LNG儲(chǔ)罐焊接技術(shù)及發(fā)展.ppt

1、1、劉宏建，2010年9月，液化天然氣儲(chǔ)罐焊接技術(shù)與發(fā)展，2、1、前言，世界各國都在積極推廣低溫液化氣體的儲(chǔ)存。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也正在發(fā)生巨大變化。國家大力支持液化天然氣項(xiàng)目的發(fā)展，將實(shí)施液化天然氣進(jìn)口多元化發(fā)展戰(zhàn)略作為國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分。始于2006年的廣東、福建和上海液化天然氣項(xiàng)目相繼投產(chǎn)，大連和江蘇項(xiàng)目目前正處于建設(shè)階段。液化天然氣接收設(shè)施主要由接收和儲(chǔ)存液化天然氣的低溫儲(chǔ)罐b、3、液化天然氣碼頭和棧橋區(qū)、灌溉區(qū)泡沫站、氣化區(qū)、加壓/冷凝區(qū)、火炬區(qū)、公共工程、計(jì)量和輸出區(qū)以及罐車裝載區(qū)組成，其中液化天然氣低溫儲(chǔ)罐的安裝是施工的核心和關(guān)鍵。液化天然氣低溫儲(chǔ)罐

2、通常為雙壁結(jié)構(gòu)的立式拱頂儲(chǔ)罐，外壁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)為雙壁鋼結(jié)構(gòu)。外層普通碳鋼板與混凝土緊密貼合(通過預(yù)埋件與外罐壁混凝土層內(nèi)側(cè)貼合并密封焊接)，最內(nèi)層為9%鎳鋼(如美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)A553型等)。)，厚度從底部到頂部逐漸減小(在165，000立方罐中，底部環(huán)形壁板為26.2毫米，頂部環(huán)形壁板為12毫米)。內(nèi)外層間距一般在850毫米至1000毫米以上，罐頂也為雙層結(jié)構(gòu)，頂板由普通碳鋼板制成，掛在外頂層內(nèi)壁的吊頂由鋁板制成(如美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)B209M5083)，通過吊桿(SS)與外罐拱頂骨架連接。內(nèi)外屋面之間的夾層填充有特殊的保溫材料，頂板外側(cè)為混凝土層。b、5、罐底由三層鋼板和保溫層組

3、成，最低的底板為碳鋼板，底板和次外底板為9%鎳鋼，每兩塊底板之間鋪設(shè)泡沫玻璃磚保溫層。罐壁上沒有噴嘴，所有管道通過罐頂開口與罐內(nèi)相連。其結(jié)構(gòu)如下：B，6，B，7，液化天然氣儲(chǔ)罐工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，B，8。主要以上海液化天然氣儲(chǔ)罐的焊接施工為例進(jìn)行介紹。二。儲(chǔ)罐材料介紹2.1儲(chǔ)罐中包含的主要材料外儲(chǔ)罐：A36、A516Gr380、A516Gr450鋁天花板：B209M 5083-O內(nèi)儲(chǔ)罐：A553型(9%鎳鋼)螺柱：A108 Gr1015、A276 304型噴嘴和套管：TP304L、API 5L GR.B、A516Gr450、B、9、2.2 9%鎳鋼介紹9%鎳鋼是由開發(fā)和發(fā)明的它于1956年初被納入美

4、國材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。1960年以前，9%的鎳鋼只能用鐵素體焊條焊接，焊接后需要熱處理以消除應(yīng)力，這是制造大型儲(chǔ)罐的一個(gè)難題。1960年10月，因科鎳合金焊條成功用于焊接9%鎳鋼，并通過了液氮溫度下的爆炸加壓試驗(yàn)。后來發(fā)展起來的9%鎳鋼雙正火回火(NNT)熱處理工藝和淬火回火(QT)熱處理工藝，使9%鎳鋼的焊接不再需要進(jìn)行焊后應(yīng)力消除熱處理。在1962年，美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)的規(guī)范認(rèn)識(shí)到，消除焊接殘余應(yīng)力的熱處理不能對厚度為0、B和B、10且不超過38毫米的儲(chǔ)罐進(jìn)行。在1963年，熱處理擴(kuò)展到50毫米，這使得9%的鎳鋼可以用于制造大型液化天然氣儲(chǔ)罐。1952年，第一個(gè)9%鎳鋼儲(chǔ)罐在美國投入使用。1965

5、年，法國建造了第一艘液化天然氣油輪“儒勒凡爾納”，其含鎳量為9%，容量為25840立方米。1969年，日本橫濱港建造了35000立方米和45000立方米液化天然氣儲(chǔ)罐，開始大規(guī)模使用9%鎳鋼。1977年，Ni9鋼被列入JIS標(biāo)準(zhǔn)，JIS G3127要求對9%的鎳鋼進(jìn)行如下熱處理：雙正火回火(NNT)和淬火回火(QT)。1980年，日本建造了75，000立方米液化天然氣儲(chǔ)罐。b，11，1991 JIS G3127明確指出，中間熱處理可以按要求進(jìn)行。Af目前，有三種推薦和常用的熱處理方法：(1) NNT處理是第一次規(guī)范化，并加熱到900空氣冷卻。第二次正火后，加熱至790空冷，然后在550-580

6、回火，然后淬火。處理后的顯微組織為回火馬氏體和貝氏體。(2)經(jīng)過Qt處理，800水淬或油淬，550-580回火，處理后的組織為低碳馬氏體。(3) 雙相淬火和回火(IHT)一般是800水淬，670水淬，然后550 580回火。處理后的顯微組織為低碳馬氏體。硼、13和鎳是9%鎳鋼的主要合金元素，它們在該鋼中的作用是降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和提高其沖擊韌性。錳可以細(xì)化鋼中的晶粒，提高鎢(錳)/鎢(碳)的比值，從而提高鋼的韌性，降低轉(zhuǎn)變溫度。這種鋼中的碳能提高鋼的強(qiáng)度。應(yīng)嚴(yán)格控制硫和磷的含量，否則韌脆轉(zhuǎn)變溫度會(huì)升高，熱裂紋傾向會(huì)增加。因此，為了保證9%鎳鋼良好的低溫韌性，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中其它元素如碳、硅和雜

7、質(zhì)如硫、磷的含量。14，9%鎳鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能。上海液化天然氣深冷鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能如下表所示：A553TYPE1鋼的化學(xué)成分、A553TYPE1鋼的力學(xué)性能、b的可焊性、16、2.3 9%鎳鋼、9%鎳鋼及其優(yōu)異的低溫性能和可焊性。焊接9%鎳鋼的主要問題是保證焊接接頭的低溫韌性、防止焊接裂紋、防止電弧磁吹等，這些問題與焊接材料的類型、焊接熱輸入和焊接工藝有關(guān)。(1)焊接后低溫韌性下降。焊接接頭的低溫韌性出現(xiàn)在焊接區(qū)、熔合區(qū)和粗晶區(qū)。焊接金屬的低溫韌性與所用焊接材料的類型有關(guān)。當(dāng)使用與9%鎳鋼成分相同的焊接材料時(shí)，焊縫金屬的低溫性能很差，這主要是由于焊縫金屬的高含氧量造成的。熔合區(qū)的

8、低溫韌性與脆性結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)9%鎳與Ni13%-Cr16%奧氏體不銹鋼焊接材料焊接時(shí)，熔合區(qū)的化學(xué)成分既不是奧氏體鋼，也不是9%鎳鋼，而是一個(gè)富含鉻、錳、鎢和碳的區(qū)域，熔合區(qū)的硬度明顯高于焊縫金屬和熱影響區(qū)，熔合區(qū)的硬度隨位置的不同而不同。熔合區(qū)有一層脆性硬層，由板條馬氏體和孿晶馬氏體組成。焊接中的熱裂紋當(dāng)使用鎳基、鐵鎳基或Ni13%-Cr16%奧氏體不銹鋼焊接材料焊接Ni9鋼時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。例如，當(dāng)將Ni9鋼與25Cr16Ni13Mn8W3焊條焊接時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)弧坑裂紋、高溫塑性損失裂紋、液化裂紋，并且在熔合區(qū)也可能出現(xiàn)微孔隙。打底焊或定位焊容易產(chǎn)生焊接熱裂紋。如果有大量夾渣，夾渣也會(huì)產(chǎn)

9、生裂紋，在點(diǎn)焊過程中，裂紋也可能出現(xiàn)在電弧起點(diǎn)。褶皺中的微孔隙或微裂紋主要發(fā)生在熔合區(qū)，這種缺陷一般很小。所謂的折疊是由焊接過程中的電弧攪動(dòng)引起的，電弧攪動(dòng)將部分母材帶入焊縫。雖然帶入焊縫的分母材料是熔化的，但它沒有與焊條金屬混合，而且它的成分基本上是原9%鎳鋼的成分，因?yàn)楹缚p金屬的合金元素比母材金屬高得多，而且它的熔點(diǎn)比9%鎳鋼的熔點(diǎn)低。折疊焊縫金屬的固化比周圍折疊金屬的固化晚，所以當(dāng)它固化時(shí)，裂紋實(shí)際上是微松的。消除上述裂紋的方法是減少有害元素，采用正確的焊接工藝和適當(dāng)?shù)哪ハ?。與其他同等強(qiáng)度的低合金鋼相比，9%鎳鋼具有更好的抗冷裂紋性能，在低氫條件下不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。然而，當(dāng)使用低鎳高錳的奧

10、氏體電極時(shí)，由于對氫脆化敏感的基體金屬的稀釋，在熔合區(qū)附近將出現(xiàn)高硬度的馬氏體帶用電弧磁偏吹焊接9%鎳鋼時(shí)，容易產(chǎn)生磁偏吹。預(yù)防措施是將母材的剩磁控制在50高斯以下，但焊接過程中的剩磁超過20高斯。因此，應(yīng)盡可能采用交流焊接，以避免大電流碳弧氣刨或磁體退磁。在液化天然氣焊接施工中，通過對9%鎳鋼焊接性的分析，內(nèi)罐是儲(chǔ)罐焊接施工的核心，其主要焊接難點(diǎn)如下：鋼材硬度高，坡口加工困難；鋼容易磁化；焊縫中容易出現(xiàn)冷裂紋和熱裂紋。焊接電弧的磁偏吹。主要應(yīng)用規(guī)格。目前，我國對低溫儲(chǔ)罐的建設(shè)沒有具體的驗(yàn)收規(guī)范。施工主要參考國外相關(guān)規(guī)范。焊接工藝評(píng)定和焊接結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用規(guī)范如下：bs 7777-1993立式圓

11、筒型低溫儲(chǔ)罐 En 287-1:1992鋼熔化焊焊工考試 En 287-2:1992鋁熔化焊焊工考試 En 288-3-1992金屬材料焊接工藝評(píng)定-鋼材 En 288-4-1992金屬材料焊接工藝評(píng)定-鋁及鋁合金，b En 571-1997 無損檢測著色檢測 En 895-2001 01010 氬弧焊的焊接效率太低，在工程上選擇這種焊接方法不經(jīng)濟(jì)。 但是，可以獲得具有窄槽的高質(zhì)量焊接接頭，特別是當(dāng)用b，28低鎳焊接材料焊接9%鎳鋼時(shí)，鎢極氬弧焊是非常好的焊接方法。因此，鎢極氬弧焊只用于特定的場合。手工熔化惰性氣體保護(hù)焊的熔敷率高，但焊工的焊接技術(shù)高。這種焊接方法的主要缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生不良熔合和

12、氣孔。焊條電弧焊是一種靈活可行的9%鎳鋼現(xiàn)場焊接方法，適用于各種焊接位置。該焊接方法可獲得高合金轉(zhuǎn)變系數(shù)，甚至高達(dá)170%。埋弧焊是一種熔敷率最高的焊接方法，尤其在環(huán)縫焊接中，由于采用了環(huán)縫焊接機(jī)械系統(tǒng)，埋弧焊的優(yōu)勢更加突出，但它只適用于水平焊縫和水平焊縫。對于立式儲(chǔ)罐的縱向焊縫，雖然氣-電垂直焊接設(shè)備已經(jīng)發(fā)展成熟，自動(dòng)化程度較高，但由于氣-電垂直焊接的線能量過大，難以控制，不適合焊接9%鎳鋼。垂直焊縫仍然通過電極電弧焊焊接。生產(chǎn)實(shí)踐證明，焊條電弧焊和埋弧焊是9%鎳鋼儲(chǔ)罐最有效的焊接方法。由于液化天然氣儲(chǔ)罐焊接工作量大，9%鎳鋼的主要焊接方法是手工電弧焊和埋弧焊自動(dòng)焊，在我國液化天然氣儲(chǔ)罐中也

13、廣泛使用。其中，手工電弧焊主要應(yīng)用于墻板的豎向接縫、底板、大踏步接縫和熱護(hù)角板，埋弧焊主要應(yīng)用于墻板的橫向接縫。以下是我公司上海液化天然氣儲(chǔ)罐：B、31、B、32的焊接方法圖，內(nèi)罐壁板角縫焊接和內(nèi)罐壁板環(huán)縫焊接。b、33、9%鎳鋼的焊接材料可歸納為四種類型，即含鎳60%左右的鉻鎳鐵合金型；鐵鎳基型，含鎳約40%；含Ni13%-Cr16%的奧氏體不銹鋼型和含Ni11%的鐵素體型。鐵素體焊接材料具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其成分與9%鎳鋼相同。如果焊接后不進(jìn)行熱處理，獲得的焊縫的低溫韌性非常差。研究表明，這主要是由于焊縫金屬中氧含量高，有時(shí)達(dá)到600ppm。雖然焊后熱處理，6。焊接材料b、34能提高焊縫的

14、低溫韌性，在施工現(xiàn)場環(huán)境中很難實(shí)現(xiàn)熱處理，特別是對大型儲(chǔ)罐的焊接。因此，用于9%鎳鋼電弧焊的焊接材料主要是前三種。Ni13-Cr16奧氏體不銹鋼焊接材料的強(qiáng)度稍高，但低溫韌性差，線膨脹系數(shù)與9%的鎳鋼相差很大，容易產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力集中，增加了熱疲勞和焊縫失效的風(fēng)險(xiǎn)，在熔合區(qū)容易出現(xiàn)硬脆組織，大大增加了冷裂紋的傾向。b、35、鎳基和鐵鎳基焊接材料具有與9%鎳鋼相似的線膨脹系數(shù)，并且獲得的焊接金屬是具有優(yōu)異低溫韌性的奧氏體。但是，這兩種焊接材料也有不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)由于奧氏體焊縫的結(jié)晶特性，焊接過程中熱裂紋非常敏感，更容易出現(xiàn)弧坑裂紋；鎳基合金焊接金屬的熔點(diǎn)一般比母材低100

15、-150，焊接時(shí)熔深淺，流動(dòng)性差，經(jīng)常導(dǎo)致未焊透缺陷，但這些問題可以通過調(diào)整焊接工藝來解決。此外，這兩種材料的成本太高，焊接強(qiáng)度略低于母材。b、36、四種類型焊接材料的類型和特點(diǎn)如下：9%鎳鋼焊接材料及其特點(diǎn)，b、37、目前，在世界各地建造的液化天然氣儲(chǔ)罐中，有EnCrMo-6、E NiCrMo-3、EnCrFe-9等。用作焊接電極，ER NiCrMo-3、ER NiCrMo-4和ER NiCrMo用作焊絲。在上海液化天然氣中，鎳基合金9用作焊條，鎳基合金8用作焊絲。b、38、埋弧焊絲、b、39、SMAW焊條、b、40、9%鎳鋼是一種具有很大磁化傾向的材料。鋼的磁性會(huì)引起電弧的磁吹，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，產(chǎn)生未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷。在嚴(yán)重的情況下，甚至不能進(jìn)行焊接。目前，交流焊接電源主要用于手工電弧焊，以避免電弧的磁吹現(xiàn)象，也使用DC焊接電源；對于埋弧焊自動(dòng)焊接，根據(jù)使用焊絲的特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，目前采用交流或DC焊接電源。7.焊接設(shè)備，b，41，林肯功率波交流/DC 1000焊機(jī)，米勒王朝350交流/DC焊機(jī)，b，42。焊接工