（材料加工工程专业论文）9ni钢的焊接工艺研究.pdf

中文摘要 翥士萎! 薯犁装爵盔圭亟 硕士生： 符中欣( 签名) 翻! ：! 坠 指导教师：石凯( 签名) 厶& 边型 摘要 本文以用于建造大型【，n g 储罐的国产9 n i 钢现场焊接工艺研究为对象，在对9 n i 钢的焊接特性、常用的焊接方法和焊接材料进行大量科研调研的基础上，筛选了适于现 场焊接9 n i 钢的焊接方法和焊接材料；开展了焊接热模拟试验、现场焊接工艺试验，采 用低温示波冲击、光学金相观察、透射电镜观察、x 射线能谱分析等研究手段和方法， 研究了焊接工艺对9 n i 钢焊接接头的低温韧性和微观组织的影响规律。 研究结果表明：使用经试验确定的q t 及i h t 热处理工艺参数对热轧状态的国产9 n i 钢进行处理后，其4 k n l 9 2 。由1 9 3 j 分别提高到9 2 7 j 和1 5 8 0 j ，达到和超过b s 7 7 7 7 标准 对l n g 工程用9 n i 钢4 k 胙1 娜 3 5 j 的要求。焊接热模拟试验表明，9 n i 钢经单道热循环 获得的粗晶热影响区( c g h a z ) 组织为粗大的板条马氏体，低温韧性a r v - 1 9 2 。平均值为 1 2 4 2 j ，成为9 n i 钢h a z 的低温韧性低谷区；c g h a z 经过二次热循环形成了未转变粗 晶区( u a c g h a z ) 、过临界粗晶区( s c r c g h a z ) 和临界粗晶区( i c r c g h a z ) ，其中 u a c g i a z 和i c r c g h a z 的组织粗大，表现为局部脆化，s c r c g l a z 组织细小，韧性 较好；上述区域紧邻熔合线形成“脆化带”，夹杂在其中的s c r c g l a z 细小组织对“脆 化带”的低温韧性起到明显的改善作用；在工艺上采用小焊接线能量多层焊能够有效地 增加和改变s c r c g h a z 组织在“脆化带”中的数量和分布的弥散度，提高9 n i 钢h a z 的低温韧性。现场焊接工艺试验表明，尽管9 n i 钢在焊接过程中接头的低温韧性不可避 免地有所降低，但是通过选用含n i 大于6 0 的n i 基合金焊接材料、在工艺中采用小线 能量多层焊和适当控制焊接层间温度等措施，可得到单相奥氏体焊缝组织，并使h a z 的组织细化，有效地控制和改善9 n i 钢焊接接头的低温韧性，获得远高于标准要求的低 温韧性值。 关键词：9 n i 钢焊接工艺焊接热模拟低温韧性局部脆化 论文类型：应用研究 ( 本文得到长庆石油勘探局长庆建设工程总公司研究资金的资助) 英文摘要 s u b j e a ： a s t u d yo nw e l d i n gp r o 吧e s so f 9p e r c e n tn i c k e ls t e e l s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a b s t r a c t s i t e w e l dp r o c e s so fd o m e s t i c9p e r c e n tn i c k e ls t e e l ( 9 n is t e e l ) ，w h i c hi su s e df o r l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ( l n g ) t a n k s ，i sm a i n l yi n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r b ya n a l y z i n gag r e a t d c a lo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi n f 0 1 t o a t i o na b o u tw e l d i n gp r o p e r t i e so ft h es t e e la n da b o u t w e l d i n gc o n s u m a b l e sa n dw e l d i n gm e t h o d so f t e l lu s e df o rt h es t e e l w e l d i n gc o n s u m a b l e sa n d w e l d i n gm e t h o d ss u i t a b l ef o rw e l d i n go f9 n is t e e lo ns i t ec o n d i t i o n sa r ec h o s e n w e l d i n g t h e r n l a ls i m u l a t i o nt e s t sa n ds i t e w e l dp r o c e s st e s t so f9 n is t e e la r ea c t u a l i z e d t h er e l a t i o n s b e t w e e nw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s c r y o g e n i ct o u g h n e s sa n dm i c r o s t r u c t u r eo f9 n is t e e l i o i n t sa r ei n v e s t i g a t e db yc r y o g e n i ci n s t r u m e n t e dc h a r p y i m p a c tt e s ta n dm i c m s t r u c t u r e a n a l y s i s t h ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r eg o t t e ni nt h i sp a p e r q u e n c h i n ga n dt e m p e r i n gh e a tt r e a t m e n t ( q t ) a n di n t e r - c r i t i c a lh e a tt r e a t m e n t ( i h t ) ，t w oh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e sg o t t e nf r o mt e s t s ， c a ni n c r e a s ei m p a c te n e r g yo f c h a r p yv - n o t c ha t 一1 9 2 翻k v - 1 9 2 ) o f h o t r o i l e d9 n is t e e lf r o m 1 9 3 jt o9 2 7 ja n d1 5 8 0 js e v e r a l l y t h ev a l u e sh a v eo v e r t a k e n3 5 j t h el e a s tv a l u ew h i c h9 n i s t e e lm u s to b t a i nt ob eu s e dt ol n gp r o j e c t sb yt h ed e m a n do fb sf b r i t i s hs t a n d a r d ) 7 7 7 7 s i n g l e r u nw e l d i n gt h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t ss h o wt h a t9 n js t e e lw h i c hu n d e r g os i n g l e - r u n w e l d i n gt h e r m a lc y c l e so b t a i nc o a r s eg r a i nh e a t a f f e c t e dz o n e ( c g h a z ) w i t hm i c r o s t r u c t u r e o fc o a r s el a t hm a r t e n s i t ea n da k v - 1 9 2 1 co f1 2 4 2 j w h i c hh a st h el o w e s tc r y o g e n i ct o u g h n e s si n h e a t a f f e c t e dz o n ef h a z ) o f9 n is t e e l d o u b l e r u n sw e l d i n gt h e r l n a ls i m u l a t i o nt e s t ss h o w t h a tc g h a za f f e c t e db yt h es e c o n d - r u nw e l d i n gt h e r m a lc y c l e s g e ta n a l t e r e dc g h a z ( u a c g h a z ) s u p e r - c r i t i c a l l yr e h e a t e dc g h a z ( s c r c g h a z ) a n di n t e r - c r i t i c a l l yr e h e a t e d c g h a z( i c r c g h a z l u a c g h a za n di c r c g h a za r e c o m p o s e d o fc o a r s e m i c r o s t r u c t u r e sa n ds l l o wl o c a lb r i t t l ez o n e ( l b z ) p h e n o m e n o na t 1 9 2 ，a n ds c r c g h a zi s c o m p o s e do ft h i nm i c r o s t r u c t u r e sa n dh a v eb e r e rc r y o g e n i ct o u g h n e s st h a nu a c g h a za n d i c r c g h a z c g h a z u a c g h a z i c r c g h a za n ds c r c g h a zd i s t r i b u t ec l o s e l ya l o n g f u s i o nl i n ea n dc o m p o s eab r i t t l eb e l tw i t hl i t t l ep i e c e so fs c r c g h a zw h i c hc a ni n c r e a s e c r y o g e n i ct o u g h n e s so ft h eb r i t t l eb e l t t h ew e l d i n gp r o c e s sw i t hm r l t i r u na n dl e s sv a l u eo f t h ew e l d i n gl i n ee n e r g yc a no b t a i nm o r es c r c g h a za n di n c r e a s ei t sd i s p e r s i t yi nh a zo f 9 n is t e e l a n dt h e ne n h a n c ec r y o g e n i ct o u g h n e s so fh a z s i t e w e l dp r o c e s st e s t ss h o wt h a t t h o u g hw e l d i n gp r o c e s s e sc a nu n a v o i d a b l yd e c r e a s ec r y o g e n i ct o u g h n e s so f9 n is t e e lw e l d i n g j o i n t s ，u s eo fw e l d i n gc o n s u m a b l e sc o n t a i n i n gn im o r et h a n6 0 、v t ，p r o c e s sw i t hm u l t i r u n ， l e s sv a l u eo ft h ew e l d i n gl i n ee n e r g ya n dl o w e ri n t e r - p a s st e m p e r a t u r ec a ng e ts i n g l e - p h a s e a u s t e n i t ew e l dm e t a l sa n df i n em i c r o s t r u c t u r e so fh a z a n dt h e ne f f i c i e n t l yc o n t r o la n d i m p r o v ec r y o g e n i ct o u g h n e s so f w e l d e dj o i n t s ，a n dm a k ei t sa k v - 1 9 2 co u t c l a s st h ed e m a n do f b $ 7 7 7 7c r i t e r i o n k e y w o r d s ：9p e r c e n tn i c k e ls t e e l ( 9 n is t e e l ) ；w e l d i n gp r o c e s s ；w e l d i n gt h e r m a ls i m u l a t i o n t e s t ；c r y o g e n i ct o u g h n e s s ；l o c a lb r i t t l ez o n e 皿b z ) t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db ys c i e n c er e s e a r c hf o u n d a t i o no fc h a n g q i n gc o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n g c o r p o r a t i o no f c h a n g q i n gp e t r o l e u me x p l o r a t i o nb u r e a u ) 1 i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：压盘腿 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期闻论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：靥生题 导师签名：厶旦些 、- 7 日期：塑堂塑阵日 日期：2 立：! ! ：岁f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景【1 卅 9 n i 钢，亦被称为n i 9 钢、9 n i 钢，是含镍量为8 5 - 9 5 的低温钢，在1 9 6 仍具有 优异的强韧性。与具有优良性能的不锈钢相比，有合金含量少、价格便宜的优点；与低 温用铝合金( 如l f 5 ) 相比，有许用应力大、热膨胀率小的优点。因此成为1 9 6 级低温设 备和容器的最重要结构材料，广泛用于制造或建造液氮和液化天然气( l i q u e f i e dn a t u r a l g a s ；简称l n g ) 贮罐。 随着我国经济的快速增长，对能源的需求越来越大，改善能源结构，保护环境，提 高能源利用率，己迫在眉睫，天然气作为绿色能源逐步替代煤炭和石油，将是发展的必 然趋势。液化天然气( l n g ) 因其所独有的商品特质和多方面使用价值，将成为国家2 1 世 纪初开发利用的重点产业。因我国国内的天然气产量难以满足沿海经济发展的需求，国 家决定在沿海地带建造大型l ，n g 进口基地。截止n 2 0 0 5 年，获国家发改委批准的l n g 进 口基地项目已达1 0 个，另有两个尚待审定。可以预见，在未来的若干年内，国内将大规 模建造大型的l n g 储运设备，9 n i 钢作为l n g 储运设备的主要结构材料将被大量使用， 而9 n i 钢的焊接工艺是设计和建造9 n i 钢低温储罐的技术基础。目前，9 n i 钢在大型l n g 装置建造中的焊接工艺及质量控制技术主要由外国设计机构和储罐建造企业掌握；国内 的储罐设计和建造单位尚不具备独立设计和制造大型l n g 低温储罐的能力，迫切需要开 发具有自主知识产权的9 n i 钢储罐的设计和建造技术。 1 2 低温钢简介 1 2 1 低温钢的定义【5 】 通常将各种液化石油气、液氨、液氧、液氮等的生产、储存容器和输送管道以及在 寒冷地区服役的设备用钢，统称为低温钢。 我国通常将设计温度低于或等于2 0 称为低温，g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器附 录c 对低温压力容器的工作温度定义为低于或等于2 0 ：h g 2 0 5 9 5 1 9 9 8 钢制低温压 力容器技术规定中规定的低温也是一2 0 - - , - 1 9 6 。也有的资料将低温钢的工作范围定为 - 4 0 1 9 6 。日本的j i s b 8 2 4 3 压力容器结构规定，设计温度低于1 0 为低温；原西 德的d i n 标准定义低温用钢的工作温度为2 0 2 6 9 ；美国的a s m e 规范对低温没有 明确的定义，但它将2 0 * f ( 一2 9 。c ) 作为一个控制指标。我国的g b 5 0 2 3 5 工业金属管道工 程施工及验收规范中规定低温2 9 ，s h 3 5 0 1 1 9 9 7 石油化工剧毒、可燃介质管道工 程施工及验收规范和h g 2 0 2 2 5 1 9 9 5 化工金属管道工程施工及验收规范也是将设计 温度低于一2 9 定为低温。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 2 低温钢的分类m ( 1 ) 按结构的使用温度等级来分 按结构的使用温度等级来分时，如在自然环境温度条件下工作的结构，其使用温度 因地区的不同，也各有差异，我国一般最低温度为- 4 0 ；石油化工产品的最低使用温度 为一3 0 。c 1 6 5 ：空气分离设备的使用温度为1 5 0 c 2 6 9 c 。目前各国对低温使用等级 划分也不相同。大体上可分为四个等级：一1 0 4 0 的低温钢；5 0 c - - 9 0 。c 的低温钢； 一1 0 0 - - 1 2 0 和- 1 9 6 2 7 3 的低温钢。 ( 2 ) 按钢的化学成分来分 按合金元素来分时，有不含镍的低温钢和含镍的低温钢。 ( 3 ) 按钢的显微组织来分 1 ) 铁索体型低温钢这类钢的显微组织主要是铁素体加少量珠光体。其使用温度在 - 4 0 - 1 0 0 范围，如1 6 m n d r 、0 9 m n 2 v d r 、0 9 m n 面c u r e d r 、n i 3 5 和0 6 m n v t i 等。 前面几种为低温容器专用钢，一般是在正火状态下使用。n i 3 5 钢一般采用8 7 0 * c 正火 和6 3 5 的1 h 消除应力回火，其最低使用温度达一1 0 0 * c 。调质处理可提高其强度、改善 韧性和降低其脆性转变温度，其最低使用温度可降至一1 2 9 。 2 ) 低碳马氏体型低温钢这类钢属于含n i 量较高的钢，如9 n i 钢，经淬火的组织为 低碳马氏体，正火后的组织除低碳马氏体外，还有一定数量的铁素体和少量奥氏体，具 有高的强度和韧性，能用于1 9 6 低温。该钢经冷变形后，须进行5 6 5 c 消除应力退火， 以提高其低温韧性。 3 ) 奥氏体型低温钢这类钢具有很好的低温性能，其中以1 8 8 型c r - n i 奥氏体钢使用 最为广泛，2 5 2 0 型c r - n i 奥氏体钢可用于超低温条件。我国为了节约铬、镍而研制以铝 代镍的1 5 m n 2 6 a 1 4 奥氏体钢，这种钢的使用温度不能低于马氏体相变温度，否则奥氏体 转变为马氏体而使韧性下降。 1 39 n i 钢的发展及应用状况 1 3 19 n i 钢国外应用状况】 9 n i 钢于1 9 4 4 年由美国i n c o 公司开发，1 9 4 8 年推向市场，1 9 5 6 年初列入a s t m 标准。1 9 6 0 年以前9 n i 钢只能用与其化学成分相似的铁索体焊条焊接，需进行焊后热处 理。这对于制造大型储罐是一个难题。1 9 6 0 年1 0 月，采用含n i 量超过6 0 的因科镍 ( i n c o n e l ) 型焊条焊接9 n i 钢成功，并通过了液氮温度下的爆破增压试验。后来开发的9 n i 钢的双正火+ 回火( n n t ) 热处理工艺和淬火+ 回火( q t ) 热处理工艺使9 n i 钢的焊接不需进 行焊后热处理。1 9 6 2 年，a s t m 规范认定：板厚不超过3 8 m m 的储罐可以不进行消除焊 接残余应力的热处理，1 9 6 3 年又扩大到5 0 m m ，使9 n i 钢用于大型l n g 储罐的制造成 为可能。日本大规模使用9 n i 钢开始于1 9 6 9 年横滨港建成的3 5 万m 3 和4 5 万m 3 平底 2 第一章绪论 球面二重式l n g 储罐，1 9 7 7 年将9 n i 钢列入j i s 标准，j i sg 3 1 2 7 对9 n i 钢的热处理进 行了如下要求：双正火+ 回火处理o t ) 和淬火十回火处理( q ，r ) 。1 9 8 0 年日本建成了7 5 万m 3 l n g 储罐。1 9 9 1 年j i sg 3 1 2 7 中明确指出：根据需要可进行中间热处理。1 9 8 2 年 后，9 n i 钢已经成为低温储罐主材，逐渐取代了n i c r 不锈钢，截止到1 9 9 5 年世界上已 建的最大9 n i 钢储罐容积为1 4 万m 3 。由此可见，9 n i 钢已是国际上低温设备领域广泛 使用的钢种，其焊接性能良好，焊接工艺已日臻成熟。 1 3 29 n i 钢国内应用状况6 】 我国于1 9 8 0 年首次引进9 n i 钢容器，燕山石化公司和大庆石化公司先后各自从法国 引进了4 台1 5 0 0 m 39 n i 钢球罐，用于存贮液态乙烯，工作温度为3 1 。燕山石化公司 的4 台球罐采用瑞典e s a b 公司生产的非标准的o k 6 9 4 5 焊接，水压试验后，四台球罐 的焊缝表面均存在不同程度的密集缺陷；大庆石化公司的4 台球罐采用德国t h y s s e n 公 司生产的t h l 7 1 5 t t w 焊条，水压试验时一台球罐发生了氢致裂纹。 1 9 9 5 年扬子石化公司乙烯装置扩建工程中，引进了国内首台1 0 0 0 0 m 39 n i 钢制双层 结构乙烯低温储罐，为双层筒形拱顶结构，内罐及外罐第一圈壁板采用了9 n i 钢，设计 温度1 0 7 ，使用温度一1 0 4 。该储罐由德国l i n d e 公司设计，n o e l l 公司制造，焊条型 号为e n i c r m o 6 焊条。 1 9 9 9 年，我国首个调峰型l n g 装置上海液化天然气事故气源备用站建成，其 中主要设备为2 万m 3 预应力钢筋混凝土外壳、自承式9 n i 钢内胆的l n g 低温储罐，内 罐直径3 3 5 m ，内罐高度2 6 0 m ，工作最低温度1 6 5 。该站由法国s o f r e g a z 燃气公 司提供工艺部分的详细设计、设各供应和技术服务。焊接9 n i 钢所用焊材为瑞典e s a b 公司生产符合a w sa 5 1 1 e n i c r m o 6 标准的o k 9 2 5 5 焊条和符合a w s a 5 1 4 e r n i c r m o 3 标准的o k l 9 8 2 焊丝、o k l 0 1 6 焊剂，焊接接头质量均满足要求。 2 0 0 3 年国内首个l n g 接收站广东l n g 一期工程项目开工，由法国意大利s t t s 集团作为接收站设计、采购及建造合同( e p c ) 0 0 标方，承建l n g 进口终端及海域设施。 该项目一期工程包括两台1 6 万m 3 的l n g 储罐，后又增建一台1 6 万m 3 的l n g 储罐， 所用焊接材料为e n i c r m o 6 焊条、e r n i c r m o 3 焊丝、u t pu pf x6 2 0 0m o - 4 焊剂和 t h y s s e nm a r a t h o n1 0 4 焊剂。一期工程已于2 0 0 6 年6 月投产。 1 4 国内9 n i 钢焊接工艺的研究现状 9 n i 钢的问世已半个多世纪。在国外，9 n i 钢的焊接工艺已经相当成熟，已建造出一 大批9 n i 钢l n g 储罐。但是关于9 n i 钢的焊接工艺的详细研究资料仅为国外少数几家 储罐设计机构所掌握。9 n i 钢在我国的使用始于上世纪8 0 年代，早期主要用于乙烯储罐， 设计温度一般不低于一1 1 0 ，1 9 9 9 年我国开始将9 n i 钢用于l n g 储罐。但是国内引进 的9 n i 钢储罐均为进口，从工艺细节的设计到生产制造，全都由外方承担，只是在现场 西安石油大学硕士学位论文 安装过程中，有国内工程单位参与。文献资料表明我国在9 n i 钢的焊接工艺方面的研究 工作开展较少，近年来发表的关于9 n i 钢焊接的文献，多数是关于9 n i 钢l n g 储罐现 场施工的文献。关于9 n i 钢焊接工艺理论研究的文献几乎没有出现，仅限于上世纪8 0 年代燕山石化公司和大庆石化公司为修复9 n i 钢乙烯储罐出现的缺陷而组织了几所高校 和院所对进口9 n i 钢进行的一些研究。 1 5 本课题的研究意义 本课题以用于建造大型l n g 储罐的国产9 n i 钢的现场焊接工艺为研究对象，在对 9 n i 钢的焊接特性、常用的焊接方法和焊接材料进行大量科研调研的基础上，选择适于 现场焊接9 n i 钢的焊接方法和焊接材料，通过焊接热模拟试验、现场焊接工艺试验，研 究焊接工艺对9 n i 钢焊接接头的质量、性能和微观组织的影响规律，形成了具有工程应 用价值的9 n i 钢焊接工艺。研究工作为解决l n g 工程中9 n i 钢的焊接技术难题提供了 具有理论和工程应用价值的参考资料，是一项既具有理论研究价值又具有工程实际意义 的课题。 1 6 本课题的研究内容 本课题的工程应用背景是旨在形成具有工程应用价值的9 n i 钢焊接工艺。掌握焊接 施工条件下工艺参数一组织性能的关系是本课题的研究重点，改善和调控9 n i 钢焊接 接头的低温韧性是本课题的技术难点。研究工作主要分以下几个部分进行： 1 ) 通过对大量科研资料的调研，了解9 n i 钢的焊接特性，选择适于现场焊接9 n i 钢 的焊接方法和焊接材料； 2 ) 使用热模拟方法，研究焊接热循环对国产9 n i 钢焊接热影响区阻e a t a f f e c t e d z o n e ， 简称h a z ) 的低温韧性和微观组织的影响规律，研究造成h a z 低温韧性变化的机理，为 编制9 n i 钢的焊接工艺提供参考： 3 ) 编制适于现场焊接9 n i 钢的焊接工艺，采用适于现场焊接9 n i 钢的焊接方法和焊 接材料对国产9 n i 钢进行现场焊接工艺试验，并对其各种焊接方法的焊接工艺参数、操 作参数进行综合分析，研究不同焊接方法焊接国产9 n i 钢时的工艺特性； 4 ) 研究9 n i 钢实际h a z 的低温韧性； 5 ) 研究焊缝的低温韧性、组织与各项焊接参数的关系： 6 ) 形成适于国产9 n i 钢现场焊接的工艺规范。 4 第二章9 n i 钢的焊接性分析及其焊接方法、焊接材料的选择 第二章9 n i 钢的焊接性分析及其焊接方法、焊接材料的选择 2 19 n i 钢的焊接性分析 本文在研究过程中所使用的母材为本溪贝尔金属材料制造有限公司生产的1 6 r a m 厚 9 n i 钢板，其化学成分如表2 1 所示。钢板的出厂状态为热轧状态，其力学性能如表2 2 所示。 原始热轧状态的9 n i 钢低温韧性很差，所以在进行焊接之前必须进行热处理，以改 善其低温韧性。为此，课题组进行了9 n i 钢的热处理试验，开发了两种具有应用价值的 9 n i 钢热处理工艺，分别为：调质( q u e n c ht e m p e r i n g ，简称：q t ) 热处理8 0 0 。c x l h 水 淬+ 5 8 0 x 3 h 水冷；双相区淬火+ 回火( i n t e r - c r i f i e mh e a tt r e a t m e n t ，简称：m t ) 热处理 8 5 0 l h 水淬+ 6 8 0 x 3 h 水淬+ 5 8 0 x 3 h 水冷。热处理后国产9 n i 钢力学性能如表2 - 2 所示，与原始热轧状态相比，9 n i 钢经过q t 或i h t 处理后，低温韧性有了很大提高， 1 9 2 ( 2 冲击功4 f n l 9 2 ( 注：a s t ma 5 5 3 标准规定低温冲击温度为- 1 9 5 1 2 ，受试验条件的 限制，试验中最低冲击温度只能达到1 9 2 ，故只能用1 9 2 冲击功评价试样的低温韧 性) 分别增大为热处理前的4 2 倍和8 8 倍。满足a s t m 标准的要求，可用于大型l n g 储罐。 枣! 二! ! ! 监垄盟丛! 塑丝堂盛坌塑墨耋壁垦兰型! 塑塑垡堂盛坌f 堕塑竺竺 cs im n psn if e 表2 - 2a s t m 标准对9 n i 钢力学性能的要求及国产9 n i 钢的力学性能1 7 】 注：q t 处理和i h t 处理同属a s t m a 5 5 3 a 5 5 3 m - 9 5 ( r e a p p r o v e d2 0 0 0 ) ，该标准对它们的要求相l 司； 冲击温度1 9 5 c 。三个试样冲击功的平均值不得低于括号外的值，冲击功低于括号外的值的试样个数不得多于一 个单个试样的冲击功不得低于括号内的值 本文通过对大量有关9 n i 钢的资料调研7 ，1 蛇2 1 ，对9 n i 钢的焊接性总结如下： 9 n i 钢为低碳马氏体型低温钢，含有较多的镍，合金含量高，具有一定的淬硬倾向。 焊前的热处理状态有三种：双正火+ 回火0 q n a 3 ，即9 0 0 正火+ 7 9 0 正火+ 5 5 0 5 8 0 c 回火；淬火+ 回火( q ，即8 0 0 c 水冷或油冷+ 5 5 0 5 8 0 c 回火；双相区淬火+ 回火 ( m t l ，即8 0 0 水冷+ 6 7 0 水冷+ 5 5 0 - - 5 8 0 回火。这种钢具有较高的低温韧性，焊接性 能也优于一般的低合金高强钢。在板厚5 0 m m 以下的结构焊接时，可以不预热，焊后也 可不进行消除应力的热处理。 9 n i 钢焊接接头的抗拉强度在常温时一般为7 3 5 n r a m 2 左右，低温时抗拉强度有所 西安石油大学硕士学位论文 增加，1 9 6 时仍能达到1 0 7 8 n m m 2 ，而延伸率和断面收缩率与常温时相比几乎没有什 么变化，且具有较高的数值，脆性转变温度在一1 9 6 以下。 在焊接热影响区( h a z ) 的淬火区，其最高硬度h v = 3 7 0 ，就是在0 。c 以下焊接时也不 产生延迟裂纹。这种钢焊后仍具有很高的低温韧性。因此，9 n i 钢是可焊性优良的钢种。 值得指出的是，尽管这种钢可焊性优良，但必须严格控制钢的化学成分含量不可超 标。尤其是硫、磷的含量必须控制在标准含量以下，否则将出现焊接热裂纹，特别是弧 坑裂纹更为敏感，往往由于弧坑裂纹而诱发产生焊缝金属的热裂纹。众所周知，9 n i 钢 中含n i 量较高，如果钢中的硫含量偏高，就会产生n i 3 s 2 、n i s 和n i 6 s 5 等化合物，n i - n i 3 s 2 易形成低熔点( “5 ) 共晶体。磷含量超标后，也可能形成n i - n i 3 p 2 ( 8 8 0 。c ) 共晶体，从而 形成结晶裂纹。生产实践证明，9 n i 钢的弧坑裂纹敏感性还是很强的，是这种钢焊接中 存在的主要问题之一。 为了获得优良的9 n i 钢接头，在制定焊接实施方案时应注意如下几个问题： 1 ) 正确选择焊接材料9 n i 钢的线膨胀系数较大，在+ 2 0 。c 1 9 6 c 之间线膨胀系数为 8 0 5 x 1 0 4 。为了减少焊接接头的焊接应力，在选择焊接材料时，必须使焊缝金属与母 材的线膨胀系数相接近，以防止因线膨胀系数差异太大而引起焊接裂纹。 2 ) 避免磁偏吹现象由于9 n i 钢是一种强磁性材料，极易被磁化，采用直流电源时， 易产生磁偏吹现象，影响焊接工艺的稳定性，从而直接影响到接头的质量。一般作法是 焊前勿接触磁性，也可以选用交流电源及能适应交流电源施焊的电焊条或焊丝焊剂。 3 ) 严格控制焊接线能量和层间温度，且焊前不预热为保证9 n i 钢焊接接头的低温 韧性，焊前不能预热，而且焊接过程中必须严格控制焊接线能量和层间温度，以避免接 头过热和晶粒长大。 2 29 n i 钢焊接方法的选择【1 9 , 2 3 】 目前，在l n g 储罐的建造过程中，9 n i 钢的主要焊接方法是焊条电弧焊( s h i e l d e d m e t a la r cw e l d i n g ，简称：s m a w ) 、埋弧焊( s u b m e r g e da r ew e l d i n g ，简称：s a w ) 、钨 极惰性气体保护焊( g a st u n g s t e na r ew e l d i n g ；简称：g t a w ) 和熔化极惰性气体保护焊 ( g a sm e t a la r ew e l d i n g ，简称：g m a w ) 。 s m a w 是9 n i 钢现场焊接的一种适合各种焊接位置且非常灵活可行的焊接方法。该 焊接方法可以获得很高的合金过度系数，甚至高达1 7 0 。但是s m a w 的焊接效率太低。 s a w 是熔敷速率最高的一种焊接方法，特别是在环焊缝焊接时，由于使用了埋弧横 焊机，埋弧焊的优点表现得更加突出，埋弧焊几乎适于焊接所有横焊缝和水平位置焊缝。 g t a w 能得到具有窄坡口的高质量的焊接接头。由于能够分别控制焊接电流和送丝 速度，容易控制稀释率而得到满意的焊缝形状。但是g t a w 的焊接效率太低，在工程中 选择这种焊接方法不太经济，且不易在户外使用。只是在特定的场合下才选择使用钨极 氩弧焊，比如采用低镍型焊接材料焊接9 n i 钢时，g t a w 是非常好的焊接方法。 6 第二章9 n i 钢的焊接性分析及其焊接方法、焊接材料的选择 g m a w 的熔敷速率大，主要问题是焊缝质量，容易产生熔合不良和气孔，为了防止 熔合不良缺陷的产生，通常要采用脉冲电流来焊接9 n i 钢，然而也未能完全解决熔合不 良的问题。 虽然现在已经开发出了气电立焊设备，且自动化程度很高，但是由于气电立焊的线 能量偏大且不易控制，所以不适合用来焊接9 n i 钢立式储罐的纵焊缝。立焊缝仍然用焊 条电弧焊焊接。 生产实践证明，s m a w 和s a w 是9 n i 钢储罐现场焊接效率最高且最实用的两种焊 接方法。所以，本文将9 n i 钢的s m a w 和s a w 焊接工艺作为重点研究对象。 2 39 n i 钢焊接材料的选择 ( 1 ) 选择焊接材料需要考虑的几个问题【1 9 ，2 1 7 3 1 1 1 低温韧性问题9 n i 钢主要用来建造低温设备，焊缝要在低温下工作，在选择焊 接材料时一定要考虑焊缝的低温韧性问题。 2 ) 热膨胀问题9 n i 钢的线膨胀系数较大，在+ 2 0 1 9 6 之间线膨胀系数为 8 0 5 x l o 6 ，。为了减少接头的焊接应力，在选择焊接材料时，必须使焊缝金属与母材的 膨胀系数相接近，不能产生过大的差异。用9 n i 钢所建造的低温设备在服役过程中要发 生热胀冷缩。母材和焊接接头要经历严峻的温度变化的考验。如果焊缝金属的热膨胀系 数和9 n i 钢的热膨胀系数相差太大，而引起较高的交变内应力，最终导致焊接接头疲劳 寿命的缩短。因此，焊缝金属的热膨胀系数应该尽可能的接近9 n i 钢的热膨胀系数。 3 1 电弧磁偏吹问题由于9 n i 钢是一种强磁性材料，极易被磁化，采用直流电源时， 易产生磁偏吹现象，影响焊接工艺的稳定性，直接影响到接头的质量，尽量选用适应交 流电源施焊的焊条或焊丝焊剂。 ( 2 ) 焊接9 n i 钢常用的焊接材料比较和选择 7 ，1 0 ，1 1 ，1 9 , 2 2 - 2 4 1 9 n i 钢的电弧焊中，常用的焊接材料有四种，即与9 n i 钢成分相似的含n i l l 的铁 素体型，含n i l 3 c r l 6 的奥氏体不锈钢型，含n i 约6 0 以上的n i 基型( n i c r - m o 系 合金) 和含n i 约4 0 的f e - n i 基型( f e - n i c r 系合金) 。 1 ) 铁素体型焊接材料铁索体焊接材料成本低，但是并不适于用来焊接现代工业所 要求的大尺寸的容器。该种焊接材料与9 n i 钢具有相似的成分。用该材料焊接9 n i 钢所 得焊缝如果不进行焊后热处理，其低温韧性要低于母材。这除了与焊缝的铸态组织有关 外，主要与焊缝金属中的含氧量有关，焊缝中的含氧量有时可达6 0 0 p p m 。因此，与9 n i 钢同质的1 1 n i 铁素体焊接材料，只有在g t a w 焊时才能获得良好的低温韧性。因为 只有此时才能使焊缝的含氧量降到5 0 p p m 。但是该工艺效率太低，还不能广泛应用于大 型储罐的焊接。铁素体型焊接材料可以成功地应用于9 n i 钢管的s a w 焊生产中，但是， 为了使焊缝得到符合要求的力学性能，需要进行焊后热处理。焊后热处理在大型储罐施 工现场环境下很难实现，甚至是不可能实现的。所以，铁素体型焊接材料仅限于生产效 7 西安石油大学硕士学位论文 率较低的g t a w 焊接方法和能够实现焊后热处理的s a w 焊接方法。 2 ) 奥氏体不锈钢型焊接材料n i l 3 c r l 6 奥氏体不锈钢型焊接材料的强度稍高、 但低温韧性较差、线胀系数与9 n i 钢相差较大，而且易在熔合区出现脆性组织。 采用n i l 3 一c r l 6 型奥氏体不锈钢焊接9 n i 钢时，熔合区的化学成分既非奥氏体钢 也非9 n i 钢的成分，而且c r 、m n 、w 的含量比9 n i 钢高，碳在熔合区偏聚。熔合区的 硬度( 3 6 3 3 8 0 h v ) 明显比焊缝金属的硬度( 2 0 t h v ) 和h a z 的硬度( 3 0 8 3 3 2 h v ) 高，而且 熔合区内的硬度又随所处位置的不同而不同，熔合区焊缝侧的硬度最高，用o k 6 9 4 5 焊 条( 化学成分见表2 3 ) 焊接的试样硬度值达4 8 0 h v ，用t h l 7 1 5 t t w 焊条( 化学成分见表 2 3 ) 焊接的试样硬度值达5 7 6 h v ，说明熔合区焊缝侧存在一个硬脆层。电镜分析确认该 硬脆层的组织是由板条马氏体和孪晶马氏体组成的富合金马氏体。熔合区生成的高硬度 马氏体带，在扩散氢作用下，就会产生冷裂纹。此外由于奥氏体钢焊缝金属的线膨胀系 数较大，易导致h a z 的残余应力高，引起h a z 的韧性降低。 表2 - 39 n i 钢用奥氏体不锈钢焊条的化学成分( 吡幻1 1 0 1 3 ) u i 基和f e - n i 基焊接材料n i 基和f e - n i 基焊接材料的低温韧性良好，线胀系数 与9 n i 钢相近。但是使用这种焊接材料成本高，并且这类高镍焊接材料所得焊缝金属均 为奥氏体，焊缝强度略低于母材。镍基合金焊接材料由于含镍量较高，加上奥氏体焊缝 结晶特点，焊接过程中热裂敏感性很强，更容易出现弧坑裂纹。n i 基合金焊缝金属的熔 点一般要比母材低约1 0 0 1 5 0 ，焊接时熔深较浅，且流动性较差，往往会形成未焊 透缺陷。 在工程实践中，为稳妥可靠起见，通常选用镍基合金焊接材料来焊接低温储罐和压 力容器。对于某些工作条件不太苛刻的焊件，也可选用c r - n i 奥氏体钢焊接材料，但必 须充分评估奥氏体钢焊缝金属较高的线膨胀系数可能产生的各种不利影响。 综上所述，从低温韧性和热膨胀两方面考虑，n i 基和f e n i 基合金是焊接9 n i 钢最 适合的焊材。虽然高镍合金焊材将增加成本，但是使用高镍合金焊材是解决焊接接头性 能和结构完整性等首要问题的最合适的选择。 所以，本文研究中所选用的焊接材料为符合a w sa 5 1 1e n i c r m o 6 要求的u t p s o u d o n e ld 镍基合金焊条和符合a w sa 5 1 4e r n i c r m o 一3 要求的u t pu p 6 2 2 2 m o 镍基合 金