天然氣的液化溫度為-162℃,液化后的天然氣(簡稱lng)體積為氣態的1/600,這就使得對lng儲罐的材質要求較高,目前常用于lng罐的材料主要有9ni鋼、5ni鋼、奧氏體不銹鋼和鋁鎂合金鋼等,而9ni鋼以其強度高、易于加工和焊接性能優良等優勢,被廣泛用于lng儲罐設備中。
9ni鋼早是1944年開發的ω(ni)=9%的低碳鋼,使用溫度低可達-196℃。1952年世界上臺9ni鋼儲罐在美國投入使用,1960年通過研究證明,不進行焊后消除應力熱處理亦可安全使用,自此9ni鋼就開始成為用于制造大型低溫儲罐的主要材料之一。1969年日本建造的臺lng儲罐大罐容已達20×104m3。2004年,我國*大型lng低溫儲罐項目在廣東大鵬開工,以及后來的福建、大連、寧波等地籌建的lng項目都采用了9ni鋼材料。
9ni鋼是典型的低碳馬氏體鋼,本身耐低溫(-196℃,lng儲罐設計溫度-162℃)。它的低溫力學性能主要取決于其化學成分,尤其是ni和c的含量,此外9ni鋼的韌性還取決于鋼的純凈度及顯微組織。從化學成分上看,其ni含量較大,因此具有一定的淬硬性。含碳量降低可以使回火馬氏體中碳化物的析出大大減少,從而改善低溫韌性,而碳含量過高則會導致焊接性能和冷脆性能嚴重惡化。因此,在合金化過程中,要嚴格控制c的含量,使其保持在低碳范圍內,同時,p、s、mn、mo、cr等合金元素的含量也要控制在較低范圍內。
迄今為止,9ni鋼在lng設備中的應用已有近60年的歷史,隨著世界經濟和貿易的飛速發展,液態天然氣已經成為世界油氣工業的新熱點。為促進能源供應多元化和改善能源消費結構,海洋石油工程股份有限公司對lng產業的發展越來越重視,投入了大量的人力、物力,已迅速在本領域取得一席之地,然而lng儲罐的施工也必然需要解決一系列的技術問題。針對lng低溫儲罐9ni低溫鋼材料的特點以及在焊接過程中容易出現的冷裂紋、熱裂紋、低溫韌性降低、電弧磁偏吹等問題開展的研究分析表明,9ni鋼在焊接施工中要達到理想的施工效果可采取下列主要控制措施:
(1)選擇低氫、低碳的焊接材料,使焊材與母材在室溫和高溫下的線膨脹系數基本相近,從而避免因不均勻的熱脹冷縮造成的熱應力。
(2)施焊前,利用有機溶液清洗或打磨的方法,對焊接坡口表面進行清理;環境溫度低于5℃時,焊接前必須對母材進行預熱處理;焊材嚴格按照要求保存,隨取隨用,嚴禁長期暴露在空氣中。
(3)正確選擇焊接材料,選擇高ni的焊材,焊接時雖然通過高溫損耗和母材對焊縫金屬的稀釋,仍有足夠高的奧氏體組織,避免熔合線出現脆硬馬氏體帶。
(4)嚴格控制線能量,一般控制在0.7~3.0kj/mm,盡量采用較小的熱輸入焊接。
(5)母材在加工運輸中避免與磁性材料接觸,如仍有剩磁,焊前應對9ni鋼進行消磁處理,確保母材的剩磁量在要求值之內。(余冶)
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