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9Ni鋼低溫儲罐焊接工藝研究

文檔作者：蔡國強江強顧福明杜偉國倪家利姚網(wǎng) 文檔來源： 1．上海市安裝工程有限公司 2．上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月28日
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9Ni鋼低溫儲罐焊接工藝研究★
口蔡國強 口江強 口顧福明 口杜偉國 倪家利 口姚網(wǎng)
1．上海市安裝工程有限公司 上海200080
2．上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院上海200062
摘要：分析了9Ni鋼低溫容器的焊接特點，認(rèn)為解決焊接過程中的裂紋傾向、低溫韌性的下降和磁化是低溫容器制
造的關(guān)鍵。試驗研究了埋弧焊的焊接工藝，結(jié)果表明采用ERNiCrMo一3、ERNiCrMo一4焊絲、相應(yīng)的焊劑和合適的焊接規(guī)范
能得到合格的焊接接頭，并能實現(xiàn)自動焊接。手工焊條電弧焊的工藝評定結(jié)果表明所選擇的焊接規(guī)范是可行的，為9Ni鋼
低溫容器的焊接制造提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：9Ni鋼焊接工藝規(guī)程
中圖分類號：TC,44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000—4998(2008)07—0035—03
9Ni鋼自上世紀(jì)40年代開發(fā)以來，由于強度高、低
溫韌性好、成本比Ni—Cr不銹鋼低，而逐漸被廣泛應(yīng)
用。1950年初被列入ASTM 標(biāo)準(zhǔn)，1977年被列入JIS標(biāo)
準(zhǔn)。美、法、日等國先后用該鋼種建造了不少儲罐和容
器。1982~z后，9Ni鋼已經(jīng)逐漸取代了Ni—Cr不銹鋼，成
為低溫儲罐的主材。目前世界上建造的9Ni鋼儲罐越
來越多，由此可見，9Ni鋼已是國際上廣泛使用的鋼
種，其焊接性能良好，焊接212藝越來越完善。
1985年和1987年，國內(nèi)從法國引進(jìn)9Ni鋼球罐。
1994~z底，中國石化揚子石化公司開始自己安裝第一
臺9Ni鋼低溫儲罐，國內(nèi)就開始了9Ni鋼低溫儲罐的焊
接制造。國內(nèi)已經(jīng)有很多地區(qū)及單位，開始或完成了
9Ni鋼的焊接工藝評定工作，并已應(yīng)用到實際制造中。
1 9Ni鋼焊接問題分析
9Ni鋼在焊接冶金反應(yīng)和熱循環(huán)的作用下，其組
織和成分會改變，產(chǎn)生脆性相，低溫性能下降，冷、熱裂
紋傾向增大。9Ni鋼的裂紋傾向、低溫韌性的下降和磁
化問題是低溫儲罐焊接中必須解決的三大難題。
1．1 冷裂紋、熱裂紋
冷裂紋的產(chǎn)生有三方面的原因：
1)熔合區(qū)出現(xiàn)硬化層。9Ni鋼本身含碳量不變(≤
0．10)，焊接時本不會產(chǎn)生硬化組織，但如選用含碳量
高的焊材就會因熔合、擴(kuò)散使熔合區(qū)含碳量增高而產(chǎn)
生硬化層。而選用含碳量不高于母材的焊條就可避免
出現(xiàn)硬化層。有關(guān)文獻(xiàn)介紹，焊接時焊材應(yīng)用焊絲ER—
NiCrMo3、ERNiCrMo4、焊條ENiCrMo一6，這些鎳合金焊
接材料含Ni量高達(dá)55％ ～66％ ，含碳量與9Ni鋼相
同，均為低碳型，雖對母材有稀釋作用，但仍有足夠高
★上海市科委課題資助項目(編號：043012012)
收稿El期：2008年3月
機(jī)械制造46卷 第527期
的奧氏體元素，避免熔合線出現(xiàn)硬脆的馬氏體帶，從而
降低9Ni鋼焊縫的冷裂紋傾向。
2)氫在硬化層中積聚。氫的積聚是由于焊縫坡口
附近不潔(有水、油和有機(jī)物)，及焊條擴(kuò)散氫含量高所
致。保持坡口清潔并選用低氫焊條，注意焊條、焊劑的
烘干、保管，就完全可避免氫的積聚。
3)焊接接頭應(yīng)力包括組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和拘束應(yīng)
力。選用低含碳量的焊材，可避免出現(xiàn)硬化組織，就不
會產(chǎn)生過大的組織應(yīng)力，控制層間溫度及選用線能量
較小的焊接規(guī)范，可控制熱應(yīng)力，合理的組對安裝和焊
接順序可減小拘束應(yīng)力，這樣就控制了冷裂紋的產(chǎn)生。
熱裂紋的產(chǎn)生與焊縫金屬結(jié)晶過程中的低熔點雜
質(zhì)偏析的數(shù)量及分布有關(guān)，液體金屬結(jié)晶過程越長，偏
析越嚴(yán)重。偏析產(chǎn)生的低熔點雜質(zhì)．4-j'-布在晶界上，尤其
在純奧氏體組織中，雜質(zhì)在晶界上的分布是連續(xù)的。避
免熱裂紋的辦法應(yīng)是選用熔化溫度區(qū)間范圍小的焊接
材料。
1．2 低溫韌性的降低
低溫韌性降低的原因有兩個方面：
1)焊接材料的影響。如果焊材含碳量過高，或Ni、
cr當(dāng)量搭配以及焊材與母材熔合后的Ni、Cr當(dāng)量搭配
落在不銹鋼組織圖中含馬氏體的區(qū)域內(nèi)，都會引起低
溫韌性下降。為了保證焊縫的低溫韌性，采用的焊接材
料的含鎳量應(yīng)在55％ 以上。焊縫金屬組織均為奧氏體組
織，具有良好的低溫韌性。為保證熔合區(qū)的低溫韌性，采
用焊材的含碳量與9Ni鋼相同。含Ni量高達(dá)55％ 以上，
可有效阻止碳遷移，避免熔合區(qū)產(chǎn)生脆性組織，
2)焊接線能量和層間溫度會改變焊接熱環(huán)的峰值
溫度，從而影響熱影響區(qū)的金相組織，峰值溫度高會產(chǎn)
生粗大的馬氏體和貝氏體，從而使低溫韌性下降。因
此，在焊接中必須控制線能量和適當(dāng)?shù)膶娱g溫度，并采
2008／7 畫
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用多道焊，以減少高溫停留時間來保證熱影響區(qū)的低
溫韌性。有關(guān)文獻(xiàn)介紹，焊接9Ni鋼的線能量應(yīng)為7～
35 J／em，層間溫度應(yīng)在IO0~C以下。
1．3 磁4匕
9Ni鋼是一種磁化傾向較強的材料，在加212及運
輸過程中可能被磁化。當(dāng)用直流焊機(jī)焊接時，可能會被
進(jìn)一步磁化，導(dǎo)致電弧磁偏吹，使焊縫產(chǎn)生各種缺陷，
甚至無法正常施焊?？朔牌档耐緩?，一是對母材進(jìn)
行消磁處理，二是將永久磁鐵放在坡口兩側(cè)，以抵消母
材的磁場，三是選用交流焊接，資料表明，采用交流焊
接對克服磁偏吹是行之有效的，這樣就能使焊接質(zhì)量
和施212212期都有保證，但是，為了使電弧能穩(wěn)定燃燒，
焊機(jī)應(yīng)具有較高的載電壓。
2 工藝試驗
由于9Ni鋼儲罐的容積大，焊
接工作量也較大，因此，我們考慮
采用埋弧自動焊接(SAW)與手工
焊條電弧焊(SMAW)同時在實際
制造中使用，焊接工藝評定試驗也
分為焊條電弧焊和埋弧自動焊。
2．1 9Ni鋼材料和坡口形式
試驗所選用的9Ni鋼為美國
(AsTM)A353，供貨為正火+正火
+回火(以下簡稱NNT)~ 態(tài)，第一
次正火為900~C空冷，第二次正火
為780℃ 空冷，回火溫度為580℃ 。
回火后空冷，NNT處理后的組織為
馬氏體+貝氏體，因此，具有較好
的低溫沖擊韌性。試驗所用鋼材的
表1 9Ni鋼板的化學(xué)成分
成分 C M13 P S Si l Cu I Ni l Cr I M。l Fe 1
百分比 0．03l 0．6l 0．o04 0．0o05 0．226 1 0．05 l 9．139 l 0．04 1 0．015 I余量
表2 9Ni鋼板的機(jī)械性能
I 項目 R屈服強度 抗拉強度 伸長率 沖擊韌度
p0．2％ ／MPa R ／MPa A／％ Ak／J【(10×10)(T：一196。C)】
I 數(shù)值 68l 715 42 178 200 200
表3 ERNiCrMo．3的化學(xué)成分
l成分l C l Si l Mn l P l S I Cr I M。l Ni I Nb l
l百分比1 0．01 1 0．05 0．01 l 0，003 0．001 22．20 8．67 63．30 3．62 0．191
表4 ERNiCrMo-4的化學(xué)成分
表5 ENiCrMo．6的化學(xué)成分
I成分 C si M13 P S I Cr I M。l Ni I Nb l Fe
l百分比 0．066 0．18 3．7l 0．0ll 0．004 l l4．4l l 5．21 I 69．90 I 1．12 I 4肼
化學(xué)成分和機(jī)械性能，見表1和表2，焊接坡口形式如圖
1，焊接試驗所用鋼材的厚度為l2 mm，其中圖1(a)為
手工焊條電弧焊所用的坡口形式，圖1(b)為埋弧自動
焊所用的坡口形式。
2．2 所選用的焊材
根據(jù)上述的分析，埋弧自動焊選用的焊材為ER．
NiCrMo一3和ERNiCrMo．4，焊條電弧焊所用的焊材為
ENiCrMo一6，焊材的化學(xué)成分見表3、表4、表5，焊材由蒂
森公司提供，焊絲直徑1．6 mm，焊條直徑分別為2．5
mm 和3．2 mm。
2．3 焊接規(guī)范
無論是焊條電弧焊還是埋弧自動焊都采用交流焊
方法，焊接試驗的具體參數(shù)見表6、表7、表8，所有焊接
試驗都是橫焊位置。
3 焊接試驗及評定的結(jié)果
2oo8／7
表6 ERNiCrMo．3的焊接規(guī)范
焊道 焊接 焊接電流 焊接電壓 焊接速度 電流類型
方法 ／A ， ／(cm·rain )
l SAW l90—250 27—30 40～48 交流
2～4 SAW 200～280 28～3l 40～50 交流
5～6 SAW 220～300 28—3l 45—55 交流
表7 ERNiCrMo．4的焊接規(guī)范
焊道 焊接 焊接電流 焊接電壓 焊接速度 電流類型
方法 ， ， ／(cm·min )
l SAW 300—360 26～30 45～50 交流
2—4 SAW 320～380 28—3l 38—45 交流
5—6 SAW 300—360 28—3l 45—55 交流
在焊接試驗和工藝評定時，采用jB47o8~ 準(zhǔn)，對
試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測，其評定結(jié)果見表9；針對試樣
的母材、熱影響區(qū)和焊縫金屬在顯微鏡下進(jìn)行組織觀
察檢測，結(jié)果見表10；工藝評定試驗中，在顯微硬度計
上測量了9Ni鋼焊接接頭的小負(fù)荷維氏硬度，表11為
機(jī)械制造46卷 第527期
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表8 ENiCrMo．6的焊接規(guī)范
焊道 焊接 焊接電流 焊接電壓 焊接速度 電流類型
方法 ， ／V ／(cm·min )
1 SMAW 85～100 21～23 7～8 交流
2～4 SMAW 140—16O 23～27 9～15 交流
5～6 SMAW 13O～16O 22～26 12～17 交流
表9 焊接接頭的力學(xué)性能
熱影響區(qū)硬度較高。為了保證焊接質(zhì)量，9Ni鋼焊接時
還必須注意焊接材料的烘干；嚴(yán)格控制焊接熱輸入，即
控制焊接電流、電壓及焊接速度；保證定位焊縫的質(zhì)
量，定位焊長度應(yīng)>50 mm，焊正式焊縫之前應(yīng)檢查定
位焊縫，若發(fā)現(xiàn)裂紋要處理；嚴(yán)禁q~E9Ni鋼母材上隨意
打弧、點焊；對所有弧坑和接頭處必須打磨清理。
拉伸試驗 彎曲試驗(180。) 缺口韌性試驗(J) 一196。c 10×10)
序號 焊接方法 焊接材料 R ／MP
a 面彎 背彎 焊縫 熱影響區(qū)
1 SAW ERNiCrM0．3 735 735 合格 合格 11O 99 I 98 125 139 246
2 SAW ERNiCrMo-4 715 71O 合格 合格 l12 118 I 113 147 128 125
3 SMAW ENiCrMo一6 730 7o0 合格 合格 85 87 I 93 169 201 194
表1O 焊接接頭的金相組織
序號 焊接方法 焊接材料 母材 熱影響區(qū) 焊縫
1 SAW ERNiCrMo．3 貝氏體+馬氏體 貝氏體+馬氏體 奧氏體．里樹狀分布
2 SAW ERNiCrMo一4 貝氏體+馬氏體 貝氏體+馬氏體 奧氏體，里樹狀分布
3 SMAW ENiCrM0—6 貝氏體+馬氏體 貝氏體+馬氏體 奧氏體，呈樹狀分布
表11 焊接接頭的硬度(HV0．5)
序號 焊接方法 焊接材料 母材 熱影響區(qū) 焊縫
SAW ERNiCrM0．3 247 243 248 272 267 267 225 229 223
1 SAW ERNiCrM0—3 318 319 323 235 234 229
SAW ERNiCrMo一3 318 313 325 198 192 209
SAW ERNiCrMo．4 235 240 237 305 307 287 208 200 205
2 SAW ERNiCrM0．4 253 256 256 193 191 192
SAW ERNiCrMo 4 313 315 319 214 200 195
SMAW ENiCrMo 6 230 232 248 336 336 330 238 243 249
3 SMAW ENiCrM0．6 250 247 240 205 206 199
SMAW ENiCrM0．6 324 319 334 232 238 231
焊接接頭的硬度測量結(jié)果。 1
上述表中可以表明，采用ERNiCrMo．3、ERNiCr-
Mo—4及相應(yīng)的焊劑，只要焊接規(guī)范合適，就能實現(xiàn)自動 2
焊接，并能保證合格的焊接質(zhì)量，采用焊條ENiCrMo一6
對9Ni鋼焊接試板，工藝評定合格并符合要求，表9表 3
明三種不同的工藝評定試驗，其拉伸試驗值和缺口韌
性試驗值都符合材料標(biāo)準(zhǔn)的要求，表10表明三種不同4
的-!-藝評定試驗，其接頭的母材、熱影響區(qū)和焊縫的組
織分別相同，即母材為貝氏體+馬氏體、熱影響區(qū)為貝
氏體+馬氏體、焊縫為奧氏體，表11表明三種不同的工
藝評定試驗，其硬度分布基本相同，焊縫區(qū)硬度較低，
促進(jìn)“
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4 結(jié)論
1)用埋弧橫焊采用
ERNiCrM o-3 、ERNiCrM o一4
焊絲和相應(yīng)的焊劑，采用
合適的焊接規(guī)范能得到合
格的焊接接頭，能實現(xiàn)自
動焊接。
2)手工焊條電弧焊的
工藝評定結(jié)果表明所選擇
的焊接規(guī)范是可行的，焊
接要注意引弧、點焊和弧
坑的要求。
3)9Ni鋼低溫儲罐焊
接中主要問題是裂紋傾
向、低溫韌性的下降和磁
化，如采用合適的焊接方
法、焊接材料和-!-藝規(guī)范
就能成功地解決上述困
難，為大型低溫儲罐焊接
提供了技術(shù)支持。
參考文獻(xiàn)
宋立群．9Ni鋼1萬m’乙烯低溫儲罐的焊接【J】_石油工程建
設(shè)，1996，(5)：29—36．
梅嘩．9Ni鋼10 000 m’乙烯低溫儲罐焊接技術(shù)【J】_化工建設(shè)
工程，2002，24(5)：10—13．
劉祥儒．9Ni鋼低溫儲罐焊接施工經(jīng)驗與工藝問題探討【J】_
石油工程建設(shè)，1997，(5)：14—18．
Hyung-Seop Shin，Hae—Moo Lee，Moon—Saeng Kim．Impact Ten—
sile Behavior of 9％ Nickel Steel at Low Temperature【J】．International
Journal of Impact Engineering，2000，24：57 1—581．
△
(編輯 功成)
以科技創(chuàng)新為推動力
中國制造"走向“中國創(chuàng)造" 《機(jī)械制造》雜志社
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