LNG储罐中9Ni低温钢的焊接 殷瓦合金（invar，也称为殷钢）简介 殷瓦合金（invar，也称为殷钢），是一种镍铁合金，其成分为镍36%，铁63.8%，碳0.2%，它的热膨胀系数极低，能在很宽的温度范围内保持固定长度。艾林瓦合金（elinvar），是一种镍铁铬合金，成分为镍33%～35%，铁53%～61%，铬4%～5%，钨1%～3%，锰0.5%～2%，硅0.5%～2%，碳0.5%～2%，它在相当宽的温度范围内热弹性系数实际上是零（即杨氏模量不变），热膨胀系数也很低。 它是1896年法国物理学家C.E.Guialme发现的一种奇妙的合金，这种合金在磁性温度即居里点附近热膨胀系数显著减少，出现所谓反常热膨胀现象，从而可以在室温附近很宽的温度范围内，或很小的甚至接近零的膨胀系数，呈面心立方结构，其牌号为4J36，它的中文名字叫殷钢，英文名字叫因瓦合金( invar) ，意思是体积不变 。 一般来说，绝大多数金属和合金都是在受热时体积膨胀，冷却时体积收缩，它们的热膨胀系数呈线性增大，但是元周期表中的铁、镍、钴等过渡族元素组成的某些合金，由于它们的铁磁性，在一定的温度范围内，热膨胀不符合正常的膨胀规律，具有因瓦效应的反常热膨胀，也就是说它的机理与化学成分及磁性有关。 殷瓦钢的特殊性质决定了它是船舶工业中制造大型LNG船舶必不可少的材料，用于防止船体结构在超低温环境下冷裂。而且殷瓦钢极为娇贵，0.7mm厚的殷瓦钢，空手摸一下，24小时就会锈穿，所以在焊接过程中必须极为小心！所以在殷瓦钢的焊接过程中，需要焊工中最高级别，即G级的高级焊工在佩戴专用羊皮吸汗手套在极其艰苦的环境下进行。 9Ni钢简介 9Ni钢是1944年开发的W(Ni)一9%的中合金钢，由美国国际镍公司的产品研究实验室研制成功，它是一种低碳调质钢，组织为马氏体加贝氏体。这种钢材在极低温度下具有良好的韧性和高强度，而且与奥氏体不锈钢和铝合金相比具有热胀系数小，经济性好，使用温度最低可达一196℃，自1960年通过研究证明不进行焊后消除应力热处理亦可安全使用以来，9%Ni钢就成为用于制造大型LNG储罐的主要材料之一。钢的主要特点是高镍含量、高纯净度、较高强度、高的低温冲击韧性、良好焊接性能。通过研发，钢材可以达到以下性能指标: 9Ni钢:ReH≥585MPa，Rm = 680~820MPa，A≥18%，-196℃，AKv(T)≥150J，AKv(T)≥80J(欧盟标准)。 9Ni钢主要用于制造液化天然气(LNG)储罐和运输船舶，最低使用温度可达-196℃，其强度高、低温韧性优异、焊接性能良好，是深冷环境下使用的韧性最好的材料。 天然气的液化温度为-162℃，液化后的天然气（简称LNG）体积为气态的1/600，这就使得对LNG储罐的材质要求较高，目前常用于LNG罐的材料主要有9Ni钢、5Ni钢、奥氏体不锈钢和铝镁合金钢等，而9Ni钢以其强度高、易于加工和焊接性能优良等优势，被广泛用于LNG储罐设备中。 1952年世界上第一台9Ni钢储罐在美国投入使用，1960年通过研究证明，不进行焊后消除应力热处理亦可安全使用，自此9Ni钢就开始成为用于制造大型低温储罐的主要材料之一。1969年日本建造的第一台LNG储罐最大罐容已达20×104m3。2004年，我国首个大型LNG低温储罐项目在广东大鹏开工，以及后来的福建、大连、宁波等地筹建的LNG项目都采用了9Ni钢材料。 9Ni钢是典型的低碳马氏体钢，本身耐低温（-196℃，LNG储罐设计温度-162℃）。它的低温力学性能主要取决于其化学成分，尤其是Ni和C的含量，此外9Ni钢的韧性还取决于钢的纯净度及显微组织。从化学成分上看，其Ni含量较大，因此具有一定的淬硬性。含碳量降低可以使回火马氏体中碳化物的析出大大减少，从而改善低温韧性，而碳含量过高则会导致焊接性能和冷脆性能严重恶化。因此，在合金化过程中，要严格控制C的含量，使其保持在低碳范围内，同时，P、S、Mn、Mo、Cr等合金元素的含量也要控制在较低范围内。 迄今为止，9Ni钢在LNG设备中的应用已有近60年的历史，随着世界经济和贸易的飞速发展，液态天然气已经成为世界油气工业的新热点。为促进能源供应多元化和改善能源消费结构，海洋石油工程股份有限公司对LNG产业的发展越来越重视，投入了大量的人力、物力，已迅速在本领域取得一席之地，然而LNG储罐的施工也必然需要解决一系列的技术问题。针对LNG低温储罐9Ni低温钢材料的特点以及在焊接过程中容易出现的冷裂纹、热裂纹、低温韧性降低、电弧磁偏吹等问题开展的研究分析表明，9Ni钢在焊接施工中要达到理想的施工效果可采取下列主要控制措施： （1）选择低氢、低碳的焊接材料，使焊材与母材在室温和高温下的线膨胀系数基本相近，从而避免因不均匀的热胀冷缩造成的热应力。 （2）施焊前，利用有机溶液清洗或打磨的方法，对焊接坡口表面进行清理；环境温度低于5℃时，焊接前必须对母材进行预热处理；焊材严格按照要求保存，随取随用，严禁长期暴露在空气中。 （3）正确选择焊接材料，选择高Ni的焊材，焊接时虽然通过高温损耗和母材对焊缝金属的稀释，仍有足够高的奥氏体组织，避免熔合线出现脆硬马氏体带。 （4）严格控制线能量，一般控制在0.7～3.0kJ/mm，尽量采用较小的热输入焊接。 （5）母材在加工运输中避免与磁性材料接触，如仍有剩磁，焊前应对9Ni钢进行消磁处理，确保母材的剩磁量在要求值之内。 |
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