PDF《9Ni 钢焊接技术研究》

第二节 9Ni 钢焊接技术研究的意义 LNG 贮罐材料通常为低温钢(9Ni) ,属耐低温合金钢,本身耐低温-196℃(LNG 储罐设计温度-170℃) .与普通碳钢比,9%镍钢在低温状态下具有抗冲压性能强、 低温韧性好的特点,但其材质本身又具有易磁化、难消磁的缺陷,对焊接工艺的要求 极为严格.

第二章 9Ni 钢材料性能

第一节 9Ni 钢组织成分 9Ni钢是1944年开发的含9Ni%的低碳钢,始创于美国国际镍公司的产品研究试验 室,使用温度最低可达-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,9Ni钢就成为用于制造大型低温贮罐的主要材料之一. 9Ni钢在ASME标准为A353,其组织取决于热处理方法,9Ni钢的热处理方法一般可 分为二次正火+回火(NNT)和淬火+回火(QT)两种.供货状态为:第一次正火 900℃空3冷,第二次正火 790℃空冷.双正火细化了晶粒.回火 550℃~580℃后急冷,经双正 火和回火后的组织是回火马氏体与贝氏体;

在回火处理中重新形成少量的奥氏体,这 种奥氏体由于碳化物的溶入而导致含碳量增高,使Ms 和Mf 点向更低的温度方向移动, 表现为低温时极为稳定,且不容易发生相变.所以,9 Ni钢的良好低温韧性除化学成 分之外, 在很大程度上依赖于恰当的热处理规范的选择其组织具有良好的低温韧性和 断裂韧度,在低温下-196℃组织稳定,不发生影响力学性能与物理性能的相变,可 焊性良好,在LNG和液氮等领域广泛使用. 关于这种钢材,1956年初列入ASTM标准,1977年列入JIS标准.在此期间,美、 法、日本及阿联酋等国先后用该钢种建造了不少储罐和容器.1982年后,9Ni钢已经 成为低温储罐主材,逐渐取代了Ni-Cr不锈钢,早在1997年时世界上已建的最大9Ni 钢储罐容积就达到140000m

3 .由此可见,9Ni钢已是国际上广泛使用的钢种,其焊接 性能良好,焊接工艺已臻成熟. 近年来.天热气作为高热值、无硫份的清洁能源正在受到人们的欢迎,使用量 逐年增加.因此,相应的液化天然气(LNG)贮罐在世界各地也被大量地制造.作为LNG 主要成份的甲烷.沸点是-161.5℃,能够在该超低温下安全使用的材料有9Ni钢.铝 合金、奥氏体不锈钢及镍合金等.上述几种使用材料中,9Ni钢以其强度高、易于加 工和焊接性优良等优势,被广泛用LNG储罐设备中.1952年,第一台9%Ni钢储在美国 投入使用. 1969年, 日本在根岸采用手工电弧焊法建造了国内第一台9Ni钢制LNG储罐, 随后又将自动焊用于9Ni钢LNG储罐上.到目前为止,9Ni钢在LNG设备中的应用已有40 多年的历史.

第二节 9Ni 钢的化学成份和机械性能

1、9Ni 钢的化学成份 化学成分 钢号 C%<

0.13 Mn%<

0.90 Si% 0.15~0.40 S%<

0.035 P%<

0.035 N% Al% Cu%<

0.40 Cr%<

0.30 Ni% 8.50~9.50 0.05 0.48 0.27 0.003 0.010 0.005 0.021 0.02 0.03 8.86 Nb%<

0.02 Mo%<

0.12 V%<

0.03 Sn% 9Ni 0.00 0.06 0.01 0.00

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2、各合金元素的作用 元素种类 影响效果 Cr 稳定化元素,含量在 11%以上时,会生成稳定钝化膜,有助 于抵抗高温氧化、酸腐蚀 Ni 稳定化元素,减轻脆性并改善机械性能,增强耐酸能力 C 碳化物析出会造成孔蚀,一般控制0.18% 日本焊接 学会 Ceq=C+ Mn/6+Si/14+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 强度级别较高的低合金高强钢 (500~1000MPa),调质非调质 均可C%>

0.18% 日本的伊 藤等 Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+ V/10+5B 强度级别为400~900MPa低合金 高强钢C%≤0.17% 日本的铃 木等 CEN=C+A(C)[Si/24+Mn/16+Cu/15+Ni/20+(Mo+Cr+V +Nb)/5+5B] 式中:A(C)-碳的适应系数 A(C)=0.75+0.25tgh[20w(C)-0.12] 含碳量0.034%~0.254%的低合 金高强钢 日本的伊 藤等 Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/5+V/10+2 3B 式中: B*=B(总量) -10.8/14.1{N(总量) -Ti/3.4} N≤Ti/3.4时, B*=B(总量) 低碳微合金化(Mo,V,Ti,Nb,B 等)的控轧钢和细晶粒钢 9Ni钢w(C)为0.05%,因此采用CEN碳当量计算公式,含碳量允许范围较宽w(C) =0.034~0.254%,具体如下: 式中A(C)DD碳的适用系数 A(C)=0.75+0.25tanh[20(W(C)-0.12)]式中tanh双曲线正切函数. A(C)=0.75+0.25*tanh(20*(0.05-0.12)=0.56 CEN=0.05+0.56*(0.27/24+0.48/16+0.02/15+8.86/20+0.1/5) CEN=0.333 根据 JGJ81-2002 规定:钢材碳当量小于 0.38,焊接难度一般;