3 试验结果与分析

3.1 焊丝、焊剂的工艺性能

通过调整新研制的焊剂 SJ609 主渣系，使熔渣具有合适的粘度和表面张力，改善焊剂交流稳弧性，提高焊接材料交流平焊及横焊的工艺性能。采用新研制的焊丝HNi276/焊剂SJ609交、直流电源两用的平焊和横焊，工艺性能优良，电弧稳定，脱渣容易，焊缝成形较好。图1为交流埋弧横焊及横焊焊道形貌。

3.2 熔敷金属化学成分及力学性能

熔敷金属力学性能试验结果见表4，其中2号试样-196 ℃冲击吸收能量平均值达到112 J，符合标准要求。经侧弯试验测试，试样完好无裂纹，如图2所示。研制的焊丝HNi276/焊剂SJ609及熔敷金属化学成分分析结果见表5。

图1 交流埋弧横焊及焊道

图2 侧弯试样

表5 HNi276焊丝及HNi276/SJ609熔敷金属的化学成分(质量分数，%)

3.3 金相组织

图3为试样宏观形貌，未见裂纹、夹渣、气孔、未焊透、未熔合等缺欠。

图3 宏观形貌

图4a为母材区组织，为马氏体回火组织。图4b为焊缝区组织，为γ固溶体，呈偏析特征，晶内、晶界均有析出物存在，晶内析出物呈颗粒状(或小块状)，晶界析出物主要呈断续棉絮状；过热区金相组织为板条马氏体(图4c)，检验面上未见裂纹、夹渣、未熔合等缺欠。

3.4 焊接工艺评定

按照NB/T 47014—2011《承压设备用焊接工艺评定》进行焊接工艺评定[5]，母材为9%Ni钢，试板厚度为20 mm，其化学成分见表6，采用交流埋弧平焊焊接。具体焊接工艺参数见表3。母材和焊接接头的力学性能见表7，焊接接头断裂于焊缝区，接头侧弯试样均完好，无裂纹，如图5所示。焊缝中心、熔合线以及热影响区的-196 ℃冲击吸收能量均高于60 J。