摘 要：上海LNG事故備用站的2臺50000m3LNG儲罐為雙層罐體結構，其中內罐材質為9%Ni鋼，是本工程建設的核心。9%Ni鋼具有優良的低溫性能，焊接難度較大。我公司通過細致的研究，綜合分析9%Ni鋼焊接的難點和特點，制定了有效的焊接工藝措施，最終射線檢測合格率達到99.5%以上，各項指標均滿足設計和使用要求，順利完成了該工程的施工。

1、概述

上海燃氣集團LNG事故備用站擴建工程中的關鍵設備是2臺50000m3LNG儲罐，為雙層罐體結構全包容儲罐，可在天然氣源發生意外情況時提供上海10天的用氣量。外罐為混凝土罐底及預應力鋼筋混凝土罐壁（罐壁高度29.3m，內徑54.8m），罐頂為鋼頂及鋼筋混凝土頂蓋制成的復合拱頂；內罐為9%Ni鋼制的自承式開頂罐（罐壁高度26.73m，內徑 52.5m），上方設置鋁合金吊頂。內外罐之間設置5m高9%Ni鋼焊制的壁角保護裝置以及二級底板組成二級保護裝置。每臺儲罐本體鋼結構質量為1371.4t，其中9%Ni鋼632t。內罐9%Ni鋼的焊接是本次施工的核心，其焊接工作具有相當技術難度。

2、焊接技術難點分析

2.1焊接接頭的低溫韌性問題

鑒于LNG儲罐的使用條件，焊接接頭需作-196℃低溫沖擊試驗，沖擊韌性值要大于35J。由于9%Ni鋼是經熱處理提高性能的鋼種，在焊接冶金反應和熱循環的作用下，破壞了原始熱處理狀態，熔合線的成分及熱影響區的組織發生變化，使低溫韌性降低。

2.2焊接熱裂紋問題

9%Ni鋼具有一定的熱裂紋敏感性，多產生于接近固相線的高溫下，具有沿晶界分布的特征，有時也能在低于固相線的溫度下沿著“多邊化邊界”形成，通常產生于焊縫金屬內，也可能出現在接頭熔合組織內。這與焊縫冷卻過程中的應力狀態、母材和焊材的化學成分及雜質元素含量有關。

2.3焊接冷裂紋問題

9%Ni鋼也有一定的冷裂紋敏感性，其原因是應力、脆性組織和擴散氫含量過高。焊接接頭的應力主要包括拘束應力、組織應力和熱應力，特別是在焊接第一層焊縫時，由于根部冷卻速度較快，會導致拘束應力過大。過冷度較大時會在熔合線附近出現冷脆的馬氏體帶。坡口處的清潔度不夠、焊條未充分烘干、施焊環境濕度過大等因素會導致焊縫中擴散氫含量過大。

2.4焊接電弧磁偏吹問題

9%Ni鋼對磁化敏感，當使用直流焊機施焊時，會形成定向磁場，對9%Ni鋼有磁化效應而產生剩磁。在焊接時就會有電弧磁偏吹現象。磁偏吹產生后會有一定的持續長度，可能會導致整條焊縫未熔合、未焊透和條狀夾渣并存，嚴重影響焊接質量。

3、相應問題的解決方案    

本項目中每臺儲罐9%Ni鋼焊縫長度達6500m，焊接工作量較大，為在保證焊接質量的同時提高焊接效率，內罐罐壁9%Ni鋼壁板環焊縫全部采用埋弧自動焊設備施焊，壁板立焊采用焊條電弧焊。在施工過程中采取如下措施以保證9%Ni鋼的焊接質量。

3.1 選用適用的工藝參數

選用適用的工藝參數，保證9%Ni鋼焊接接頭的低溫韌性。9%Ni鋼焊接時，粗晶粒區、焊縫金屬、熔合區的低溫韌性有可能降低，采取的措施：

①選用較小的線能量與較低的層間溫度。逆轉奧氏體隨焊接熱循環的峰值溫度的提高而減少，冷卻速度減小，粗晶粒區會出現粗大的馬氏體和奧氏體組織，逆轉奧氏體的減少與貝氏體組織的出現，均會使低溫韌性降低。因此焊接線能量大，高溫區停留時間長，過熱區也寬，晶粒也越粗大，低溫韌性會下降。本工藝采用較小的線能量，以減少高溫區停留時間；采用較低的層間溫度，以增加冷卻速度；增加焊接層數，由于后續焊道起回火作用，能促使逆轉奧氏體轉化，以提高低溫韌性。

②選用適用的焊接材料，保證焊縫金屬的低溫韌性。選用鎳基焊材，含鎳量≥55%，焊材需具有優良的低溫和常溫韌性及塑性；具有良好的操作性能，因焊縫金屬均為奧氏體組織，具有良好的低溫韌性。現場施工照片見附圖。

                   附圖  現場施工照片

3.2冷裂紋的防止措施

①選用含Ni量高達55%的低碳型鎳基焊材，焊接時雖有母材的稀釋作用，但仍有足夠多的奧氏體元素，能有效阻止碳遷移，避免熔合區出現脆性組織。

②使用線能量較小的焊接規范，控制熱應力；不得強行組對，采用合理的焊接順序，對稱、同步施焊，減少拘束應力。

③將焊口表面的水、油污及有機物清理干凈，焊條進行充分的烘干，在雨雪天氣或大氣濕度超過90%時禁止施焊，盡量降低焊縫中擴散氫含量。

3.3熱裂紋的防止措施

①焊接過程中采用較小的線能量，盡量縮短結晶過程，從而減少焊縫金屬結晶過程中的低熔點雜質偏析量。

②選用線膨脹系數與母材差異較小的焊材，減小焊接過程中不均勻熱脹冷縮所產生的熱應力。

3.4電弧磁偏吹的防治措施

電弧磁偏吹產生的主要原因是直流電源會產生定向磁場，對9%Ni鋼產生磁化效應，而9%Ni鋼的剩磁現象較為嚴重，會對焊接電弧產生干擾，導致電弧偏向焊縫某一側。因此在焊接過程中使用方波交流電源取代直流電源，能夠有效解決這一問題。此外，方波電源結合了DCEN和DCEP的優點，得到了最大的熔敷效率和最佳的焊縫成形，能夠確保熔合良好，減少合金元素的燒損。

3.5環縫埋弧焊接時背面使用焊劑保護

LNG儲罐的9%Ni鋼內罐環縫的坡口型式為K型坡口，施焊順序為大坡口側焊接后，背面進行碳刨清根，再使用砂輪打磨清除表面氧化層，經PT檢測合格后再進行焊接。而碳刨清根存在以下問題：①碳刨清根使用的是大功率的直流焊機，對9%Ni鋼有磁性影響；②碳刨清根會增加焊材的消耗，增加勞動力使用。為解決上述問題，在進行正面埋弧自動焊時，背面采用焊劑保護，使背面的成形良好，可大幅減少清根工作量，從而節省了焊材和勞動力的使用。

4、方案具體實施

4.1焊接參數的確定

根據評定合格的焊接工藝，編制適合本工程的焊接工藝規程（見附表）。

附表 焊接工藝參數

4.2焊接設備的選用

由于9%Ni鋼內罐環縫長度是縱縫的近4倍，為加快施工進度，提高焊接效率，環縫采用埋弧自動焊。施焊時，焊接行走機構吊掛在儲罐壁板上，先焊接焊縫外側，打底層時采用雙面機架，背面焊劑保護，外側焊接結束后進行碳刨清根打磨，滲透檢測合格后采用同樣的方法焊接內側。儲罐立焊縫采用焊條電弧焊。

4.3焊接電源

選用某型弧焊電源與埋弧焊機配套使用，通過調節方波的波形可以調整熔深和焊道形狀，焊絲負半周不會產生電弧偏吹，電弧與電弧的干擾由相位轉換控制。

4.4焊道布置    

在環焊縫埋弧自動焊時，為減少焊縫拘束應力，防止產生焊接冷裂紋，以及提高焊接接頭的低溫韌性，采用多層多焊道，δ=14.3mm的環焊縫，大坡口側采用3層6道，背面焊2層，3臺埋弧焊機均布，同向、同步施焊。

4.5焊接工藝控制

線能量控制：焊工嚴格按批準的WPS進行操作，現場由專職線能量記錄員進行抽檢，以保證線能量控制在規定范圍。

層間溫度監控：現場配備測溫儀，層間溫度達到要求后再次施焊，焊接檢驗員抽檢。

施焊環境監控:現場由焊接工程師控制，超過規范要求，停止施焊。

焊縫返修控制：9%Ni鋼只允許返修一次，返修操作嚴格按程序進行。先碳弧氣刨，清除缺陷，將刨槽打磨，清除表面氧化層，然后進行PT檢測，確認缺陷已清除，再用原焊接工藝進行修補，再用砂輪將焊縫表面打磨光滑，最后經RT檢測合格。

4.6打磨作業

打磨采用專用氧化鋁砂輪及不銹鋼絲刷。焊前將坡口面及坡口兩側15～20mm寬度范圍內的鐵銹、油污等清理干凈；碳刨清根后打磨清除表面氧化層，打磨深度至少1.6mm；在焊接結束后對焊縫進行成形打磨，表面不得有妨礙無損檢測的缺陷存在。

5、結束語

該工程2臺LNG低溫罐已施工完畢，各項總體試驗全部合格，每臺儲罐的射線檢測一次合格率都在99.5%以上，返修片均一次返修成功。產品試板力學性能檢驗結果均滿足9%Ni鋼制LNG儲罐的設計和使用要求。雖然9%Ni鋼本身的特點決定了這種材料的焊接難度較大，但由于針對焊接質量難題采取了有效的焊接工藝措施，并加強了各工序的控制，因而焊接質量良好，為業主提供了優質的產品，為今后此類儲罐的施工積累了寶貴的經驗。