【正文】 現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)、內(nèi)壁安裝等關(guān)鍵技術(shù)掌握在世界上有實(shí)力的大公司手中，并處于保密狀態(tài)，國(guó)內(nèi)同行業(yè)剛剛起步，因此大型LNG儲(chǔ)罐9鎳鋼焊接技術(shù)研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)焊接界的熱門課題之一。 本文針對(duì)9Ni鋼的焊接方法和工藝進(jìn)行深入研究，為大型LNG建造技術(shù)國(guó)產(chǎn)化和建造標(biāo)準(zhǔn)國(guó)產(chǎn)化奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)現(xiàn)大型LNG儲(chǔ)罐的國(guó)產(chǎn)化建造，節(jié)約國(guó)家資金具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 9Ni鋼材料性能研究現(xiàn)狀9Ni鋼是目前國(guó)內(nèi)為緩解能源壓力，建設(shè)液化天然氣儲(chǔ)罐所必須國(guó)產(chǎn)化的重要基礎(chǔ)原材料，國(guó)內(nèi)首臺(tái)9Ni鋼制大型低溫儲(chǔ)罐于1995年12月由揚(yáng)子石化公司引進(jìn)，該項(xiàng)目由德國(guó)林德公司設(shè)計(jì)、供料，中國(guó)石化第二建設(shè)公司負(fù)責(zé)施工。關(guān)于9Ni鋼的設(shè)計(jì)與性能研究是材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，研究重點(diǎn)集中在9Ni鋼的成分設(shè)計(jì)、組織控制和低溫韌化機(jī)制等方面。孟祥敏等人對(duì)9Ni鋼合金的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，通過(guò)透射電鏡和高分辨電鏡分析手段，發(fā)現(xiàn)9Ni鋼經(jīng)過(guò)800℃奧氏體化后淬火并回火處理的顯微組織與低碳鋼中馬氏體組織相仿，一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)往往出現(xiàn)不止一個(gè)馬氏體束，在對(duì)同一馬氏體束內(nèi)相鄰馬氏體片的取向關(guān)系進(jìn)行觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)有固定取向差的馬氏體片存在。在不同熱處理?xiàng)l件下的9Ni鋼合金樣品中，兩馬氏體片的[110]176。的對(duì)稱小角度晶界。馬氏體間的界面為半共格的規(guī)則界面，由臺(tái)階和位錯(cuò)組成。9Ni鋼中的滲碳體含量很少，在晶界合和晶粒內(nèi)部都可能析出，大多數(shù)滲碳體是顆粒狀的，少數(shù)為棒狀，多數(shù)滲碳體與馬氏體之間滿足Bagaryaskii關(guān)系。9Ni鋼在196℃超低溫下仍然具體良好的強(qiáng)韌性匹配，為此其低溫韌化機(jī)制是研究領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。目前對(duì)于9Ni鋼的低溫韌化機(jī)制一直存在爭(zhēng)論，但絕大多數(shù)研究者認(rèn)為逆轉(zhuǎn)變奧氏體對(duì)低溫韌性的提高起到了主要作用，逆轉(zhuǎn)變奧氏體作為一種中間凈化劑，有助于潔凈柔軟的馬氏體生成，同時(shí)有助于馬氏體中不生成連續(xù)網(wǎng)狀組織。李鋒等人利用透射電鏡觀察了9Ni鋼中逆轉(zhuǎn)變奧氏體的分布及形態(tài)，如圖11所示，并用X射線測(cè)定了逆轉(zhuǎn)變奧氏體的含量，當(dāng)溫度低于540℃回火時(shí)，試樣中沒(méi)有逆轉(zhuǎn)變奧氏體生成；在540℃以上隨回火溫度的升高，試樣中逆轉(zhuǎn)變奧氏體數(shù)量增加；回火溫度達(dá)到600℃時(shí)逆轉(zhuǎn)變奧氏體量達(dá)到最大值。9Ni鋼中的逆轉(zhuǎn)變奧氏體在低溫下并非都穩(wěn)定，只有在低溫下穩(wěn)定的逆轉(zhuǎn)變奧氏體對(duì)低溫韌性有貢獻(xiàn)，低溫穩(wěn)定的逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量越多，9Ni鋼的低溫韌性越好。圖11 9Ni鋼微觀組織照片鋼材的熱處理研究已經(jīng)取得了很多突出的研究成果，目前，9Ni鋼的熱處理方案大概有3種：正火+正火+回火(NNT)。淬火+回火(QT)和淬火+亞溫淬火+回火(IHT)。9Ni鋼的第一次正火為900℃空冷，第二次正火為780℃左右空冷，回火是在550~580℃空冷或水冷，保溫時(shí)間根據(jù)板厚決定， min/mm，但必須保證保溫時(shí)間超過(guò)15 min。正火處理的目的是細(xì)化奧氏體晶粒。奧氏體晶粒越細(xì)小，9Ni鋼熱處理后的強(qiáng)度越高，塑性越好，沖擊韌性也越高。第一次正火溫度應(yīng)高于AC3或ACcm，目的是細(xì)化晶粒。第二次正火溫度稍低，目的是為了使其發(fā)生相轉(zhuǎn)變，獲得板條狀馬氏體組織，回火是為了獲得α相和少量的富碳、鎳奧氏體。經(jīng)3種熱處理工藝處理的9Ni鋼，服役狀態(tài)下其顯微組織基本相同，主要由回火馬氏體和奧氏體組成(圖12)。從圖12可見，回火組織保持了馬氏體的板條結(jié)構(gòu)，板條間有奧氏體。回火過(guò)程中由于碳的損失，基本已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。奧氏體是沿著回火馬氏體片或沿著形成馬氏體的原奧氏體晶粒邊界分布，形態(tài)呈粒狀或條狀。通常認(rèn)為，熱處理后大約10%奧氏體的存在對(duì)9Ni鋼的低溫韌性是非常有益的。圖12 9Ni鋼經(jīng)NNT處理后的顯微組織 雖然對(duì)9Ni鋼已經(jīng)進(jìn)行了多年的相關(guān)研究，但是仍然有個(gè)別問(wèn)題沒(méi)有形成完全清楚和統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)于低溫韌化機(jī)制和焊接機(jī)理還有待于進(jìn)一步深入研究，該領(lǐng)域研究工作為新型低溫用鋼的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。 9Ni鋼焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀焊接技術(shù)是9Ni鋼球罐制備的核心技術(shù)之一，9Ni鋼由于其材料本身性能的特殊性，在焊接方面也具有一些特殊的要求，9Ni鋼焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題主要包括熱裂紋、電弧磁偏吹和冷裂紋三種，其中熱裂紋缺陷比較突出，需要重點(diǎn)控制。9Ni鋼焊接熱裂紋的產(chǎn)生主要是由于合金中S、P等元素極易與Ni形成低熔點(diǎn)共晶，造成晶間偏析，另外C和Si也容易促使S、P等偏析，從而導(dǎo)致熱裂紋的出現(xiàn)，熱裂紋缺陷在采用高鎳型焊條是最為嚴(yán)重。電弧磁偏吹主要是由于9Ni鋼具有高的導(dǎo)磁率和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，焊接過(guò)程中在碳弧氣刨等大電流的作用下容易產(chǎn)生較大的剩磁，此時(shí)可以采用添加永久磁鐵抵消坡口內(nèi)磁場(chǎng)的方法。冷裂紋缺陷只是在采用低鎳型焊條時(shí)，焊接工藝條件不當(dāng)?shù)臈l件下可能產(chǎn)生，在使用高鎳型和中鎳型焊條焊接9Ni鋼時(shí)一般不產(chǎn)生冷裂紋。目前國(guó)內(nèi)外在9Ni鋼的焊接領(lǐng)域已經(jīng)積累了一定的研究經(jīng)驗(yàn)，關(guān)于9Ni鋼的焊接材料、焊接方法和焊接工藝的研究主要是基于其焊接問(wèn)題而相應(yīng)展開的。 9Ni鋼焊接材料研究現(xiàn)狀 基于9Ni鋼焊接時(shí)容易出現(xiàn)的問(wèn)題，選擇焊接材料一般應(yīng)考慮以下幾方面因素：(1)低溫韌性匹配，9Ni鋼主要用來(lái)建造低溫設(shè)備，焊縫要在低溫下工作，在選擇焊接材料時(shí)，一定要考慮焊縫的低溫韌性問(wèn)題。(2)熱膨脹系數(shù)匹配，9Ni鋼的線膨脹系數(shù)較大，在20~196℃之間，線膨脹系數(shù)為805106℃1。為了降低接頭的焊接應(yīng)力，在選擇焊接材料時(shí)，焊縫金屬的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能的接近9Ni鋼的熱膨脹系數(shù)。(3)抑制電弧磁偏吹，盡量選用適應(yīng)交流電源施焊的焊條或焊絲焊劑。具體來(lái)說(shuō)，9Ni鋼焊接材料熔敷金屬力學(xué)性能指標(biāo)一般包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和吸收沖擊功，此外還要考慮焊接材料的低溫韌性、焊縫金屬熔化溫度和熱膨脹系數(shù)。9Ni鋼在電弧焊中常用的焊接材料有4種，即w(Ni)=11%的鐵素體型、w(Ni)=13%和w(Cr)=16%的奧氏體不銹鋼型、w(Ni)60%的鎳基型(NiCrMo系合金)和w(Ni)≈40%的FeNi基型(FeNiCr系合金)。這4中焊接材料在工程上都有應(yīng)用，從韌塑性和熱膨脹兩方面考慮，Ni基和FeNi基合金都是焊接9Ni鋼最適合的焊材。雖然高鎳合金焊材將增加成本，但使用高鎳合金焊材時(shí)接頭低溫韌性高、抗冷裂紋性能好、線膨脹系數(shù)與9Ni鋼接近、不需要進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理，因此高鎳焊材是解決性能和結(jié)構(gòu)完整性等首要問(wèn)題的最適合的選擇。目前，國(guó)內(nèi)外焊接9Ni鋼的鎳基焊條中，使用最多的是ENiCrMo6和ENiCrMo3這2種焊條，但焊條ENiCrFe4，ENiCrFe9，ENiMo8和ENiMo9等也得到了一定的應(yīng)用。上述6種焊條熔敷金屬的化學(xué)成分見表11。表11 9Ni鋼常用焊條熔敷金屬的化學(xué)成分（wt.%）ENiCrMo3ENiCrMo6ENiCrFe4ENiCrFe9ENiMo8ENiMo9CMn ~~~ Fe 1020PSSiCu ~NiCr~~~~~—Nb(＋Ta~~~~——Mo ~~~~~~W—~—~~其他Rm/MPa760620650650650650A(％)303520252525 9Ni鋼焊接方法研究現(xiàn)狀鋼材焊接是工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品生產(chǎn)的核心技術(shù)，目前實(shí)際產(chǎn)品中應(yīng)用較多的主要仍然是熔焊方法[1926]，關(guān)于9Ni鋼的研究已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作，但是論文報(bào)道并不多，現(xiàn)有報(bào)道主要是集中在低溫和斷裂性能方面的研究[2731]?？紤]到9Ni鋼的實(shí)際工作要求，實(shí)際生產(chǎn)中9Ni鋼在焊接方法選擇上有焊條電弧焊[32]、埋弧焊[33]、熔化極氣體保護(hù)焊[34]、鎢極氬弧焊[35]。目前主要以焊條電弧焊為主，其次是埋弧焊與鎢極氬弧焊。焊條電弧焊的焊接效率比較低，熔化極氣體保護(hù)焊為保證質(zhì)量一般采用脈沖電流來(lái)進(jìn)行焊接。鎢極氬弧焊能保證焊接接頭具有較高的質(zhì)量，生產(chǎn)率低，成本較高。埋弧焊是一種效率較高的焊接方法，特別是在環(huán)焊縫焊接時(shí)，由于使用了環(huán)縫焊接機(jī)械系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)更加突出，幾乎適合于焊接所有橫焊縫和水平位置焊縫。實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，SMAW和SAW是9Ni鋼儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)焊接效率最高和最常用的焊接方法。吳志祥等人[36]針對(duì)2萬(wàn)立方米LNG低溫儲(chǔ)罐的建造問(wèn)題，采用埋弧自動(dòng)橫焊方法實(shí)現(xiàn)了9Ni鋼的焊接，埋弧自動(dòng)橫焊設(shè)備包括焊接電源、自動(dòng)送絲機(jī)、行走系統(tǒng)和焊劑循環(huán)系統(tǒng)組成。焊接電源選用了DC600可控硅多用途直流弧焊電源和與之匹配的NA3N(S)控制箱，該電源除具有恒流和恒壓特性外，還具有手工電弧焊和碳弧氣刨所需要的陡降外特性，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。自動(dòng)送絲機(jī)選用了Power Feed10sf自動(dòng)送絲裝置，可實(shí)現(xiàn)送絲速度、交流輸出頻率、DCAC切換、電流平衡調(diào)節(jié)和波形控制等功能。焊接行走機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)正反雙向行走，行走變速可在0~25