9Ni鋼材料應(yīng)用于LNG儲(chǔ)罐的制作要領(lǐng)和檢測(cè)方法.

1、Aug.200832化肥設(shè)計(jì)ChemicalFertilizerDesign第46卷第4期2008年8月9Ni鋼材料應(yīng)用于LNG儲(chǔ)罐的制作要領(lǐng)和檢測(cè)方法雷文輝(中國(guó)五環(huán)化學(xué)工程公司，湖北武漢430223)摘要:結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例,論述了9Ni鋼材料在國(guó)內(nèi)液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐的使用情況。介紹了9Ni鋼的理化特性和選材要領(lǐng);從焊接材料的選擇、焊接接頭的低溫韌性、焊接熱裂紋、焊接冷裂紋、電弧的磁偏吹等方面闡述了焊接9Ni鋼材料時(shí)易出現(xiàn)的問題和改進(jìn)措施;提出了9Ni鋼焊接接頭檢測(cè)方法和相關(guān)注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞:9Ni鋼;液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐;焊接;熱處理;無損檢測(cè)中圖分類號(hào):TU996.71文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)

2、碼:A文章編號(hào):1004-8901(2008)04-0032-04BothFabricationGistandInspectionMethodUsedinLNGTankConcerning9NiSteelMaterialLEIWenhui(ChinaWuhuanChemicalEngineeringCorporation,WuhanHubei430223China)Abstract:Incombinationwiththerealapplicationexampleofproject,authorhasdiscussedtheapplicationsituationfortheliquefie

3、dnaturalgas(LNG)tankmadeof9NisteelmaterialinChina.Authorhasintroducedthephysicalandchemicalpropertiesof9Nisteelanditsgistinselectionofmaterial;fromaspectsofselectingweldingmateria,llowtemperaturetoughnessofweldingjoints,weldinghotcrack,weldingcoldcrack,magneticblowingdeviationofelectricarcandsoon,au

4、thorhasdescribedtheproblemseasilycausedduringweldingthe9Nisteelmaterialandtheirimprovingmeasures;hasproposedthedetectionmethodforweldingjointof9Nisteelanditsrelativematterstobenoticed.Keywords:9Nistee;lliquefiednaturalgas(LNG)tank;welding;heattreatment;nondestructivetest目前在建的上海LNG接收站與輸氣管線項(xiàng)目中，有3個(gè)1650

5、00m凈容積用于儲(chǔ)存液化天然氣(LNG)的儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐為雙殼層懸浮吊頂?shù)蜏貎?chǔ)罐，全封閉型，內(nèi)罐(直接與LNG接觸的部分)使用9Ni鋼,外罐使用混凝土包裹(包括罐頂)，外罐內(nèi)襯SA516鋼殼,內(nèi)罐與外罐內(nèi)襯鋼殼之間填充絕熱材料。其中,9Ni鋼是惟一可以在-196使用的鐵素體低溫用鋼，其-196的夏比沖擊功達(dá)到200230J，是深冷環(huán)境下使用的韌度最好的材料。然而,9Ni鋼因其自身的特點(diǎn)，在使用和安裝方面有許多需要注意的地方。筆者擬從理化性能、焊接要領(lǐng)、無損檢測(cè)方法等方面介紹9Ni鋼材料在LNG儲(chǔ)罐中的應(yīng)用情況。3年代開發(fā)以來，由于其強(qiáng)度高、低溫韌性好，且成本比NiCr不銹鋼低而逐漸被廣泛采用。19

6、56年9Ni鋼被列入ASTM標(biāo)準(zhǔn)。1982年以后,9Ni鋼成為低溫儲(chǔ)罐的主材，逐漸取代了Ni-Cr不銹鋼，被世界各國(guó)普遍作為常壓液態(tài)LNG和常壓液氮的設(shè)備用鋼。9Ni鋼屬于低碳馬氏體型的低溫用鋼，具有較高的強(qiáng)度和較好的韌性。依據(jù)合金成分，9Ni鋼屬于中合金鋼，但由于用其制造設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度定位在-165-196范圍，故其原材料本身和制造中涉及到影響脆性轉(zhuǎn)變溫度的因素顯得十分關(guān)鍵。影響9Ni鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度的主要因素為晶粒度、組織結(jié)構(gòu)、合金元素和雜質(zhì)。1.1化學(xué)成分在影響9Ni鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度的主要因素中，合金元素和雜質(zhì)含量都與化學(xué)成分密切相關(guān)。9Ni鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。作者簡(jiǎn)介:雷文輝(198

7、1年-),男，湖北武漢人,1999年畢業(yè)于武漢,19Ni鋼材料LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)溫度為-165，由于設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到用氮?dú)饫淠龝r(shí)可能出現(xiàn)的溫度,故設(shè)計(jì)i第4期雷文輝9Ni鋼材料應(yīng)用于LNG儲(chǔ)罐的制作要領(lǐng)和檢測(cè)方法表19Ni鋼的化學(xué)成分表29Ni鋼的力學(xué)性能SNi8.509.50ASTMA553QT鋼號(hào)熱處理狀態(tài)常溫s/MPa%585b/MPa%6905/MPa%2233元素ASTMA553(A353),w/%C!0.13Si0.150.30MnP橫向沖擊韌度t/-196KV/Jcm-235!0.90!0.035!0.049Ni鋼的鋼板采購(gòu)注意事項(xiàng)有以下幾方面。(1)9Ni鋼化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)的范圍要求

8、應(yīng)嚴(yán)格，如Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%0.30%,Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.50%9.50%;(2) 般來說，標(biāo)準(zhǔn)允許P和S的最大值約10倍于9Ni鋼板的實(shí)物值，也就是說:V當(dāng)9Ni鋼用于-196的設(shè)計(jì)條件時(shí)，必須大幅降低P和S含量;#9Ni鋼的設(shè)備制造要求盡可能地降低P和S含量,以保證9%Ni鋼的設(shè)備能夠滿足設(shè)計(jì)溫度為-196時(shí)的使用要求。(3) 9Ni鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)時(shí)人為加入和控制的關(guān)鍵合金成分為Ni和Mn,在控制方法許可的條件下，趨于得到較大值。(4) 對(duì)其他殘余合金成分應(yīng)嚴(yán)格控制。1.2熱處理在影響9Ni鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度的主要因素中，晶粒度和組織結(jié)構(gòu)都與熱處理密切相關(guān)。9Ni鋼的組織結(jié)構(gòu)隨熱處理變化

9、而變化的特點(diǎn)尤為顯著。因此，采用9Ni鋼進(jìn)行設(shè)備制造時(shí)，應(yīng)在充分分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,具體提出鋼板交貨時(shí)的熱處理狀態(tài)，并制定嚴(yán)格的制造工藝(如焊接工序等,必然涉及材料組織結(jié)構(gòu)和晶粒度的改變)，必要時(shí)還應(yīng)提出設(shè)備焊后局部或整體熱處理要求,以保證9Ni鋼設(shè)備的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度，使設(shè)備運(yùn)行安全可靠。目前9Ni鋼的熱處理有3種基本規(guī)范:V正火+正火+回火(NNT);#淬火+回火(QT),其組織為低碳馬氏體口雙相區(qū)淬火+回火(IHT)，其組織為低碳馬氏體。雖然規(guī)范中#和日熱處理后的9Ni鋼組織皆為低碳馬氏體,但其中的逆轉(zhuǎn)奧氏體分布卻存在明顯的差異。在這3種熱處理工藝中，經(jīng)雙正火(NNT)熱處理

10、的9Ni鋼,其低溫韌度較差，調(diào)質(zhì)熱處理(QT)的次之,(+)雙相區(qū)處理的低溫韌度最好。在上海LNG項(xiàng)目中,使用的9Ni鋼板為調(diào)質(zhì)熱處理(QT)規(guī)范。1.3力學(xué)性能9Ni鋼的強(qiáng)度極限高,且在低溫時(shí),會(huì)進(jìn)一步大幅度提高(韌性降低)。對(duì)于經(jīng)QT熱處理的9Ni鋼,常溫下的屈強(qiáng)比約為0.85，且存在較高的冷作硬化傾向。因此，用9Ni鋼進(jìn)行設(shè)備制造時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制成型和組對(duì)工藝，防止裂紋，特別是表面裂紋2。自動(dòng)焊絲29Ni鋼焊接在9Ni鋼儲(chǔ)罐的制作和安裝過程中，焊接十分關(guān)鍵。目前9Ni鋼焊接方法主要采用手工電弧焊和埋弧自動(dòng)焊。9Ni鋼具有良好的低溫韌性，焊接9Ni鋼時(shí)經(jīng)常遇到的問題有焊接接頭的低溫韌性、焊接

11、熱裂紋、焊接冷裂紋、電弧的磁偏吹。這些問題與所采用的焊接材料的類型、焊接熱輸入和焊接工藝有很大的關(guān)系。2.1焊接材料的選擇焊縫金屬的低溫韌性主要與采用的焊接材料的類型有關(guān)。用與9Ni鋼成分相同的焊接材料焊接時(shí)(TIG焊除外)，因焊縫金屬含氧量過高，焊縫金屬的低溫韌性很差，因此焊接材料常選擇Ni基或Fe-Ni基2種類型，且又多采用前者。另外，由于9Ni鋼的膨脹系數(shù)較大，在選擇焊接材料時(shí)，應(yīng)使焊縫與母材的膨脹系數(shù)相近，以免產(chǎn)生裂紋。為保證內(nèi)罐-196的低溫性能，上海LNG項(xiàng)目9Ni鋼焊接的焊接材料使用情況見表3。表3上海LNG項(xiàng)目9Ni鋼焊接材料焊接材料手工焊焊條焊條牌號(hào)AWSA5.11ENiCr

12、Fe-4或ENiCrFe-9AWSA5.11ENMio-8或ENMio-9AWSA5.14ERNMio-8或ERNMio-92.0,2.43.2,4.0焊條規(guī)格/mm3.2,4.0,5.02.2對(duì)焊接熱循環(huán)的敏感性9Ni鋼優(yōu)越的低溫韌性取決于通過嚴(yán)格控制化學(xué)成分、熱處理制度來獲得均勻的組織結(jié)構(gòu)。凡由于熱處理或焊接熱循環(huán)而使組織發(fā)生不利的變化，均會(huì)使9Ni鋼的熔合區(qū)和熱影響區(qū)的低溫韌性下降。焊接接頭的低溫韌性主要取決于焊接熱輸入和焊縫金屬結(jié)晶過程的冷卻速度。低溫韌性降低的原因有以下兩方面。(1) 焊接材料的影響。焊縫金屬及熔合區(qū)的化學(xué)成分與焊材有關(guān)，如果焊材含碳量高，或者Ni、Cr當(dāng)量搭配以及焊

13、材與母材熔合后的Ni、Cr當(dāng)量搭配落在不銹鋼組織圖中含馬氏體34化肥設(shè)計(jì)2008年第46卷(2) 焊接線能量和層間溫度會(huì)改變焊接熱循環(huán)的峰值和溫度，從而影響熱影響區(qū)的金相組織。當(dāng)焊接熱輸入較大且焊后的冷卻速度較小時(shí)，在熔合區(qū)會(huì)出現(xiàn)條狀馬氏體，而在熱影響區(qū)會(huì)出現(xiàn)粗大的貝氏體,則焊接接頭的低溫韌性很差。因此焊接時(shí)應(yīng)盡量采用小的焊接線能量(控制在35kJ/cm以下)，采用多道多層焊,層間溫度應(yīng)控制在100以下,從而避免出現(xiàn)貝氏體組織,改善熔合區(qū)和熱影響區(qū)的低溫韌性。上海LNG工程中，內(nèi)壁板最大熱量輸入見表4。表4內(nèi)壁板最大熱量輸入焊條型號(hào)SMAW(AWSA5.11)/kJ(mm)-lSMAW(AWS

14、A5.11)/kJ(mm)-lSAW(AWSA5.14)/kJ(mm)_l平臥焊4.54.5橫焊3.54.53.5立焊4.54.5提高所致。為保持坡口清潔，可選用低氫焊條(注意焊條的烘干、保管)，注意焊接環(huán)境溫度等措施，以減少焊縫中的氫含量,從而避免氫的積聚。(3)焊接接頭應(yīng)力包括組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和拘束應(yīng)力。選用低碳焊條可以避免出現(xiàn)硬化組織，在焊接工藝上應(yīng)設(shè)法減少馬氏體帶的形成,以避免產(chǎn)生過大的組織應(yīng)力?？刂茖娱g溫度以及選用線能量較小的焊接規(guī)范可以控制熱應(yīng)力。合理的組對(duì)安裝和焊接順序可減少拘束應(yīng)力。2.5電弧的磁偏吹由于焊接9Ni鋼時(shí)易產(chǎn)生電弧的磁偏吹，因此,9Ni鋼的鋼板采購(gòu)應(yīng)提出控制9Ni

15、鋼母材的剩磁在50Gauss以下的要求，處理和運(yùn)輸過程均須達(dá)到這樣的要求。9Ni鋼焊接一般采用交流電源。采用直流電源時(shí)，隨著焊接的進(jìn)行，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)不斷增大，最終導(dǎo)致電弧的磁偏吹乃至拉斷,使焊接無法正常進(jìn)行?？朔娀〈牌档耐緩接幸韵聨追N。(1)對(duì)母材(中小型部件)進(jìn)行消磁處理。(2)若采用直流電源，可以將永久磁鐵塊放在坡口兩側(cè)以抵消母材的磁場(chǎng)(但不容易掌握)。(3)選用交流焊接。由于電流方向的變化為100次/s，電弧中的物質(zhì)因慣性來不及隨之改變運(yùn)動(dòng)方向，故就不會(huì)發(fā)生磁偏吹了。工程實(shí)踐證明，該方法對(duì)于克服磁偏吹是行之有效的。(4)打磨方式應(yīng)盡量采用砂輪打磨。由于碳弧氣刨采用直流電焊機(jī),氣刨電流通

16、常在500A以上，這樣氣刨、直流焊機(jī)和罐壁之間構(gòu)成直流外加強(qiáng)磁場(chǎng)，當(dāng)碳刨結(jié)束時(shí),罐壁中容易產(chǎn)生較強(qiáng)的剩磁，從而導(dǎo)致焊接電弧的磁偏吹。2.3焊接熱裂紋熱裂紋的產(chǎn)生與焊縫金屬結(jié)晶過程中的低熔點(diǎn)雜質(zhì)偏析的數(shù)量及分布有關(guān)。液體金屬結(jié)晶過程越長(zhǎng)，偏析越嚴(yán)重。偏析產(chǎn)生的低熔點(diǎn)雜質(zhì)分布在晶界上，尤其在奧氏體組織中，雜質(zhì)在晶界上的分布是連續(xù)的。采用Ni基或Fe-Ni基焊材焊接9Ni鋼時(shí)，有可能產(chǎn)生弧坑熱裂紋、高溫失塑熱裂紋和液化熱裂紋。這些裂紋易于產(chǎn)生在打底焊縫或定位焊縫中，裂紋傾向與焊接位置有關(guān)，橫焊與平焊位置的裂紋傾向大于立焊與仰焊位置的裂紋。消除裂紋的最根本辦法:V減少有害雜質(zhì)元素含量,焊前對(duì)坡口兩側(cè)仔

17、細(xì)打磨與清理,收弧時(shí)焊條要稍作停頓，填滿弧坑后再慢慢地拉斷電弧;#對(duì)收弧點(diǎn)適當(dāng)進(jìn)行打磨，多層焊時(shí)各層間接頭應(yīng)錯(cuò)開口焊條應(yīng)選用熔化溫度區(qū)間范圍小的，或偏析雜質(zhì)在焊縫金屬晶界的分布為不連續(xù)的非單一奧氏體組織。2.4焊接冷裂紋9Ni鋼材料焊接冷裂紋產(chǎn)生的原因和控制方法敘述如下。(1) 熔合區(qū)出現(xiàn)硬化層。9Ni鋼本身含碳量不變(!0.13)，焊接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生硬化組織，但如果選用的焊材含碳量較高，熔合、擴(kuò)散的作用可使熔合區(qū)含碳量增高而產(chǎn)生硬化層。選用含碳量不高于母材的焊條就可避免出現(xiàn)硬化層。另外，采用Ni基合金焊接材料時(shí)，焊接接頭中基本上不會(huì)出現(xiàn)高硬度馬氏體,有利于防止冷裂紋。(2) 氫在硬化層中積聚是由

18、于焊縫坡口附近)39Ni鋼無損檢測(cè)(1) 嚴(yán)格執(zhí)行焊接接頭的表面質(zhì)量檢驗(yàn)及合格判定。其理由是：表面焊接缺陷在射線底片上的成像會(huì)造成對(duì)內(nèi)部或微小裂紋缺陷的漏判;#9Ni鋼磁性弱(焊材幾乎無磁性)，焊接接頭表面無損檢測(cè)只能采用靈敏性較差的滲透探傷,容易出現(xiàn)接近表面裂紋等開口缺陷的漏判。(2) 合理規(guī)定各種無損檢測(cè)的方法、順序、比例及合格指標(biāo),如超聲波檢測(cè)對(duì)裂紋有較高的檢測(cè)靈敏度，但不適宜奧氏體焊接接頭。(3) 射線檢測(cè)對(duì)裂紋缺陷、未熔合等檢測(cè)靈敏度與厚度和透照位置關(guān)系極大，有可能出現(xiàn)漏判,故應(yīng)提高對(duì)底片質(zhì)量的要求，使用技術(shù)好、經(jīng)驗(yàn)豐富的合格探傷人員進(jìn)行射線底片中缺陷成像的判定和等級(jí)評(píng)定。第4期王祥

19、光脫硫副反應(yīng)及副鹽回收技術(shù)研究41排至吸濾槽,濾液抽吸至脫色液貯槽或脫色液高位槽,濾餅送備煤。蒸發(fā)器蒸出的氣體至冷凝器，硫代結(jié)晶器出來的蒸汽至冷凝器，硫氰結(jié)晶器出來的氣體至冷凝器用水冷卻。冷凝液放入冷凝液受槽,冷凝液用泵送至脫硫系統(tǒng)。真空系統(tǒng)由緩沖罐、真空泵、油分離器組成，用以維持3個(gè)冷凝器的真空狀態(tài)。3.4副鹽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)硫代硫酸鈉質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10051-89見表2,化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG(T2328-92)見表3。硫氫酸鈉企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/HG3-507-79見表4。硫代硫酸銨英國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)見表5。硫氰酸銨化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T2154-91見表6。表2硫代硫酸鈉國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10051-89

20、指標(biāo)名稱硫代硫酸鈉,Na2S2O35H20/%pH值硫化物(以S計(jì))/%鈣、鎂及其他氨水不溶物/%重金屬(以Pb計(jì))/%鐵(Fe)/%水溶液外觀%!照相級(jí)996.59.50.0010.200.0010.003合格外觀表4硫氰酸鈉企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/HG3-507-79指標(biāo)名稱純度/%碘量(0.1N碘液)/mL鐵(Fe)/%硫酸鹽(SO2-%4)/包裝%!指標(biāo)無色結(jié)晶980.40.00060.025紙板桶或紡織袋內(nèi)襯塑料袋表5硫代硫酸銨英國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)BS3310-1978指標(biāo)名稱外觀硫代硫酸銨,(NH4)2S2O3/%不溶物(鈣、鎂及其他氫氧化銨沉淀)/%堿度，以NH3H2O計(jì)/%硫化物，以(NH4)2S計(jì)/mgkg-1亞硫酸鹽，以(NH4)2SO3計(jì)/%灼燒殘?jiān)?%重金屬，以Pb計(jì)/mgkg-1鐵，以Fe計(jì)/mgkg-1!%指標(biāo)(照相級(jí))清澈無色液體57.061.00.20.35.010.21010表6硫氰酸銨化工行業(yè)標(biāo)淮HG/T2154-91指標(biāo)指標(biāo)名稱優(yōu)等品硫氰酸銨，(NH4)CNS/%溶液外觀(100g/L)97.0澄清無沉淀物pH值(50g/L溶液)氯化物(以NaCl計(jì))/%灼燒殘?jiān)?%重金屬(以Pb計(jì))/%!4.56.00.100.100.00200.00050.005修改稿日期:2008-03-23一等品96.0除稍有絮狀物外澄清無沉淀物4.66.00.10