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最新低温储罐焊接工艺研究
低温储罐焊接工艺研究
摘要
液化石油气（LPG）具有燃烧值高，对大气无污染等特点，被誉为洁净的绿色能源,它还是优质的化工原料，因此，LPG越来越得到广泛地应用。
但是LPG的缺点是易燃、易爆、相态易变等，一般采用低温液化储存。
随着液化石油气行业的发展，LPG低温储罐的建设，逐渐引起人们的广泛关注。
本文主要研究了低温储罐用钢的焊接性能，分析了低温储罐用钢的服役环境。
通过多方比较，选择09MnNiDR钢作为低温储罐用钢的焊接材料。
通过对焊接接头的组织和性能进行实验研究，确定焊接工艺要点，包括选择焊接方法，选择焊接材料，进行焊接工艺评定分析，对低温用钢焊接接头进行试验，对其金相组织进行分析，对其硬度进行测定，研究低温用钢的金属焊接性，正确选择预热温度和焊后热处理等，制定出合理的09MnNiDR钢的焊接工艺。
关键词：
低温储罐；09MnNiDR；焊接性；工艺评定
Abstract
Liquefiedpetroleumgas（LPG）withahighcombustionvalue,nopollutiontotheatmosphere,knownasacleanandgreenenergy,itisalsoahighqualitychemicalrawmaterials,therefore,LPGhasbeenmorewidelyused.ButthedisadvantageofLPGisflammable,explosive,volatilephaseetc,normallyutilizeliquidstorage.Withthedevelopmentofliquefiedpetroleumgasindustry,LPGstoragetanksatlowtemperatureconstruction,hasgraduallyattractpeople'sattention.Thispaperstudiesthelow-temperaturestoragetankofsteel’sweldingperformanceandserviceenvironment.Throughvariouscomparison,select09MnNiDRsteelaslow-temperaturestoragetanksweldingmaterial.Onmicrostructureandpropertiesofweldedjointstoconductexperimentalresearchtodeterminetheweldingprocesselements,includingthechoiceofweldingmethod,weldingmaterialselection,weldingprocedurequalificationanalysis,studyonweldedjointsoflow-temperaturesteel,analysisthemicrostructure,testthehardness,measurethemetalweldingoflowtemperaturesteel,andchoicethecorrectpreheatingtemperatureandpostweldheattreatmentetc,todrawupareasonableweldingprocessof09MnNiDRsteel.
Keyword：
low-temperaturestoragetank；09MnNiDR；weldingproperty；processanalysis
第1章绪论1
1.1低温储罐在工业生产中的应用1
1.2低温储罐用钢概况2
1.3本课题研究的意义及内容2
第2章低温储罐的焊接理论基础4
2.1低温储罐所用金属材料4
2.2低温储罐用焊接材料7
2.3低温储罐用钢的焊接性9
2.4低温储罐焊接工艺方法12
2.5低温储罐用钢焊接条件的选择14
2.6焊接缺陷对接头性能的影响16
第3章低温储罐用钢焊接试验18
3.1试验用钢及其化学成分和力学性能18
3.2试验用钢09MnNiDR的焊接性试验18
3.309MnNiDR焊接接头力学性能试验22
3.409MnNiDR焊接接头的断裂性能试验22
3.509MnNiDR焊接接头金相及硬度试验26
第4章09MnNiDR焊接接头试验结果及分析27
4.109MnNiDR的焊接性试验27
4.209MnNiDR焊接接头断裂性能试验29
4.309MnNiDR焊接接头破坏性试验32
4.509MnNiDR焊接的综合工艺评定36
结论38
参考文献39
致谢40
第1章绪论
1.1低温储罐在工业生产中的应用
所谓“低温用钢”指的是在-10℃温度以下使用的钢材。
低温用钢是第二次世界大战以后发展起来的新型结构钢，它是在20世纪60年代之后伴随低温工业和能源工业发展起来的，并随着液化气体的贮藏和输送的需求的增大而激增，还用于磁浮、发电、输电，而且液氮及液氦等低温材料已达到工业化的规模。
从最低使用温度来看，达-30℃的寒冷地区的建筑物、达-45℃的液化丙烷气（LPG）、达-100℃的液化乙烯、-170℃的液化天然气（LNG）、-196℃的液化氮气、-269℃的液化氦气等，它们的低温使用条件越来越严酷，这也推动了相应的低温材料发展。
-180℃温度以下的超低温用的金属材料有wNi为9%的镍钢、铝合金、奥氏体不锈钢、高镍合金钢（36Ni-Fe）及复合材料等。
20世纪60年代液化气的需求量大增，于是对能够与退火wNi为3.5%镍钢相匹敌的铝镇静钢或热处理的低镍钢进行了大量的研发开发。
终于在1973年开发了用于液化乙烯（沸点-103.5℃）的调质型wNi为3.5%的镍钢及Cr-Cu-Ni-Al系钢，在1970年以后开发了能够取代wNi为9%镍钢焊接材料Inconel合金的低镍37Ni-5Mn-10Cr及其同质材料。
1975年前后，随着天然气的开发，经过特别双重淬火+回火进行调质处理的wNi为5%的镍钢及一般调质处理的wNi为8%的镍钢开发成功。
到20世纪80年代末已开发出约100种低温用钢。
液化丙烷（LPG）及液化天然气（LNG）的沸点非常低，它们的贮藏及输送装备必须用低温韧性优良的材料来制造。
由于铁素体系钢的破坏形态随着工作温度的降低会发生有延性破坏到脆性破坏的转变，所以其工作温度不能在这个转变温度以下。
钢中的镍含量对这个转变温度有明显影响，转变温度随着钢中镍含量的增加而下降。
液化丙烯用正火或正火加回火非调质的wNi为2.5%的镍钢，液化乙烷选用wNi为3.5%的镍钢，而欧美等国则选用5%Ni钢等镍含量较高的材料。
从-162℃的液化天然气（LNG的主要成分是甲烷）到-196℃的液化氮气则广泛使用铝合金及wNi为9%的镍钢等。
液化天然气可使用ASTM认可的经三段热处理的wNi为5%、6%的镍钢或调质的wNi为8%的镍钢。
此外，日本焊接协会标准WES-3003《低温用钢板判定标准》规定：
在液氮-196℃以下温度要使用无脆性转变的面心立方材料，如铝合金及奥氏体不锈钢（Cr-Ni系或非Cr-Ni系）等[1]。
液化丙烷（LPG）、液化天然气（LNG）以及液氮它们基本都是以储罐或是管道的形式进行贮藏和输送。
管道输送不仅只适用于大批量的输送，而且建造时间长以及成本比较高都成为管道发展的一个瓶颈。
而对于储罐，我们不仅可以用它来进行贮藏，而且在输送的过程中可以到达很多管道无法道达的地方，并且能快速的将所需的液化气体小批量多批次地及时送达，因此低温用储罐的发展及研究得到了人们的广泛关注。
而绝大多数的低温用储罐都是通过将低温用钢材经过一定的成型，最后通过焊接成型的工艺制造的，因此低温用储罐的焊接也成为人们广泛研究的方向。
1.2低温储罐用钢概况
我国低温钢现行标准GB3531《低温压力容器用低合金钢钢板》中规定16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR三种低温钢，其中16MnDR为无镍低温钢，15MnNiDR、09MnNiDR是两种有镍钢，使用温度从-30℃～-70℃，除GB3531规定的三种低温钢外，07MnNiCrMoVDR由于其良好的低温冲击韧性，在-40℃的低温冲击功值大于等于47J，在GB150 1998中被推荐为低温用钢[2]。
16MnDR钢是制造-40℃低温设备用的经济而又成熟的钢种，可制造液氨等设备。
15MnNiDR和09MnNiDR属镍系低温钢，具有良好的低温韧性和焊接性。
-70℃级的09MnNiDR低温钢在乙烯、化肥、城市煤气、二氧化碳等低温装置中得到了广泛的应用。
这样，在我国只有标准规定的设计温度大于等于-70℃的低温用材料，当设计温度低于-70℃时就必须选用价格较贵的国外材料或不锈钢材料了。
到目前为止，我国的低温钢材料没有形成一个完整的体系，而且在品种、规格尺寸、某些技术条件以及供货时间和经济性要求等方面还不能满足使用要求，以致需要大量从国外进口低温钢材料。
国外研制、使用低温钢已有七、八十年历史，己建立了完善的低温钢体系，低温钢品种繁多，质量优良，而国产低温钢尚未形成体系，而且品种也较少，国内大部分低温钢市场被国外所垄断。
ASME规范推荐使用的低温钢主要是无镍、有镍（5%Ni、8%Ni、9%Ni）、不锈钢及铝合金。
无镍低温钢的使用温度在-60℃以上，有镍低温钢、不锈钢及铝合金的使用温度可达到-196℃以下。
ASME规范要求低温时使用的镍系低温钢SA353、SA553、SA645要进行低温冲击试验，并规定了其试验方法和合格标准，冲击试验的温度应是受压时的最低温度或储存低温液体的温度二者之中较低的温度。
ASME规范所推荐的低温钢因其优越的使用性能，得到世界各国的广泛使用，我国正在建造的大型低温储罐大都使用美国ASME规范的低温钢材料[3]。
1.3本课题研究的意义及内容
本试验用钢是由武汉钢铁集团研制生产的09MnNiDR钢板，厚度为24mm，交货状态为正火；09MnNiDR钢是目前国产钢中使用温度最低，作为-70℃级0.5%Ni低温钢代替进口低温钢材得到了较广泛的应用。
09MnNiDR钢板的技术条件已处于国际领先水平。
该钢作为-60℃～-70℃低温压力容器用钢及配套焊接材料的研制工作，是“七五”国家重大技术设备科研攻关的共性技术项目，近十年来已有近20家工厂采用焊条电弧焊、埋弧焊等工艺制造出不同设计温度（-28℃～-65℃）的产品。
到2000年已达到“焊条电弧焊+埋弧焊”-65℃冲击韧度合格。
最近还有用进口2.5%Ni、3.5%Ni焊丝、焊剂以满足-70℃冲击韧度的报道。
本次研究在调研国内外低温储罐所使用的钢材、焊材的基础上，国产09MnNiDR性能进行对比试验、研究。
对其进行了焊接性试验、焊接接头断裂性能试验、金相及硬度试验、破坏性试验等。
以评定09MnNiDR低温钢材的综合性能,论证其在液化石油气（LPG）低温储罐建设中的重要性，完善《低温低压液化石油气钢制焊接储罐施工与验收规范》。
第2章低温储罐的焊接理论基础
2.1低温储罐所用金属材料
低温容器所用金属材料主要包括镍铬合金钢、碳锰硅钢和铝合金等。
铝合金的使用范围一般作为低温液体的生产、储存和运输容器，以及宇宙飞船和火箭结构中液体燃料和氧化剂的油箱材料。
低温钢一般指镍铬合金和碳锰合金。
通常根据环境温度、合金含量、组织及合金系统中的镍、铬元素含量把低温钢进行分类。
根据温度等级可分为-20℃～-40℃、-50℃～-80℃、-100℃～-110℃、-196℃～-269℃等四个级别。
按合金元素和组织的不同可分为低合金铁素体钢、中合金低碳马氏体钢和高合金奥氏体钢。
按合金系统中有无镍、铬元素又可分为无镍、铬低温钢以及含镍、铬低温钢[4]。
由于合金元素在钢中的固溶强化、细晶强化的作用，并且正火、回火以后钢组织中的晶粒可以得到进一步的细化，从而使钢材的低温韧性得到提高，延长材料的使用寿命。
目前普遍使用的低温钢材料均含有镍元素，镍元素对于低温钢板的低温韧性的影响见表2-1。
表2-1镍元素对于低温钢板的低温韧性影响
国别
标准号
镍含量（%）
冲击试验温度（℃）
冲击功吸收最小值（J）
日本
JISG3217
2.10～2.50
-70
21
3.25～3.75
-101
21
8.50～9.50
-150
35
注：
以上三种板材厚度均为6～50mm，同时热处理状态均为正火状态。
由以上比较可知：
对于相同规格的钢材增加其镍元素的含量，可以在保证相同的韧性条件下使用温度可以大幅降低。
随着生产厂家对低温钢板力学性能的不断深入研究，用于低温、超低温的含镍钢板的种类不断的增加形成了一系列的镍系低温钢家族，其中包括以下几种：
（一）低镍钢类
该类钢主要用于换冷器、石油化工储罐和其他低温设备部件。
该类钢在壁厚大于30～50mm，要进行淬火和回火或在Ac3和Ac1之间的低温淬火或回火处理。
该类钢主要包括0.5%Ni钢、1.5%Ni钢、2.5%Ni钢和3.5%Ni钢几种，使用温度在-50～-100℃以上，该种钢主要用于建设液化石油气储罐，本次实验所选的09MnNiDR就属于0.5%Ni钢。
（二）5.5%Ni钢类
它在9%Ni钢含碳量低、韧性高、磷硫有害杂质少的基础上，降低了镍含量，增加了Mn含量和Cr、Mo元素，防止了回火脆化，其性能与9%Ni钢相似，但更为经济。
该类钢主要指N-TUFCR196。
（三）9%Ni钢类
该类钢的特点是含镍高，超低温下能防止材料的脆性破坏，属于铁素体钢。
9Ni钢在液化天然气沸点-162℃甚至更低的-196℃液氮温度下都不发生脆性转变且韧性好、强度高，已成为制造LNG储罐最主要的材料。
与奥氏体不锈钢材料相比，具有价格低，强度高的优点，因而被广泛的应用于制造大型LNG储罐及设备。
对于两种常见的9%Ni钢（美国标准ASTMA55372A1和日本工业标准JISSL9N60），使用时冷加工变形量超过3%时应进行热处理（两次正火+回火、淬火+回火或者两相淬火+回火），以便显著提高钢的低温韧性。
表2-2化学成分要求
元素
含量%
C①
≤0.24
P①
≤0.035
S①
≤0.035
Mn
厚度②
≤40mm
熔炼分析
0.70～0.35
成分分析
0.64～1.46
厚度
＞40mm
熔炼分析
1.00～1.60
成品分析
0.92～1.72
Si
熔炼分析
0.10～0.50
成品分析
0.13～0.55
Ni
熔炼分析
0.25
成品分析
0.28
Cu
熔炼分析
0.35
成品分析
0.38
Cr
熔炼分析
0.25
成品分析
0.29
Mo
熔炼分析
0.08
成品分析
0.09
注：
①适用于熔炼分析和成品分析
②熔炼分析锰含量可超过1.35%，最大可达1.60%，熔炼分析镍含量可以超过0.25%，最大可以达到0.50%，只要当按照下列公式计算的熔炼分析碳当量不超过0.57%。
CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15
当实行这一选择时，成品分析锰含量不超过熔炼分析含量的0.12%，镍含量不应超过0.03%。
在国际工程中低温储罐使用钢材主要有ASMEA537系列的碳锰硅钢板，该钢板制造过程中一般符合A20/A20M标准中奥氏体晶粒的要求，并且要求进行正火或淬火加回火的热处理过程，一般回火温度应不低于595℃（1100°F），保温1～2h以上。
该种钢板常规化学成分要求见上表表2-2所示。
建设LPG低温储罐的常用国产材料是碳-锰-硅类钢，由于受到生产等因素的影响，就目前使用情况来看一般用于建设常温下的LPG储罐和-50℃以上的低温储罐，这类钢主要指09MnNiDR、15MnV、15MnVR、CF-62（07MnNiCrMoVDR）和16MnR（WH510）[5]。
这几类钢的使用情况及相应的设计参数见表2-3。
表2-3低温储罐常用国产材料应用举例
公称容量（m3）
设计
压力（Mpa）
设计温度（℃）
所用
材料
设计
规范
储存介质
建造年月
投产年月
建设地点
主要特点
400
1.6
常温
15MnV
JB1127-70
LPG
1976.9
1977.10
湖北武汉
中国首台运行爆炸球罐
1000
1.6
常温
15MnVR
JB1127-70
液态烃
1972.5
1973.10
湖南岳阳
中国首台国产大型LPG球罐
1000
2.16
-15～50
CF-62
GB12337-92
液态丙烯
1993.1
1993.3
湖南岳阳
中国首批国产CF钢丙烯球罐
近几年高韧性16MnR（WH510）钢由于其韧性高、焊接性能好而引起厂家们的逐渐重视。
该储罐所用的球壳钢板为武汉钢铁公司生产的16MnR（WH510）钢板，这类钢板在经过热加工、焊接、SR（去应力处理）处理后仍然保持稳定的铁素体+珠光体组织，另外充分利用钢中的Ni元素的固熔强化及微量元素Nb、V碳化物的析出强化，使原始奥氏体晶粒充分细化，以保证其正火后具有优良的韧性。
16MnR（WH510）的化学成分及力学性能要求见表2-4、表2-5。
09MnNiDR属于另一类很重要的低温碳锰钢，该钢种的熔炼生产过程与WH510相似，是基于WH510基础上的一种新型改进钢种，保留了WH510常规力学性能稳定、冲击韧性高等优点的同时降低了Mn元素的含量，使用温度可以达到-70℃。
09MnNiDR的化学成分及力学性能试验数据见表2-6、表2-7。
表2-416MnR的化学成分
元素
C
Si
Mn
P
S
Ni
V
Nb
含量（%）
≤0.2
0.20～0.55
1.20～1.60
≤0.025
≤0.015
≤0.30
≤0.05
≤0.035
表2-516MnR的力学性能要求
交货状态
取样方向
板厚（mm）
拉伸试验
冲击试验
冷弯试验
σs
σb
δ5
温度（℃）
冲击吸收功（J）
180˚
正火
横向
10～16
≥345
510～640
≥21
-20
≥47
D=2a
16～36
≥325
490～620
≥37
D=3a
36～60
≥305
470～600
表2-609MnNiDR的化学成分
化学成分（%）
C
Si
Mn
P
S
Cu
Ni
Nb
Al
0.09
0.34
1.46
0.019
0.006
0.03
0.52
0.03
0.005
表2-709MnNiDR的力学性能
拉伸试验
弯曲试验
冲击试验
（-70℃）
σs
σb
δ5
D=2a
冲击吸收功（J）
370Mpa
505Mpa
35%
148、126、93
由表2-7看出09MnNiDR钢板的低温韧性较16MnR（WH510）钢和常用的进口材料有了一定的提高，可以用于考虑建设LPG储罐。
这也是本次低温储罐综合研究选取09MnNiDR钢板替代进口钢板的重要原因之一。
2.2低温储罐用焊接材料
考察LPG低温储罐用焊接材料是为了研究在与母材相匹配的条件下，焊接接头的各种性能，从而保证低温储罐的使用寿命。
首先焊接界对于低温用的焊接材料主要考虑的是9%Ni类钢。
在1973年英国伦敦举行的低温容器焊接会议上专门有一部分是针对焊接9%Ni钢用的焊接材料。
就低温焊条来讲，比利时焊接工作者发现，焊接过程完成以后，由于母材金属对于填充金属的稀释作用使得接头的整体力学性能受到一定影响，直流焊接时存在磁偏吹现象，应采取交流焊接，同时使得焊缝金属无论在常温或者-196℃情况下均保持奥氏体组织，从而保证了焊缝金属的热膨胀系数与所用母材接近，常规力学性能和夏比冲击韧性值均超过母材，并且焊缝金属熔合线附近没有削弱的现象。
针对9%Ni钢焊接用的焊丝，LINCOLN公司曾经推出镍基的LNCONEL82，该焊丝的生产标准为AWS4.18，但这种焊丝焊出的焊缝金属的伸长率σ0.2远远小于母材金属的同类数值，后来该公司又推出镍基焊丝LNCONEL625，这种焊丝焊出的焊缝金属强度虽然接近要求的值，但其热膨胀系数比9%Ni钢大很多，这使得该焊丝的使用受到一定限制。
后来英国焊接工作者在80Ni-20Cr-C焊丝的基础上通过调整碳、锰含量，以及增加相应的Nb含量，研制出一种新型的焊丝，该焊丝在保证中低Ni焊接材料80Ni-20Cr-C焊丝优点的基础上，消除了该焊丝易出现热裂纹的缺陷，同时提高其冲击韧性[6]。
国外部分低温钢焊接材料熔敷金属性能见表2-8和表2-9。
表2-8国外部分低温钢焊接材料熔敷金属化学成分
焊条牌号
化学成分（%）
C
Mn
Si
P
S
Ni
日本神钢NB-1
0.06
1.12
0.58
0.01
0.006
1.60
日本神钢NB-2
0.06
0.89
0.49
0.01
0.006
2.41
日本日钢N-11
0.07
1.15
0.49
0.012
0.007
1.62
法国沙福N55
0.05
1.0
0.40
—
—
2.4
德国TENACITO
70B
0.05
1.10
0.30
—
—
2.4
瑞典OK
73.66
0.06
0.9
0.35
<0.02
<0.02
2.4
表2-9国外部分低温钢焊接材料熔敷金属力学性能
焊条牌号
σs
（Mpa）
σb
（Mpa）
δ5
（%）
温度（℃）
冲击吸收功（J）
日本神钢
NB-1
530
620
30
-50
130
日本神钢
NB-2
500
610
30
-60
120
日本日铁
N-11
548
610
31
-60
94
美国林肯
LN8018-C1
545
600
23
-60
67
法国沙福
N55
540
620
26
-60
110
德国
TENACITO
70B
440
520
24
-60
>70
瑞典OK
73.66
520
610
26
-60
105
最近几年，国内焊接研究人员已经开始着手研究低温储罐技术，其中包括低温储罐使用的埋弧焊焊接材料及焊缝低温韧性研究。
工作表明对于C-Mn-Si、C-Mn-Si-Ni系低温钢埋弧焊焊丝，宜适量过渡的主要合金元素Mn、Ni、Si，对于提高焊缝金属的低温韧性起主导作用，同时从焊丝中适量过渡微量元素可以改善焊缝金属的低温韧性。
同时国内焊接工作者也对于国产的低温板材的低温性能做了初步的研究。
研究结果表明武汉钢铁公司生产的09MnNiDR钢板，在一定情况下可以在-60℃以上的低温环境中使用
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