LNG储罐焊接技术及发展.ppt

刘红坚,2010年9月,LNG储罐焊接技术及发展,一、前言,目前世界各国都在积极推动低温液化气的储备。随着我国经济的迅猛发展，我国的能源产业结构也在发生巨大的变化，国家极力支持液化天然气项目的发展，并把实施LNG进口多元化发展战略作为国家能源战略的重要组成部分。06年启动的三大LNG接收站项目广东、福建和上海LNG项目相继投产，目前大连、江苏项目正处施工阶段。,LNG接收设施主要由用于LNG接收储存的低温储罐、LNG码头及栈桥区、灌区泡沫站、气化区、增压/冷凝区、火炬区、公用工程、计量输出区、槽车装车区等组成，其中LNG低温储罐的安装是建设的核心和关键。LNG低温储罐通常是双层壁结构的立式拱顶储罐，外壁为预应力混凝土结构，内侧为双层壁钢结构。外层普通碳钢板紧贴混凝土（通过预埋件贴在外罐壁混凝土层内侧并密封焊接），,最内层为9%Ni钢（例如ASTM A553 Type1等），厚度从下到上呈递减型（16.5万立方储罐内罐底圈壁板为26.2mm，顶圈壁板为12 mm），内外层结构间距一般在850mm以上、1000mm以内，中间夹层填充特殊的绝热材料；罐顶也是双层结构，顶板是普通碳钢板，悬挂在外顶层内壁的吊顶是铝板（例如ASTM B209M5083），通过吊杆（SS）与外罐拱顶骨架连接，内外顶之间夹层填充特殊的绝热材料，在顶板外侧为混凝土层。,罐底由三层钢板及保冷层组成，最下层底板为碳钢板，底板和次外层底板为9%Ni钢，每两层底板之间铺设泡沫玻璃砖保冷层。储罐罐壁无管口，所有管线都由罐顶开孔与罐内连接。其结构如下图：,储罐工艺设计数据,下面主要以上海LNG储罐的焊接施工为例进行介绍：,二、储罐材料介绍2.1 储罐所包含的主要材料外罐：A36、A516Gr380、A516Gr450铝吊顶：B209M 5083-O内罐：A553 TYPE 1（9%Ni钢）螺柱：A108 Gr1015、A276 TYPE 304接管及套管：TP304L、API 5L Gr.B、A516Gr450,2.2 9%Ni钢介绍 9%Ni钢于1944 年由美国INCO 公司开发发明的一种优良的低温用钢，1948 年推向市场。1956年初列入ASTM标准。1960 年以前9%Ni钢只能用铁素体焊条焊接，需进行焊后消除应力的热处理，这对于制造大型储罐是一个难题。1960 年10 月，采用Inconel型焊条焊接9%Ni钢成功，并通过了液氮温度下的爆破增压试验。后来开发的9%Ni 钢的双正火+回火(NNT)热处理工艺和淬火+回火(QT)热处理工艺使9%Ni 钢的焊接不需进行焊后消除应力的热处理。1962 年，ASTM规范认定：,板厚不超过38mm 的储罐可以不进行消除焊接接残余应力热处理，1963年又扩大到50mm，使9%Ni 钢用于大型LNG 储罐制造成为可能。1952 年,第一台9%Ni钢储罐在美国投入使用。1965 年法国用9%Ni 钢建造了第一艘LNG 油轮Jules Verne 号，舱容 2.584 万m3。日本大规模使用9%Ni 钢开始于1969 年横滨港建成的3.5 万m3 和4.5 万m3 LNG储罐，1977 年将Ni9 钢列入JIS 标准，JIS G3127对9%Ni钢的热处理进行了如下要求：双正火+回火处理(NNT)和淬火+回火处理(QT)。1980 年日本建成了7.5 万m3LNG 储罐。,1991 年JIS G3127 中明确指出：根据需要可进行中间热处理。1982 年后，9%Ni钢已经成为低温储罐主材，逐渐取代了Ni-Cr 不锈钢，截止到1995 年世界上已建的最大9%Ni钢储罐容积为14万m3。由此可见，9%Ni 钢已是国际上低温设备领域广泛使用的钢种，其焊接性能良好，焊接工艺已日臻成熟。而在我国由于对9%Ni钢焊接的研究和应用比较晚，特别是在LNG储罐焊接方面,还没有形成自己的标准，工艺规范也不完善。,目前推荐并且常用的热处理方法有三种：(1)NNT处理 第一次正火加热至900 空冷。第 二次正火加热至790 空冷，然后在550-580 回火后急冷处理后的组织为回火马氏体与贝氏体。(2)QT 处理 800 水淬或油淬，然后550-580 回火处理后的组织为低碳马氏体。(3)+双相区淬火+回火(Intercritical HeatTreatment，简称IHT)一般为800水淬+670水淬，然后经550580 回火，处理后的组织为低碳马氏体。,Ni是9%Ni钢的主要合金元素，它在该钢中的作用是降低钢的脆性转变温度，提高它的冲击韧性。Mn 在该钢中可以细化晶粒，同时还可以提高w（Mn）/w（C）的比值，起到提高钢的韧性，降低转变温度的作用。C在该钢中可以提高钢强度。S、P含量应严格控制，否则会使脆性转变温度升高，增加热裂纹的倾向。因此，为了保证9%Ni 钢具有良好的低温韧性，应严格控制该钢中的C、Si 等其它元素及S、P等杂质含量。,9%Ni钢的化学成分和力学性能(wt,%),上海LNG用低温钢板的化学成分及机械性能见下表：,A553TYPE1钢化学成分,A553TYPE1钢机械性能,2.3 9%Ni钢的焊接性能 9%Ni钢以其优良的低温性能和焊接性能被认为是制造低温压力容器/储罐的最佳材料，焊接9%Ni钢主要问题是保证焊接接头的低温韧性、防止焊接裂纹、防止电弧磁偏吹等问题，这与焊接材料的类型、焊接热输入、焊接工艺有关。（1）焊后低温韧性下降:焊接接头的低温韧性问题出现在焊缝区、熔合区和粗晶区。焊缝金属的低温韧性与采用焊接材料的类型有关，采用与9%Ni钢成份相同的焊材时，焊缝金属低温性能很差，主要是由焊缝金属含氧量过高造成的。,熔合区的低温韧性与所出现的脆性组织有关。当采用Ni13%Cr16%型奥氏体不锈钢焊接材焊接9%Ni时，熔合区的化学成份既非奥氏体钢也非9%Ni钢的成份，而是富含Cr、Mn、W与C的区域。熔合区的硬度明显比焊缝金属的硬度和热影响区的硬度高，熔合区的硬度又随位置的不同而不同，熔合区存在脆硬层，该区域是板条马氏体和挛晶马氏体复合而成。,（2）焊接热裂纹 采用Ni基、FeNi基或Ni13%Cr16%奥氏体不锈钢焊材焊接Ni9钢时，都可能产生热裂纹，如用25Cr16Ni13Mn8W3焊条焊接Ni9钢时，可能产生弧坑裂纹、高温失塑裂纹、液化裂纹，也可能在熔合区中产生显微疏松。焊接热裂纹易产生在打底焊缝或定位焊缝中。如果夹渣较多时，也能从夹渣处产生裂纹，定位焊时在起弧处也可能产生裂纹。,显微疏松或称折叠中的显微裂纹主要产生在熔合区，这种缺陷一般很小，所谓折叠是焊接过程中由于电弧的搅动，把部分母材带入焊缝中造成的。带入焊缝中的这部分母材虽经熔化，但未与焊条金属相混合，其成分基本上是原9%Ni钢的成分，因为焊缝金属的合金元素比母材高的多，其熔点低于9%Ni钢。陷入折叠之中的焊缝金属的凝固晚于周围的折叠金属，因而在它凝固时的不到金属的补充而产生裂纹实际是显微疏松。消除以上裂纹的方法是减少有害元素，采用正确的焊接技术并配和适当的打磨。,（3）焊接冷裂纹 9%Ni钢与同强度的其它低合金钢相比有较好的抗冷裂性能，在低氢条件下不产生冷裂纹，但采用低Ni高Mn的奥氏体焊条时，因母材稀释作用在熔和区附近会出现高硬度的马氏体带，对氢脆敏感，防止焊接冷裂纹的措施是：施焊中严格执行焊接工艺规程特别是焊条烘干、焊接环境湿度、焊接规范等。采用Ni基焊材时可使熔合区不出现高硬马氏体，有效防止冷裂纹。,（4）电弧磁偏吹 焊接9%Ni钢时易发生磁偏吹，防止措施是控制母材剩磁率在50高斯以下，但是焊接过程中剩磁率在20高斯以上。因此，应尽量采用交流焊接避免用大电流的碳弧气刨清根，或采用磁铁消磁。,三、焊接工作的难点及关键点,在LNG焊接施工中，通过对9%Ni钢的焊接性进行分析，内罐作为储罐焊接施工的核心，其主要焊接难点如下：钢材硬度大，坡口加工的难度较大；钢材易磁化；焊缝易产生冷、热裂纹；焊接电弧的磁偏吹；,四、主要应用的规范,目前国内对于低温储罐的施工方面还无具体的验收规范，施工主要参考国外相关规范，焊接工艺评定及焊接施工主要应用的规范如下：BS7777-1993立式圆筒型低温储罐 EN287-1：1992钢熔化焊焊工考试 EN287-2：1992铝熔化焊焊工考试 EN288-3-1992金属材料焊接工艺评定-钢材 EN288-4-1992金属材料焊接工艺评定-铝及铝合金,EN571-1997无损检测着色检测 EN895-2001拉伸试验 EN910-1996弯曲试验 EN10045-1993冲击试验 EN1043-1997硬度试验 EN ISO 5817-2003焊缝无损检测评定 ASME 焊接和钎焊评定标准,51 外罐的焊接方法 外罐的焊接，主要为SMAW，螺柱的焊接采用螺柱焊和SMAW。,五、焊接方法的选择,外罐壁板安装焊接,拱顶螺柱焊接,铝吊顶的焊接焊接,52内罐的焊接方法 目前焊接9%Ni钢主要焊接方法是焊条电弧焊(SMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)、熔化极惰性气体保护电弧焊(GMAW)和埋弧焊(SAW)。钨极氩弧焊的焊接效率太低，在工程中选择这种焊接方法不太经济，但是，能得到具有窄坡口的高质量的焊接接头，特别是采用,低镍型焊接材料焊接9%Ni钢时，钨极氩弧焊是非常好的焊接方法。所以只是在特定的场合下才选择使用钨极氩弧焊。手工熔化极惰性气体保护电弧焊的熔敷速率大，但对焊工的焊接技术要求较高。该焊接方法的主要缺点是容易产生熔合不良和气孔。焊条电弧焊是9%Ni钢现场焊接的一种适合各种焊接位置、非常灵活且可行的焊接方法。该焊接方法可以达到很高的合金过度系数，甚至高达170%。,埋弧焊是熔敷速率最高的一种焊接方法，特别是在环焊缝焊接时，由于使用了环缝焊接机械系统，埋弧焊的优点表现得更加突出，但它只适合于焊接横焊缝和水平位置焊缝。对于立式储罐的纵焊缝，虽然现在已经开发出了气电立焊设备，且自动化程度很高，但是由于气电立焊的线能量偏大且不易控制，所以不适合用来焊接9%Ni钢。立焊缝仍然用焊条电弧焊焊接。,生产实践证明，焊条电弧焊和埋弧焊是9%Ni钢储罐现场焊接效率最高的焊接方法。由于LNG储罐的焊接工作量大，对于9%Ni钢的焊接目前主要应用的方法有：手工电弧焊、埋弧自动焊，也是目前我国LNG储罐本体普遍采用的焊接方法。其中手工电弧焊主要应用于壁板的立缝、底板、大脚缝、热转角保护板，埋弧自动焊主要应用于壁板的横缝。下面是我公司上海LNG储罐的焊接方法示意图:,内罐壁板角缝焊接,内罐壁板环缝焊接,9%Ni钢的焊接材料可归纳为四种类型，即含Ni 约60%以上的Inconel型；含Ni 约40%的Fe-Ni基型；含Ni13%-Cr16%的奥氏体不锈钢型和含Ni11%的铁素体型。铁素体型焊材具有成本低的优点，但其成分与9%Ni钢相同，焊后如果不进行热处理，得到的焊缝低温韧性很差。研究表明这主要是因为焊缝金属中的含氧量太高，有时可达600ppm。焊后热处理虽然,六、焊接材料,可以较好地提高焊缝的低温韧性，但在施工现场的环境下特别是对大型储罐的焊接，热处理是很难实现的。因此，用于9%Ni钢电弧焊的焊材主要是前三者。Ni13-Cr16奥氏体不锈钢型焊接材料的强度稍高，但低温韧性较差，线膨胀系数与9%Ni钢相差较大，易产生高的热应力集中，从而增大焊缝的热疲劳和失效的风险，而且容易在熔合区出现硬脆组织而使冷裂纹倾向大大增加。,Ni基和Fe-Ni基焊接材料的线膨胀系数与9%Ni钢相近，并且所得焊缝金属均为奥氏体，具有优异的低温韧性。但这两种焊接材料也有缺点，主要表现在以下方面：由于奥氏体焊缝结晶特点，焊接过程中热裂纹敏感性很强，更易出现弧坑裂纹；Ni基合金焊缝金属的熔点一般要比母材低100-150，焊接时熔深较浅，流动性较差，往往会形成未焊透缺陷，但通过调整焊接工艺，可以克服这些问题。此外，这两种材料的成本过高，焊缝强度略低于母材。,四类焊接材料类型及特点如下表：,9%Ni钢焊接材料类型及其特点,目前，在世界各国LNG储罐的建造中，焊条采用ENiCrMo-6、E NiCrMo-3、ENiCrFe-9等，焊丝采用ER NiCrMo-3、ER NiCrMo-4、ER NiCrMo-8、ER NiMo-8、ER NiMo-9等，但使用ER NiCrMo-3的较多。我们在上海LNG中焊条采用ENiCrFe-9，焊丝采用ER NiMo-8。,SAW焊丝,SMAW 焊条,9%Ni钢是一种磁化倾向较大的材料。钢材的磁性会造成电弧的磁偏吹，并将严重影响焊接质量，造成未焊透，未熔合，夹渣、气孔等缺陷，严重时甚至无法施焊。目前手工电弧焊主要采用交流焊接电源，来避免电弧的磁偏吹现象,也有采用直流焊接电源；埋弧自动焊，根据使用焊丝的特点及经验，目前采用交流或直流焊接电源都有。,七、焊接设备,林肯POWERWAVE AC/DC 1000焊机,米勒Dynasty 350 AC/DC焊机,焊接工艺评定目前主要是按照EN288-3：1992标准进行(上海LNG焊接工艺评定是根据EN288-3及项目的有关技术要求进行试验)，试验项目主要有外观检查、焊缝根部及表面着色检查、射线检查、拉伸、弯曲、冲击、宏观金相、硬度、侧向膨胀值的测定。,八、焊接工艺评定,8.1弯曲试验 对接接头的弯曲试验应按照EN910的要求进行。试验过程中，试件上延任何方向不能出现长度大于3mm的单个裂纹，出现在试件棱角处的裂纹可忽略不记。对于9%Ni钢的焊接，弯曲试验采用纵向弯曲试验,对接接头的试样的准备和试验根据ASME-1998的有关要求进行(根据上海LNG的技术要求)。,8.2拉伸试验 对接焊缝的试样和试验根据BS7777和EN895的要求进行,厚度采用全板厚。最小抗拉强度不能低于下表：,8.3冲击试验 冲击试验采用V型缺口冲击试验,每个位置应取3个试样，冲击试件的选择、加工、试验根据BS7777-2和EN10045-1的有关要求进行，冲击值不能低于下表要求：,8.4宏观金相试验 试件的准备和腐蚀根据EN1321的有关要求进行，其熔合线、热影响区、焊道应该清楚。宏观金相试验应包括母材金属。合格标准为EN25817规定的B级。8.5硬度试验 硬度试验根据EN1043-1的要求进行，其他方面根据EN288-3的要求进行，硬度试验的最大值应符合下表要求。,同种材料焊缝金属硬度的最大值,异种材料焊缝金属硬度的最大值,8.6有关9%Ni钢焊接试验结果,见下表:,焊接工艺评定结果,91 所依据的考试标准：内罐、外罐主要是根据EN287-1要求进行资格评定。手工焊条电弧焊焊工位置采用2G和3G两种。埋弧自动焊使用2G。铝吊顶根据EN287-2的要求进行考试。92由于9%Ni钢焊缝容易产生冷、热裂纹，特别是弧坑裂纹，焊工培训、考试过程中，要严格控制焊接线能量及层间温度，要求每根焊条焊接时中间最多只允许有一个接头，培养焊工养成良好的习惯，减少焊接接头，减少焊接缺陷的产生。,九、焊工考试与管理,收弧时尽量减少熔池尺寸，把弧坑引向坡口边缘或引回焊道边缘，并进行适当的打磨处理。93 参加9%Ni钢焊接的焊工，最好有焊接不锈钢、耐热钢、哈氏合金方面的焊接经验。94由于采用镍基焊接材料，焊缝金属的熔点要比9%Ni钢低100-150左右，很容易造成未熔合等缺陷，所以在考试中，我们采用了双面焊接，对焊缝背面进行清根处理。95 9%Ni钢焊工考试,射线拍片合格后,根据ASME 卷对焊缝做纵向弯曲试验。,10.1坡口形式外罐的坡口形式：主要是V 形、X形和角焊缝。铝吊顶的坡口形式：主要是X形和角焊缝。内罐的坡口形式：由于采用镍基焊接材料焊接9%Ni钢时，焊缝的熔深小，可适当增加坡口角度，其大脚缝、环缝、纵缝坡口如下图所示。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。,十、焊接坡口准备,10.2 坡口加工：碳钢坡口主要采用加工火焰加工。9%Ni钢坡口主要采用机械加工(在工厂进行预制)。不锈钢材料采用等离子加工。,11.1 材料到货后，要对材料进行剩余磁通量的检查，当磁通量大于50高斯时，要进行消磁处理；钢板表面不允许有划伤等，否则要进行修复。11.2 焊条要按要求进行烘干，以降低扩散氢水平，降低冷裂纹产生的可能性。11.3 清理坡口表面以及母材表面20mm范围的的水分、油污等杂质，（特别是坡口边缘处）进行打磨，直至出现金属光泽,防止气孔、裂纹等缺陷的产生。,十一、9%Ni钢焊接工艺及操作要点,11.4 焊接过程必须严格按照焊接工艺指导书的有关要求进行焊接，并严格控制焊接线能量，采用多层多道焊，其最大焊接线能量控制见下表所示。最大焊接线能量,焊条电弧焊最佳焊接工艺参数,11.5 由于此类焊条/焊丝焊接时，粘度较大，铁水的流动性较差，焊条电弧焊的摆动，应小于2.5倍的焊条直径，SAW采用不摆动。焊接过程中尽量采用排道焊；为了提高焊接工作效率，确保焊接质量，,埋弧焊可选用2.4 mm的焊丝。11.6 为保证定位焊缝的焊接质量，定位焊长度应大于50mm，确保焊接过程中焊缝不致开裂。11.7 每条焊缝应一次焊完，因故被迫中断，继续焊接前必须对焊缝进行检查，确认无裂纹后，方可按原工艺进行焊接。,11.8、收弧时，应将弧坑填满，每个接头焊接前，必须磨去弧坑缺陷，确认无裂纹，方可进行焊接。11.9、焊接过程中，尽量减少焊接接头，防止裂纹的产生。11.10、起弧应在坡口内，严禁母材表面引弧、收弧、试验电流、电弧擦伤等。11.11多层焊时，各层间的接头应错开50mm以上。11.12严格控制层间温度控制在100以下。11.13由于9%Ni钢很容易磁化，应将材料与铁磁性材料分开，避免钢板磁化，焊接过程中，不应使用磁性工具，具有磁性的设备应距离焊接件保持一定距离，焊缝层间清理采用不锈钢砂轮片。,使用碳弧气刨清根时，避免采用大电流，一般磁性小于50高斯，可以不进行消磁处理，对于磁化较严重的焊缝，可采用U型磁铁进行消磁处理。11.14 严禁在9Ni钢母材上表面随意打弧、点焊；对必须的卡具应绘图记录；所有弧坑、工卡具焊疤必须补焊、打磨清理后进行着色检验。11.15 焊条使用前，必须经过200-250烘干，恒温1小时；烘干后的焊条必须放置于恒温箱内（100150），使用时，焊工应使用保温桶随用随领，严禁超过4小时；焊条置于空气中4小时，必须重新烘烤，重复烘干不得超过一次。（采用真空包装的除外）,11.16 当焊件表面有雨水、雪、冰或下雨、下雪、刮大风等情况时，没有采取相应措施，否则应严禁施焊；当环境温度低于-10时，严禁施焊，环境温度为-1010时，应在始焊处75mm范围内预热10以上，方可焊接。,12.1 焊接完成后，焊缝表面应打磨到和母材齐平，焊缝表面不得有咬边、裂纹、弧坑、夹渣和气孔等缺陷。焊接接头上的熔渣及两侧的飞溅物必须打磨清除干净。外观质量不合格的焊缝，必须返修合格，否则不许进行其它项目的检查。11.2 转角板：转角盖板角焊缝双侧盖面PT；转角板盖面PT，真空试漏检验,临时焊点PT。,十二、焊接检验,11.3底板及次层底板：表面PT,真空试漏检验,底板水压前真空试漏检验，水压后真空试漏检验，边缘板打底及清根PT，盖面PT，真空试漏检验，临时焊点PT。11.4内罐壁板：打底清根PT，盖面PT，100%RT,真空试漏检验，临时焊点PT,加强圈对接焊缝RT,加强圈与壁板角焊缝双侧盖面PT,11.5大脚缝：双侧打底PT，盖面PT,真空试漏检验，泄露试压。,116所有9%Ni钢钢焊缝PMI检测，底板每10米一点，每块板必须抽检一点，壁板每10米一点，内外侧各一点。十三、产品焊接试板 内罐壁板按照同材质、同规格、同热处理状态的要求，对纵焊缝取最薄板和最厚板做产品焊接试板。,十四、LNG储罐焊接技术发展 由以上介绍大家可知，目前LNG内罐壁板焊接方法主要是横焊埋弧自动焊、其余手工焊条电弧焊的方式。2003年以来，欧美等国开始在LNG储罐立缝探索药芯焊丝富氩气体保护焊（CO2比例小于25%），富氩保护气的组成，一般为80Ar十20CO2，提高氩气的混合比例，可相应提高焊缝的低温冲击性能。也有一些应用的实例。,近年来国外公司在9%Ni LNG储罐立缝中应用药芯焊丝的实例,07年以来，我公司完成了LNG储罐Ni9各种规格板的药芯焊丝气体保护自动立焊的技术开发，并对近年来在国外LNG储罐上应用较多的德国UTP AF 6222 Mo PW（AWS A 5.11:E NiCrMo-3）药芯焊丝从焊接效率、焊缝成型和焊接质量等方面做了试验，其试验结果表明该焊丝焊接效率比手工焊提高约一倍；焊丝具有优异的脱渣性能,焊缝成形美观；整体焊缝一次成形,减少因频繁更换焊条带来的反复起弧收弧问题等优点。可采用多层焊的形式，减少焊接线能量输入。,国外的应用实例和我公司相关工艺试验表明,在立焊上采用GMAW焊接工艺是可行的，主要难点在于如何有效地解决该方法在应用中容易产生熔合不良和气孔等焊接缺陷的问题。,一、,二、,三、,谢 谢 大 家！,