9Ni鋼焊接材料和焊接技巧
9Ni鋼是1944年開發(fā)的W（Ni）≈9%的中合金鋼，由美國國際鎳公司的產(chǎn)品研究實驗室研制成功，它是一種低碳調(diào)質(zhì)鋼，組織為馬氏體加貝氏體。
這種鋼材在極低溫度下具有良好的韌性和高強度，而且與奧氏體不銹鋼和鋁合金相比具有熱脹系數(shù)小，經(jīng)濟(jì)性好，使用溫度最低可達(dá)-196℃, 自1960年通過研究證明不進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理亦可安全使用以來，9Ni鋼就成為用于制造大型LNG儲罐的主要材料之一，最低使用溫度可達(dá)-196℃，其強度高、低溫韌性優(yōu)異、焊接性能良好，是深冷環(huán)境下使用的韌性最好的材料。
9Ni鋼熱處理方式有雙正火+回火（NNT）、淬火+回火（QT）、兩相區(qū)淬火+回火（IHT）。在回火處理時，C、Ni、Mn等元素向彌散分布于基體內(nèi)的奧氏體擴(kuò)散，合格的鋼板金相中含有5%~15%的穩(wěn)定殘余奧氏體組織（逆轉(zhuǎn)奧氏體）, 該奧氏體非常穩(wěn)定，在-196℃也不發(fā)生馬氏體相變，并呈彌散分布，使9Ni鋼在-196℃仍具有很好的低溫韌性。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)計標(biāo)準(zhǔn)見表1。
9Ni鋼的力學(xué)性能見表2。
1 9Ni鋼焊接材料
LNG儲罐中，9Ni鋼的焊接主要采用焊條電弧焊（SMAW）與埋弧自動（SAW），環(huán)縫采用埋弧自動焊，立縫采用焊條電弧焊。9Ni鋼在選擇焊接材料時除考慮力學(xué)性能外，還應(yīng)著重考慮其低溫韌性、熱膨脹系數(shù)等，見表3。
9Ni鋼焊接材料主要有四種：
（1）w（Ni）=11%的鐵素體型：用與9Ni鋼成分相同的焊接材料焊接9Ni鋼時，焊縫金屬的低溫韌性很差。
（2）Ni-Cr （如Ni13%~Cr16%）奧氏體不銹鋼型：含Ni13%~Cr16%奧氏體不銹鋼型焊接材料的強度稍高，但低溫韌性較差，線脹系數(shù)與9Ni鋼存在較大差異。
（3）Fe-Ni基（如含Ni約40%的Ni-Cr-Fe系合金）：低溫韌性良好。
（4）Ni基（如含Ni約60%以上的Ni-Cr-Mo 系合金）：低溫韌性高、抗冷裂性能好、線膨脹系數(shù)與9Ni鋼接近、不需要焊前預(yù)熱和焊后熱處理，適合大型結(jié)構(gòu)的野外施工，雖價格昂貴，仍得到了普遍應(yīng)用。ENiCrMo-6和ENiCrMo-3最常用。ENiCrMo-6焊條中的鎳合金與9Ni鋼在室溫和高溫下的線脹系數(shù)基本相近，從而避免因不均勻的熱脹冷縮造成的熱應(yīng)力。ENiCrMo-6鎳合金焊條中含Ni量高達(dá)55%~66%，含碳量與9Ni鋼相同, 均為低碳型，考慮母材對焊縫金屬的稀釋作用，仍有足夠高的奧氏體組織避免熔合線出現(xiàn)硬脆馬氏體帶。9Ni鋼本身與同等強度水平的其它低合金鋼相比有較好的抗裂紋的能力，在低氫情況下一般不會產(chǎn)生冷裂紋。但采用低鎳高錳型奧氏體焊條時，因母材的稀釋作用，在熔合區(qū)會出現(xiàn)高硬度的馬氏體帶，對氫脆敏感。采用Ni基合金材料焊接，使熔合區(qū)基本上不出現(xiàn)高硬度馬氏體帶, 有利于避免冷裂紋的產(chǎn)生。由此可見，ENiCrMo-6鎳合金焊條的使用可提供降低9Ni鋼焊縫冷、熱裂紋傾向的基本條件。同時說明，在嚴(yán)格控制擴(kuò)散氫含量的條件下，選用ENiCrMo-6鎳合金焊條可基本避免9Ni鋼的焊接冷、熱裂紋傾向。
2. 9Ni鋼的焊接工藝要點
焊接9Ni鋼主要問題是保證焊接接頭的低溫韌性、防止焊接裂紋、防止電弧磁偏吹等問題, 這與焊接材料的類型、焊接線能量、焊接工藝有關(guān)。9Ni鋼焊接工藝參數(shù)見表4。
(1)焊前盡量不要預(yù)熱，且層間溫度不宜超過100℃ 預(yù)熱溫度與層間溫度直接影響焊后的冷卻速度，冷卻速度越慢，越有助于晶粒長大，從而低溫韌性下降。
(2)選擇合適的熱輸入量 熱輸入量越大，焊接熱循環(huán)中的高溫停留時間就越長，冷卻速度就越慢，接頭組織的晶粒就越粗大，低溫韌性下降。熱輸入量大之后出現(xiàn)柱狀晶會產(chǎn)生偏析，增加熱裂紋敏感性。小熱輸入量將增加焊接道數(shù)，能使后續(xù)焊道對前一焊道起到回火作用，提高低溫韌性。
(3)熱裂紋控制 由于對S等雜質(zhì)含量控制比較嚴(yán)格，熱裂紋傾向不是很大。由于應(yīng)力影響產(chǎn)生的熱裂紋主要是弧坑裂紋，采用正確的焊接工藝參數(shù)和良好的收弧技術(shù)，降低焊接應(yīng)力，并配合收弧處的適當(dāng)打磨處理。在埋弧橫焊時，如果間隙過大，打底層比較薄，在橫向應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生打底裂紋, 因此在埋弧橫焊時應(yīng)當(dāng)將間隙控制在1.5~2mm。
(4)冷裂紋控制 9Ni鋼具有良好的抗冷裂紋能力，但是在高氫的情況下，有一定的冷裂紋敏感性，特別是焊接第一層焊縫時，由于根部附近冷卻快，拘束應(yīng)力較大，如果焊接材料或環(huán)境潮濕，很可能出現(xiàn)冷裂紋。因此需要嚴(yán)格控制氫的來源。在施焊過程中嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，特別是焊條烘干、焊接環(huán)境溫度、濕度及焊接規(guī)范等。新焊條在真空包裝開包后如果超過4小時未使用, 就應(yīng)烘干后再用。當(dāng)焊接環(huán)境濕度超過90%或母材表面結(jié)露時，在坡口兩側(cè)150mm范圍內(nèi)采用烤把火焰加熱去除濕氣，以消除氫對焊接質(zhì)量的影響，避免產(chǎn)生焊接裂紋。
(5)克服磁偏吹 9Ni鋼是一種強磁性材料，9Ni鋼在加工運輸過程中可能被磁化，當(dāng)用直流焊機(jī)焊接時會進(jìn)一步磁化，導(dǎo)致電弧磁偏吹，影響焊接工藝的穩(wěn)定性，從而直接影響到接頭的質(zhì)量。在LNG 儲罐門洞處由于磁力線更加密集，更易出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象。減小磁偏吹可通過以下方法：
第一,母材運至現(xiàn)場時要對9Ni鋼磁性進(jìn)行測量，必要時進(jìn)行消磁處理，將磁感應(yīng)強度控制在50GS以下，同時選擇能防止電弧磁偏吹的焊接材料。
第二,在焊接時應(yīng)盡量使用交流焊機(jī)焊接。
第三,由于碳弧氣刨采用直流電焊機(jī)，氣刨電流通常在500A以上，這樣氣刨、直流焊機(jī)和罐壁之間構(gòu)成直流外加強磁場，當(dāng)碳刨結(jié)束，罐壁中容易產(chǎn)生較強的剩磁，從而導(dǎo)致焊接電弧磁偏吹。因此盡量用砂輪打磨及清根。
(6)防止熔合不良 焊條熔敷金屬熔點比9Ni鋼熔點要低100~ 150℃，使母材熔深淺，且由于熔化狀態(tài)鎳基合金的粘稠特性，故容易產(chǎn)生熔合不良，甚至在多道焊的層與層之間產(chǎn)生夾渣等缺陷。增加焊接電流盡管能獲得足夠熔深但焊縫成形不良，還會造成接頭低溫沖擊韌性下降，因此受到限制。加強層與層、道與道中間各層的清渣打磨工作，防止產(chǎn)生夾渣、熔合不良等缺陷。
3.9Ni鋼在LNG儲罐焊接實例
某LNG工程一期工程共三臺16萬立方米儲罐，采用混凝土全容式儲罐結(jié)構(gòu)，工作溫度＜-163℃。內(nèi)罐全部采用9Ni鋼焊接而成。其中壁板高36m，直徑80m，板厚度由下往上從27mm 至12mm不等。每臺罐儲存的液化天然氣汽化后可轉(zhuǎn)化成約一億立方米氣體。內(nèi)罐壁縱縫采用焊條電弧焊，使用林肯Φ3.2mm ENiCrMo-6焊條；環(huán)縫采用埋弧自動焊，使用伊薩Φ1.6mm ERNiCrMo-3焊絲。板厚16mm以上縱縫和環(huán)縫均采用X型坡口，剩余焊縫采用V型坡口。X型坡口鈍邊位置略向內(nèi)側(cè)偏移。縱縫坡口角度兩側(cè)都為30°；環(huán)縫坡口角度上側(cè)為35°~45°，下側(cè)為10°~20°。根據(jù)板厚盡量采用多層多道焊接。
以下焊接參數(shù)可作為參考：焊接時先焊外側(cè)焊縫，內(nèi)側(cè)清根后做PT檢測，合格之后再焊內(nèi)側(cè)焊縫。環(huán)縫如采用手動砂輪清根，應(yīng)注意清根后上側(cè)坡口形狀，勿將其打磨成“⌒”形，以免導(dǎo)致未熔合的產(chǎn)生；另應(yīng)注意清根力度的均勻性，如清根后有深淺不一的地方，一定要用焊條電弧焊將其補焊平齊之后再用埋弧焊焊接。焊接完成后對焊縫100% 目視檢查，重點檢查是否存在咬邊等凹型缺陷。外觀檢查合格之后做RT檢測。山東LNG工程內(nèi)罐壁板焊接一次合格率達(dá)到了99.2%。
4.結(jié)語
LNG儲罐9Ni鋼焊接材料普遍選用鎳基焊接材料。材料選用主要考慮低溫韌性高、抗冷裂性能好、線膨脹系數(shù)與母材相近等。
9Ni鋼的焊接工藝要點：
（1）焊前盡量不要預(yù)熱，且控制好層間溫度；
（2）控制熱輸入量，多層多道焊；
（3）采用正確收弧方式，打磨弧坑；
（4）控制氫的來源，埋弧焊時控制間隙在1.5~2mm；
（5）采用交流電源，采用砂輪打磨；
（6）加強清渣打磨工作。
