9Ni鋼
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2022-07-20
9Ni鋼的實(shí)例教程
1 引言
由于9Ni鋼具有良好的綜合性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因此在宇航、石油、化工、造船、海工、電力、冶金、機(jī)械和核能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
本文以鹽下油氣模塊項(xiàng)目建造為背景，在該項(xiàng)目中9Ni鋼不僅要求高的強(qiáng)度、優(yōu)異的低溫韌性，而且還要求在一定油氣條件下具有抗SSC(硫化物應(yīng)力腐蝕)的特性，因此針對(duì)9Ni鋼管系的焊接工藝進(jìn)行了研究。
2 9Ni鋼的焊接性分析
9Ni鋼由美國INCO公司于20世紀(jì)40年代開發(fā)研制，是 Ni元素含量9%的中合金鋼（低溫韌性可以達(dá)到-196℃）。相對(duì)于奧氏體不銹鋼和奧氏體鐵-鎳合金，9Ni鋼成本更低且強(qiáng)度更高；相對(duì)于鋁合金，9Ni鋼具有更好的綜合力學(xué)性能。但其材質(zhì)本身又具有易磁化、難消磁的特點(diǎn)，對(duì)焊接工藝的要求極為嚴(yán)格。下面主要對(duì)9Ni鋼的焊接性進(jìn)行分析。
2.1 冷裂紋
采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；采用低鎳高錳型焊條時(shí)，焊接工藝條件不當(dāng)，如采用過小線能量和受潮焊條，則有產(chǎn)生冷裂的可能性。在此情況下，冷裂紋的產(chǎn)生有三個(gè)方面。
2.1.1 熔合區(qū)出現(xiàn)硬化層。9Ni鋼本身含碳量不高（≤0.10%），焊接時(shí)本不會(huì)產(chǎn)生硬化組織， 但如果選用含碳量較高的焊材也會(huì)因熔合、擴(kuò)散使熔合區(qū)含碳量增高而產(chǎn)生硬化層。
2.1.2 氫含量過高，氫在硬化層中積聚是由于焊縫坡口附近不潔（有油、銹污等雜質(zhì)）。
2.1.3 焊接接頭應(yīng)力集中，包括組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和拘束應(yīng)力。
2.2 熱裂紋
無論是高鎳型或中鎳型，還是低鎳高錳型焊條，在焊接9Ni鋼時(shí)都存在熱裂紋問題，其中以高鎳型最嚴(yán)重。其原因是合金中含有S、P等元素，極易與鎳形成低熔點(diǎn)共晶物，造成晶間偏析；另外C和Si還會(huì)促使S、P等元素偏析。
展開 摘 要：上海LNG事故備用站的2臺(tái)50000m3LNG儲(chǔ)罐為雙層罐體結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)罐材質(zhì)為9%Ni鋼，是本工程建設(shè)的核心。9%Ni鋼具有優(yōu)良的低溫性能，焊接難度較大。我公司通過細(xì)致的研究，綜合分析9%Ni鋼焊接的難點(diǎn)和特點(diǎn)，制定了有效的焊接工藝措施，最終射線檢測(cè)合格率達(dá)到99.5%以上，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)和使用要求，順利完成了該工程的施工。
1、概述
上海燃?xì)饧瘓F(tuán)LNG事故備用站擴(kuò)建工程中的關(guān)鍵設(shè)備是2臺(tái)50000m3LNG儲(chǔ)罐，為雙層罐體結(jié)構(gòu)全包容儲(chǔ)罐，可在天然氣源發(fā)生意外情況時(shí)提供上海10天的用氣量。外罐為混凝土罐底及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土罐壁（罐壁高度29.3m，內(nèi)徑54.8m），罐頂為鋼頂及鋼筋混凝土頂蓋制成的復(fù)合拱頂；內(nèi)罐為9%Ni鋼制的自承式開頂罐（罐壁高度26.73m，內(nèi)徑 52.5m），上方設(shè)置鋁合金吊頂。內(nèi)外罐之間設(shè)置5m高9%Ni鋼焊制的壁角保護(hù)裝置以及二級(jí)底板組成二級(jí)保護(hù)裝置。每臺(tái)儲(chǔ)罐本體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量為1371.4t，其中9%Ni鋼632t。內(nèi)罐9%Ni鋼的焊接是本次施工的核心，其焊接工作具有相當(dāng)技術(shù)難度。
2、焊接技術(shù)難點(diǎn)分析
2.1焊接接頭的低溫韌性問題
鑒于LNG儲(chǔ)罐的使用條件，焊接接頭需作-196℃低溫沖擊試驗(yàn)，沖擊韌性值要大于35J。由于9%Ni鋼是經(jīng)熱處理提高性能的鋼種，在焊接冶金反應(yīng)和熱循環(huán)的作用下，破壞了原始熱處理狀態(tài)，熔合線的成分及熱影響區(qū)的組織發(fā)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(chǎn)生于接近固相線的高溫下，具有沿晶界分布的特征，有時(shí)也能在低于固相線的溫度下沿著“多邊化邊界”形成，通常產(chǎn)生于焊縫金屬內(nèi)，也可能出現(xiàn)在接頭熔合組織內(nèi)。這與焊縫冷卻過程中的應(yīng)力狀態(tài)、母材和焊材的化學(xué)成分及雜質(zhì)元素含量有關(guān)。
展開 通常把-10~-273℃低溫條件下使用的鋼稱為低溫鋼。
一般把-10~-196℃溫度范圍稱為“低溫”，
把-196~-273℃稱為“超低溫”。
低溫鋼是怎樣分類的？
按照合金元素含量和組織，低溫鋼可以分為以下幾類：
（1）鋁鎮(zhèn)靜C-Mn鋼及低合金鐵素體型低溫鋼 鋁鎮(zhèn)靜C-Mn鋼是用Si、Mn進(jìn)行脫氧的同時(shí)加入鋁進(jìn)行強(qiáng)烈脫氧的優(yōu)良鋼種。低合金鐵素體型低溫鋼是在鋁鎮(zhèn)靜鋼的基礎(chǔ)上加入了總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過5%合金元素的低溫鋼，其中一類是加入了Nb、V、Ti、Al、Cu、RE等合金元素，組織為鐵素體和極少量的珠光體，如06MnVTi、06MnVAl、09Mn2VRE、06MnNb鋼等；另一類是加入了鎳元素形成含鎳的鐵素體類低溫鋼，如0.5Ni、2.5Ni、3Ni、3.5Ni等。
（2）中合金低碳馬氏體型低溫鋼 這類鋼比較典型的是9Ni鋼，具有很高的低溫韌性，能用于-196℃。在9Ni鋼的基礎(chǔ)上研制出的5Ni鋼在-162~-196℃的低溫下具有良好的低溫韌性。
（3）高合金奧氏體型低溫鋼 這類鋼有Ni- Cr奧氏體低溫鋼（如1Cr18Ni9Ti）和無Ni、Cr奧氏體低溫鋼（如20Mn23Al）。
制定低溫鋼焊接工藝的根本出發(fā)點(diǎn)是在防止出現(xiàn)裂紋的同時(shí)，要保證焊縫和過熱區(qū)具有低溫韌性。低溫鋼的焊接工藝要點(diǎn)如下：
1、焊接方法
目前所使用的各種焊接方法均可用于低溫鋼焊接，如焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極隋性氣體保護(hù)焊、CO2氣體保護(hù)焊、等離子弧焊等。
2、焊接材料
焊接鋁鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，為保證焊縫具有良好的低溫韌性，選用ωNi為0.5%~1.5% 的低鎳焊條比選用成分與母材相同的C-Mn型焊條更為可靠。
展開 在美國金屬粉型藥芯焊絲因其操作和使用性能上同實(shí)芯焊絲有相似之處，AWS標(biāo)準(zhǔn)將碳鋼用金屬粉型藥芯焊絲化歸為AWS A5.18《碳鋼用氣保護(hù)焊焊絲和填充絲》標(biāo)準(zhǔn)中，型號(hào)以E70C表示；低合金鋼用金屬粉型藥芯焊絲化歸為AWS A5.28《低合金鋼用氣保護(hù)焊焊絲和填充絲》標(biāo)準(zhǔn)中，型號(hào)以EXXC_表示；不銹鋼用金屬粉型藥芯焊絲化歸為AWS A5.9《不銹鋼用實(shí)芯焊絲和填充絲》標(biāo)準(zhǔn)中，型號(hào)以EC表示；埋弧焊焊絲也用“EC”表示金屬粉型，詳見AWS A5.17《碳鋼用埋弧焊焊絲和焊劑》標(biāo)準(zhǔn)和AWS A5.23《低合金鋼用埋弧焊焊絲和焊劑》標(biāo)準(zhǔn)。
ISO標(biāo)準(zhǔn)將其列入藥芯焊絲標(biāo)準(zhǔn)中，其中碳鋼和低合金鋼金屬粉型藥芯焊絲歸于ISO17632《碳鋼和細(xì)晶粒鋼氣保護(hù)和自保護(hù)用藥芯焊絲》中，用字母“M”表示金屬粉型藥芯焊絲。在歐州和日本等國家和地區(qū)將金屬粉型藥芯焊絲劃歸于藥芯焊絲一類，同樣中國也是將其歸類于藥芯焊絲，但對(duì)其使用和認(rèn)識(shí)均沒有普及。
金屬粉型藥芯焊絲發(fā)展至今，已經(jīng)形成較為齊全的型號(hào)系統(tǒng)，并應(yīng)用到各種焊接方法中。目前已開發(fā)的金屬粉型藥芯焊絲依材質(zhì)可分為碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鎳基合金鋼金屬粉型藥芯焊絲。在保護(hù)氣體的使用上，日本大多采用CO2氣體保護(hù)，少數(shù)情況下采用混合氣體保護(hù)，而在歐州大多采用富氬混合氣體保護(hù)。
金屬粉型藥芯焊絲依焊接方法可分為：①GMAW金屬粉芯型氣體保護(hù)焊絲（CO2或者CO2+Ar）。②SAW金屬粉芯型埋弧焊絲。③GTAW金屬粉芯型氬弧焊絲 。
（2）應(yīng)用
在我國，金屬粉型藥芯焊絲應(yīng)用還較少，目前在大型船廠T排縱骨流水線、液化氣儲(chǔ)罐9Ni鋼CO2氣保焊和埋弧焊、強(qiáng)度55kg級(jí)以上海洋工程用鋼焊接方面應(yīng)用前景廣闊。
造船已走上應(yīng)用金屬粉型藥芯焊絲新型焊材的道路。包括埋弧焊、氣體保護(hù)焊及不銹鋼氬弧焊等各類焊接方法。
展開 關(guān)鍵詞：石油化工；裝置；焊接材料；工藝參數(shù)；選擇
1 石油化工裝置施工焊接相關(guān)工藝分析
1.1 鐵素體碳或低合金鋼
在石油化工裝置工程施工之中，針對(duì)鐵素體碳或低合金鋼，可以選擇鐵素體型焊接材料。在采用鐵素體型焊接材料的過程中，要保持焊接接頭的低溫沖擊試驗(yàn)溫度與母材的沖擊溫度的一致性，還要注意焊縫金屬以及熔合線也要與母材具有契合性。對(duì)于異種鋼的焊接工藝，要注重選取韌性要求較高的母材材料，還要在焊接工藝實(shí)施的過程中，關(guān)注和提升焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，使其不低于于母材最低抗拉強(qiáng)度的較小值。
1.2 低碳馬氏體低溫鋼
針對(duì)低碳馬氏體低溫鋼如9%Ni鋼，所選用的焊接材料應(yīng)具有與母材相一致的低溫韌性和線膨脹系數(shù)。若選用和母材成分相近的焊縫合金系統(tǒng)，則焊縫金屬的低溫韌性將比母材低得多，因?yàn)楹缚p為鑄態(tài)組織，且含氧量較多通常采用鎳基合金焊接材料，焊后焊縫為奧氏體組織，雖然強(qiáng)度較低，但低溫韌性好，而且熱膨脹系數(shù)與9%Ni鋼接近。焊接時(shí)，應(yīng)注意控制線能量，及層間溫度。
1.3 鐵素體鋼和奧氏體鋼
在選擇鐵素體鋼和奧氏體鋼的異種鋼焊接材料中，其焊接工藝也要注重焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，使其抗拉強(qiáng)度不低于母材的最低抗拉強(qiáng)度，并保持沖擊功與母材的一致性。就焊接形式而言，鐵素體鋼與奧氏體鋼之間的異種鋼焊接主要根據(jù)其焊件的形狀、厚度要求及實(shí)際環(huán)境不同，采用不同的焊接接頭形式，常見的主要有對(duì)接接頭、T形接頭、角型接頭、搭接接頭等（見圖1）。
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14、乳酸
0Cr18Ni9不銹鋼在溫度最高約達(dá)38℃時(shí)可用于乳酸貯存設(shè)備。在較高的溫度，無鉬奧氏體型不銹鋼產(chǎn)生點(diǎn)蝕，所以優(yōu)先選用 0Cr17Ni12M02和0Cr19Ni13M03。馬氏體和鐵素體型不銹鋼一般來說耐乳酸腐蝕的能力較低。
15、堿
不銹鋼通常有較好的耐弱堿腐蝕的性能，例如氫氧化銨。
用與9Ni鋼成分相同的焊接材料焊接9Ni鋼時(shí)，焊縫金屬的低溫韌性很差，這主要是焊縫金屬中的含氧量太高，因此焊接9Ni鋼的材料通常選用Ni基、Fe-Ni基焊條。
采用NiCrMo-3型焊材焊接9Ni鋼時(shí)，每個(gè)區(qū)域的化學(xué)成分和金相組織各不相同。
金屬鋼帶材質(zhì)有08號(hào)鋼、0Cr13鋼和1Cr18Ni9Ti鋼等；非金屬帶材質(zhì)有特性石棉、柔性石墨、聚四氟乙烯等。
?齒形墊
齒形墊是用各種金屬制造，材質(zhì)有普通碳素鋼、低合金鋼和不銹耐酸鋼等，其厚度為3～5mm。
它是利用同心圓的齒形密紋與法蘭密封面相接觸、構(gòu)成多道密封，因此密封性能較好，常用于凹凸式密封面法蘭的連接。
在酸性水環(huán)境中，0Cr18Ni9不銹鋼對(duì)氯化物點(diǎn)腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂都較為敏感。管道壁面上結(jié)垢時(shí)，介質(zhì)中的Cl-、SO42-、SO32-等易在污垢下富集。在酸性水環(huán)境下，污垢部位介質(zhì)pH降低，不銹鋼表面鈍化膜的耐腐蝕性能下降，成為酸性物易攻擊的薄弱部位，優(yōu)先被腐蝕，形成管壁表面的腐蝕坑。
金屬墊片的材料一般用08、10、20優(yōu)質(zhì)碳素鋼和1Cr13、1Cr18Ni9不銹鋼，加工精度和表面光潔度要求較高，適用于高溫高壓閥門。
非金屬墊片材料一般塑性較好，用不大的壓力就能達(dá)到密封，適用于低溫低壓閥門。
墊片材料可按表5-4選擇。
（1）傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)
鋼鐵研究總院作為國內(nèi)最大的專業(yè)鋼鐵材料研發(fā)機(jī)構(gòu)，是最早引入熱力學(xué)計(jì)算方法和軟件的單位之一，先后在節(jié)鎳型不銹鋼設(shè)計(jì)、V-N 微合金化技術(shù)、LNG 用 9 Ni 低溫鋼等方面都取得了豐碩的研究成果[4]。
摘 要：上海LNG事故備用站的2臺(tái)50000m3LNG儲(chǔ)罐為雙層罐體結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)罐材質(zhì)為9%Ni鋼，是本工程建設(shè)的核心。9%Ni鋼具有優(yōu)良的低溫性能，焊接難度較大。我公司通過細(xì)致的研究，綜合分析9%Ni鋼焊接的難點(diǎn)和特點(diǎn)，制定了有效的焊接工藝措施，最終射線檢測(cè)合格率達(dá)到99.5%以上，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)和使用要求，順利完成了該工程的施工。
（2）中合金低碳馬氏體型低溫鋼 這類鋼比較典型的是9Ni鋼，具有很高的低溫韌性，能用于-196℃。在9Ni鋼的基礎(chǔ)上研制出的5Ni鋼在-162~-196℃的低溫下具有良好的低溫韌性。
（3）高合金奧氏體型低溫鋼 這類鋼有Ni- Cr奧氏體低溫鋼（如1Cr18Ni9Ti）和無Ni、Cr奧氏體低溫鋼（如20Mn23Al）。
σ相一般在１Cr18Ni9Ti鋼中一般不產(chǎn)生。
3.熔合線脆斷
（1）產(chǎn)生原因
奧氏體不銹鋼在高溫下長期使用，在沿熔合線外幾個(gè)晶粒的地方，會(huì)發(fā)生脆斷現(xiàn)象。
（2）防治措施
在鋼中加入 Mo能提高鋼材抗高溫脆斷的能力。
通過以上的分析，只有合理選擇以上的焊接工藝措施或焊接材料都可以避免以上焊接缺陷的產(chǎn)生。
1.2 低碳馬氏體低溫鋼
針對(duì)低碳馬氏體低溫鋼如9%Ni鋼，所選用的焊接材料應(yīng)具有與母材相一致的低溫韌性和線膨脹系數(shù)。若選用和母材成分相近的焊縫合金系統(tǒng)，則焊縫金屬的低溫韌性將比母材低得多，因?yàn)楹缚p為鑄態(tài)組織，且含氧量較多通常采用鎳基合金焊接材料，焊后焊縫為奧氏體組織，雖然強(qiáng)度較低，但低溫韌性好，而且熱膨脹系數(shù)與9%Ni鋼接近。焊接時(shí)，應(yīng)注意控制線能量，及層間溫度。
