儲罐9%Ni鋼縱縫自動焊接技術應用分析

方玉晨

摘? 要：對比分析目前國內外大型LNG儲罐內罐常見的焊接方式及儲罐現狀，介紹SMAW（Shielded Metal Arc Welding）、FCAW（Flux Cored Arc Welding）及TT焊（TIP-TIG） 的優缺點。根據試驗發現，TT焊工藝對9%Ni鋼焊縫成型好，過渡圓滑、魚鱗紋規則且余高較小，熱影響區寬度小，枝晶分布均勻，焊絲（條）熔敷率高、坡口較多為U型，且通過已在東部沿海某試運行的LNG儲罐可知，其試運行穩定，并已投入使用。

關鍵詞：LNG儲罐；9%Ni鋼；縱縫自動焊；TIP-TIG；焊接技術

中圖分類號：TG457.11? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）10-0059-04

Abstract： The common welding methods and current situation of large LNG storage tanks at home and abroad are compared and analyzed， and the advantages and disadvantages of SMAW（Shielded Metal Arc Welding）， FCAW（Flux Cored Arc Welding） and TT（TIP-TIG） welding are introduced. According to the test， it is found that the TT welding process has good weld shape， smooth transition， regular fish scale pattern and small residual height， small width of HAZ and uniform dendrite distribution. The deposition rate of welding wire（rod） is high， and most of the grooves are U-shaped， and through a trial operation of a LNG storage tank along the eastern coast， its trial operation is stable and has been put into use.

Keywords： LNG storage tank; 9%Ni steel; automatic longitudinal seam welding; TIP-TIG; welding technology

9%Ni鋼是一種能夠在-196 ℃使用的低碳調質鋼，是目前國內外LNG儲罐最常用的內罐建造材料，其焊接工藝關系內罐質量的成敗。LNG儲罐內罐環焊縫焊接長度約占整罐焊縫總長度80%[1]，目前LNG儲罐9%Ni鋼環焊縫已基本實現自動埋弧焊，但縱縫普遍使用的方法仍為手工焊條電弧焊（SMAW），立焊焊縫自動焊工藝仍處于初步應用階段，手工焊工藝，效率低、強度大、成本高及環境差，焊接質量人為因素影響大，不僅增加工程建設過程質量控制難度，更重要的是焊接質量“不穩定”，增大了儲罐的潛在風險。此外，焊條電弧焊工藝產生大量焊接煙塵，給現場施工人員的健康帶來隱患?？v縫自動焊也是制約LNG接收站建設工期的主要原因之一。文中主要針對目前儲罐9%Ni鋼縱縫自動焊接技術進行介紹。

1? 焊接方式及儲罐焊接現狀

常用的焊接方法主要包括焊條電弧焊（SMAW）、熔化極惰性氣體保護電弧焊（GMAW）、埋弧焊（SAW）、藥芯焊絲電弧焊（FCAW）、鎢極氣體保護電弧焊（GTAW）及TIP-TIG 焊。

焊條電弧焊（SMAW）是利用手工操作焊條，用電弧作為熱源熔化焊條和母材而形成焊縫的焊接方法，又稱為手工電弧焊。

熔化極惰性氣體保護電弧焊（GMAW）是用連續等速送進可熔化的焊絲與被焊工件之間的電弧作為熱源來熔化焊絲和母材金屬，形成熔池和焊縫的焊接方法。因其速度和熔敷率，使其易于實現自動化，目前GMAW主要用于LNG儲罐外罐的焊接及內罐部分零件的焊接[2]。

埋弧焊（SAW）是電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法，全稱是埋弧自動焊，又稱焊劑層下自動電弧焊。其機械化高、質量高、勞動條件好及自動化程度高，因此普遍適用于水平或傾斜度不大的焊縫。目前SAW主要用于內罐環焊縫自動焊[2]。

藥芯焊絲電弧焊（FCAW）是指采用氣渣聯合保護，以可熔化的藥芯焊絲作為一個電極，母材作為另一極，電弧熱作用下熔化狀態的焊劑材料、焊絲金屬、母材金屬和保護氣體相互之間發生冶金作用。

鎢極氣體保護電弧焊（GTAW）也稱鎢極氬弧焊，又稱鎢極惰性氣體保護焊（TIG），是一種以非熔化鎢電極進行焊接的電弧焊接法。其焊接質量高、焊接線能量小、熱量集中、成型美觀及易于自動化，但熔敷效率低、生產效率低，難以滿足大型儲罐建設要求[2]。

TIP-TIG 焊即帶振動的熱絲TIG鎢極氬弧焊，是在鎢極氣體保護電弧焊（GTAW）基礎上增加了高頻振動和熱絲的TIP-TIG自動送絲機構，能夠實現自動焊單面焊雙面成型的焊接工藝。TT焊解決了SMAW頻繁更換焊絲的弊端，減少了焊縫接頭數量，在大型LNG低溫儲罐內罐9%鎳鋼的焊接中可以通過兩側同時施焊的方式來進一步提升焊接效率[3]。李連波等[4]通過自主研發的小車進行9%Ni鋼全自動TT立焊焊接工藝，提高了焊接效率，坡口無鈍邊、無間隙組對，焊接性能優良，降低了焊接加工要求，但是也出現了側壁熔合不良、夾鎢等問題需進一步解決。

綜上所述，目前LNG儲罐的焊接方式主要有焊條電弧焊（SMAW）、藥芯焊絲電弧焊（FCAW）及TIP-TIG 焊。因此以下就3種焊接工藝進行討論分析。

2? 優缺點分析及應用

2.1? SMAW缺陷

1）施工工期緊張。以20萬方儲罐為例，內罐建造周期約4個月。

2）作業強度大、弧光傷害重。目前我國從事焊工操作人員約300萬人，年輕一代專業性強、經驗豐富焊接技師緊缺。

3）焊材損耗大。傳統的V型坡口，填充量大，焊材消耗大，30 mm板材焊縫消耗焊材14～15 kg。

4）焊接施工環境影響。內罐施工現場產生的粉塵與噪音污染嚴重，現場風塵同步干擾下，環境惡劣。

5）質量。對焊工技能水平依賴大。

2.2? 縱縫自動焊技術

根據上文分析，目前國內關于LNG儲罐內罐壁縱焊縫自動焊技術主要有2種技術：實芯自動焊（GTAW TT焊）和藥芯自動焊（FCAW）。

GTAW TT焊即TIP-TIG焊，TT焊的焊接材料采用ERNiCrMo-4，其特點為：結合了MIG焊（熔化極惰性氣體保護電焊）和TIG焊（以鎢極作為電極的焊接）的優點，具有MIG焊的焊接效率，實現全自動高頻振動送絲，同時也能給出和TIG焊一樣的焊縫質量和優良的冶金性能、力學性能。GTAW TT焊是一種鎢極氬弧焊，具有單面焊雙面成形的特點。

FCAW是一種氣渣聯合保護的焊接方法，焊縫成形較好，熔敷效率高，焊接過程易于實現自動化。但其電弧穩定性較差，且焊絲制造復雜，成本高，焊接材料采用ERNiCrMo-3，焊絲直徑為Φ1.2 mm。

3? 自動焊工藝技術分析

TT焊采用U型窄坡口，分雙“U”和單“U”坡口2種，對鋼板不平度要求更嚴格，同時在LNG儲罐最上面壁板立縫、LNG儲罐第1圈壁板與邊緣板交接處以上200 mm范圍內、第2圈以上每圈壁板“T”焊縫以上200 mm范圍內不能完全采用自動焊。射線檢驗按照ASTM E 1032執行，力學性能測試按照AWS B4.0執行。

FCAW接頭設計采用雙面V形對接焊接接頭形式，坡口角度α為55～65°，根部間隙L1為2.0～3.0 mm，鈍邊厚度L2為0.5 mm，焊縫余高H為1～3 mm，壁厚厚度L4介于13～27.5 mm之間[5]。性能測試焊接方法為氬弧焊，焊接試驗位置為3G，測試試樣為焊態，按照 AWS A5.14執行。射線檢驗按照 ASTM E 1032 執行，力學性能測試按照 AWS B4.0執行，如圖1所示。

圖1? 雙面V形對接焊接接頭形式示意圖

4? 綜合對比

4.1? 外形對比

從外觀成形看，自動焊正面背面外觀過渡圓滑、魚鱗紋規則且余高較小，SMAW正面及背面焊紋不平整，外觀呈波浪形且余高較大。

4.2 過程功效分析

1）TT與SMAW對比。將TIG熱絲與SMAW 2種焊接工藝從外觀成型、焊縫組織特征、焊接熱影響區的試驗進行對比，TT與SMAW對比結果見表1。

表1? TT與SMAW試驗對比結果分析

2）藥芯氣保焊與SMAW對比。目前國內藥芯氣保焊實例較少，經過對于試板厚度13 mm，1 m的焊縫試驗，藥芯焊絲氣體保護自動焊的焊接效率較手工焊條電弧焊效率提高約50%。

4.3? 人員分析

在實際實踐過程中自動焊工勞動強度低，焊縫外觀成型好，焊縫余高低，打磨量減少，3臺自動焊設備可替代原有8名手工焊工。

4.4? 質量

SMAW與TT的焊縫組織均為奧氏體基體和少量析出相組成。從焊縫成型方面，SMAW焊成型一般，TT焊成型較好，保護不好容易氣孔、未熔合等缺陷，FCAW焊成型好。

4.5 焊絲（條）熔敷率

SMAW焊條熔敷率約55%～60%，TT焊焊條熔敷率約96%～98%，FCAW焊焊條熔敷率約90%～93%。

4.6? 坡口形式

SMAW焊坡口形式要求簡單為V型；TT焊坡口較高為U型；FCAW焊坡口形式要求簡單為V型。

5? 焊接試驗及結果分析

5.1? 試驗材料及方法

試驗模擬施工現場組對進行焊接試驗，材料選用06Ni9DR鋼板，焊材選用ERNiCrMo-4，焊絲直徑為1 mm，性能測試焊接方法為氬弧焊，保護氣體為99.99%Ar，坡口形式為U型坡口，保護氣體流量17～25 L/min，分別選取10 mm及29.6 mm的板材進行試驗，力學性能試驗按照AWS B4.0進行。

5.2 拉伸試驗

每塊試板取2個試樣，拉伸結果如圖2所示，均在母材處韌性斷裂，結果抗拉強度均大于690 MPa，屈服強度均大于400 MPa，見表2。

圖2? 拉伸試樣

以上可以看出，焊接接頭處焊縫抗拉強度不低于母材及焊接熱影響區，滿足標準要求。

5.3 穩定性試驗

采用U型坡口，24 h后進行無損檢測，焊縫表面平整，RT檢測熔合線邊界整齊，無氣孔、夾渣、未熔透現象，打底與熱焊層完成后，進行填充和蓋面，形成穩定焊接工藝參數見表3。

5.4 彎曲檢測

彎曲角度180°，彎心直徑40 mm，每塊試板取4個試樣（圖3），試驗方法根據GB/T 2653—2008/ISO 5173：2000《焊接接頭彎曲試驗方法》，結果根據NB/T 47014—2011（JB/T 4708）《承壓設備焊接工藝評定》及EN 14620-3：2006《ottomed steel tanks for the storage of refrigerated，liquefied gases with operation temperatures between 0 °C and -165 °C- Part 3：Concrete components》 進行評定，見表4。

圖3? 彎曲試樣

從表4數據中可以發現，試樣沿任何方向沒有大于3 mm的任何單一缺陷，彎曲試樣未出現裂口，符合標準要求。

表4? 彎曲試驗數據表

5.5 沖擊檢測

分別在55×10×10 mm試板（圖4）上的焊縫和熔合線進行-196 ℃低溫沖擊試驗，試驗方法采用GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》。沖擊試驗結果見表5，試樣的低溫沖擊功和側向膨脹量均滿足標準要求，沖擊功均值大于等于70 J，且僅允許一個單值小于最小均值但須大于56 J；最小側向膨脹量大于等于0.38 mm。

從表5數據中可以發現，試樣低溫沖擊功和側向膨脹量均滿足要求。

圖4? 沖擊試樣

5.6 硬度檢測

對10 mm和29.6 mm的樣品進行維氏硬度試驗，硬度試樣尺寸和精度滿足GB/T 2654—1989《焊接接頭及堆焊金屬硬度試驗方法》要求，其中測試試驗的位置及數量如圖5所示。

圖5? 維氏硬度測點位置示意圖

從表6中發現，其硬度測試HV10均小于400 HB，焊縫區和母材區硬度相近。

表6? 硬度測試數據表

6? 結論

根據目前國內和國外關于LNG儲罐罐壁縱焊縫自動焊技術的應用情況，TT焊技術因人員少、質量高、焊絲（條）熔敷率高及坡口較高為U型，在推動自動焊技術上具有較大優勢，且相對于FCAW技術，其在國內應用范圍更廣。且TT立焊焊接工藝坡口采用無鈍邊、無間隙組對，降低了坡口加工要求；免除背面氣保護，減少焊接時背面氧化量，減小背面清根量，在重要的低溫沖擊韌性方面具有較大的裕量[4]。

參考文獻：

[1] 郭鷹，楊尚玉，周聰，等.LNG儲罐9Ni鋼環縫TT自動焊焊接工藝[J].電焊機，2022，52（11）：101-106.

[2] 韋寶成，楊尚玉，郭鷹.LNG儲罐9%Ni鋼立縫全自動焊技術[J].電焊機，2020，50（6）：113-116.

[3] 蔡文剛.TIP TIG焊接工藝在LNG儲罐9%鎳鋼焊接中的應用[J].石化技術，2019，26（2）：48.

[4] 李連波，魯欣豫，任勝漢，等.9％Ni鋼全自動TT立焊焊接工藝開發[J].電焊機，2017，47（10）：116-118.

[5] 陳永剛，李廣超，李善亮，等.LNG儲罐內罐9%Ni鋼壁板立向焊縫自動焊工藝[J].油氣儲運，2022，41（4）：438-443.