潘小軍，包志剛，馮金艷，陳倩，方振銳

南通中集太平洋海洋工程有限公司 江蘇啟東 226251

1 序言

南通中集太平洋海洋工程有限公司2019年承接的STOLT-NIELSEN GAS B.V.兩艘20 000m3LNG運(yùn)輸加注船，是目前世界上最大的LNG燃料加注船，船長(zhǎng)159.7m、型寬24m、型深16.75m，入DNV GL船級(jí)社。該船采用雙罐設(shè)計(jì)，使得船長(zhǎng)可以控制在160m以內(nèi)，并可進(jìn)一步增加貨艙容積30%；具有安全、節(jié)能和環(huán)保等特點(diǎn)，是LNG運(yùn)輸加注船的一個(gè)技術(shù)升華，既可運(yùn)輸LNG，又可為其他船舶及終端處加注補(bǔ)充LNG燃料。

該LNG運(yùn)輸加注船是運(yùn)輸液化天然氣的船舶，其裝載容器是該船舶的核心裝備。該容器裝備設(shè)計(jì)溫度-163℃，液化方式為半冷半壓式，制造材料采用含鎳量較高的低溫9Ni鋼。由于該鋼技術(shù)含量高，焊接難度大，因此研究9Ni鋼焊接工藝，是整個(gè)項(xiàng)目技術(shù)攻關(guān)的重中之重[1]。

2 9Ni鋼分析

LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)溫度為-163℃，在這種極低的溫度下，標(biāo)準(zhǔn)鐵素體結(jié)構(gòu)鋼由于缺乏足夠的韌性，存在脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，故不應(yīng)將鐵素體鋼用于工作溫度低于-101℃的壓力容器中。為此必須采用低溫9Ni鋼，該材料可提供低至-196℃的可靠的結(jié)構(gòu)完整性。當(dāng)鐵素體鋼中的wNi達(dá)9%左右時(shí)，鐵素體鋼低溫轉(zhuǎn)變溫度就會(huì)明顯消失，這大大降低了脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。Ni在鋼中的主要作用是大大提高了低溫下的韌性和抗沖擊性。當(dāng)wNi高達(dá)13%時(shí)，韌性、脆性在任何溫度下轉(zhuǎn)變都不再明顯。但當(dāng)參考實(shí)用性與成本效益做最佳選擇時(shí)，確定wNi=9%。

試驗(yàn)用鋼是由南京鋼廠提供的板厚為20mm的X7Ni9鋼，符合歐標(biāo)EN 10028-4—2017。供貨狀態(tài)為淬火+回火，淬火為800～820℃水冷，回火溫度為570～600℃，回火后空冷，組織為低碳馬氏體+貝氏體，具有較好屈強(qiáng)比（95%）及低溫沖擊吸收能量?；瘜W(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 X7Ni9鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 X7Ni9鋼板的力學(xué)性能

3 焊材選型

9Ni鋼的焊接質(zhì)量在很大程度上決定了LNG運(yùn)輸加注船的結(jié)構(gòu)完整性與安全性。因此，需要評(píng)估可用的焊材等級(jí)、化學(xué)成分及最佳匹配的力學(xué)性能，以確保質(zhì)量與良好的經(jīng)濟(jì)性。

首先，焊接材料若采用化學(xué)成分匹配選擇wNi=9%～12%的焊材，雖然成本低，但不被認(rèn)為是可行的解決方案。盡管采用化學(xué)成分匹配的鐵素體焊材已成功在試驗(yàn)室條件下應(yīng)用于機(jī)械化GTAW建造模型水箱，但該工藝并未在現(xiàn)場(chǎng)廣泛用于厚板焊接。因?yàn)殍F素體焊材伸長(zhǎng)率低，與母材伸長(zhǎng)率接近，焊接殘余應(yīng)力在熱影響區(qū)最大，所以彎曲試驗(yàn)時(shí)在熱影響區(qū)易斷裂。因此，用于9Ni鋼的焊材需要具有較高的伸長(zhǎng)率（＞35%）。

其次，在服役時(shí)LNG儲(chǔ)罐會(huì)膨脹和收縮，所有焊接接頭都會(huì)經(jīng)受極端的熱循環(huán)。當(dāng)9Ni鋼和焊縫金屬的線性熱膨脹系數(shù)差異太大時(shí)，較高的熱應(yīng)力集中會(huì)引起熱疲勞，導(dǎo)致儲(chǔ)罐故障。因此，9Ni鋼和焊縫金屬的線性熱膨脹系數(shù)差異應(yīng)盡可能小。9Ni鋼與焊材線性熱膨脹系數(shù)的比較如圖1所示。由圖1可知，奧氏體E308L型不銹鋼焊材的線性熱膨脹系數(shù)與9Ni鋼差異最大；ENiCrMo-6、ENiCrFe-9、ERNiCrMo-4類型焊材的線性熱膨脹系數(shù)最接近9Ni鋼[2]。

綜上所述，在對(duì)9Ni鋼進(jìn)行焊接時(shí)，出于延展性、伸長(zhǎng)率和熱膨脹的原因，最終采用鎳基合金焊材是最合適的。

圖1 9Ni鋼與焊材線性熱膨脹系數(shù)的比較

4 焊接工藝試驗(yàn)

（1）焊接材料 本試驗(yàn)根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)要求，選擇AWS A5.11、AWS A5.14相應(yīng)分類等級(jí)的焊材，SMAW選用ENiCrMo-6、ENiCrFe-9；SAW選用ERNiCrMo-4焊材。焊材的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表3、表4。

（2）焊接條件及參數(shù) SMAW采用交流焊機(jī)BX3-500，SAW采用埋弧直流焊機(jī)MZC-630。試板采用V形60°坡口、雙面施焊法，SMAW采用立位置、SAW采用平位置焊接。焊接參數(shù)見表5。

（3）焊接接頭性能 試板經(jīng)過100%射線檢測(cè)，全部按照ISO 10657—1991驗(yàn)收，均為I級(jí)合格。

試板采用IGC CODE 國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則的焊接標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試板取樣后檢測(cè)接頭的力學(xué)性能及冷彎性能，見表6。從表6可看出，接頭抗拉強(qiáng)度高于母材最低標(biāo)準(zhǔn)值，彎曲表面無開裂，延展性良好。焊縫、熱影響區(qū)沖擊值也處于較高水平，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)試樣進(jìn)行宏觀檢測(cè)（見圖2～圖4），未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、未熔合及夾渣等焊接缺陷。采用顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，焊接接頭的硬度測(cè)量結(jié)果見表7。由表7可知，測(cè)量結(jié)果均＜350 HV10，滿足規(guī)范要求。

表3 焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 焊材的力學(xué)性能

表5 焊接參數(shù)

表6 力學(xué)性能及冷彎性能

圖2 ENiCrMo-6接頭

圖3 ENiCrFe-9接頭

圖4 ERNiCrMo-4接頭

表7 9Ni鋼焊接接頭（后焊面）硬度 （HV10）

5 焊接注意事項(xiàng)

因?yàn)?Ni鋼是易剩磁材料，所以必須采用非磁性吊裝，鋼板出廠前磁場(chǎng)控制在5mT以內(nèi)。背部清根必須用交流碳弧氣刨機(jī)消除。若焊接發(fā)生磁偏吹，可采用特斯拉計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過10mT時(shí)，需采用專用工具進(jìn)行消磁后再焊接。

鎳基焊縫組織為純奧氏體組織，一般晶間低熔共晶化合物集聚在焊縫中心，且連續(xù)分布在晶界上。尤其在根部焊道收弧處，弧坑焊縫金屬在凝固過程中，高溫階段晶間延性或塑性變形能力不足以承受凝固過程或高溫時(shí)冷卻過程積累的應(yīng)變量，從而產(chǎn)生高溫沿晶裂紋。特別是在間隙較大處，會(huì)產(chǎn)生明顯弧坑熱裂紋，因此需要將缺陷打磨干凈再進(jìn)行焊接。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)LNG儲(chǔ)罐材料、焊接材料的選型分析，并開展相應(yīng)的SMAW、SAW焊接工藝試驗(yàn)，按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接接頭性能試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得出：9Ni鋼SMAW選用ENiCrFe-9、ENiCrMo-6型焊材；SAW選用ENiCrMo-4型接材，在合理的焊接參數(shù)下，接頭力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在生產(chǎn)中只要采取適當(dāng)?shù)墓に囀侄魏蛧?yán)格的控制措施，就可以滿足設(shè)計(jì)要求并保證產(chǎn)品質(zhì)量。