1、9Ni鋼10000m3乙烯低溫儲罐焊接技術梅 曄（中化工程第六建設公司，湖北襄樊，441021 ）為了適應乙烯原料供應日益市場化、國際化的趨勢，錦豐乙烯有限公司在渤海之濱的錦州港內投資新建了一套乙烯倉儲中轉裝置。其中，9Ni鋼制作的1萬m3雙層夾套結構乙烯低溫儲罐是工程的核心和難點。1980年我國曾從法國引進7臺同類材料的球罐，1995年首次建造同類型大型低溫貯罐，錦豐儲罐為目前國內的第三臺（見表1）。針對9Ni鋼焊縫易產生冷熱裂紋、低溫韌性下降和焊接電弧磁偏吹三大技術難題，在總結以往經驗教訓的基礎上，我們逐漸摸索出了一套焊接施工方法，保證了工程焊接質量和進度，達到了滿意的效果。表1 國內現有

2、三臺低溫貯罐概況 項 目序 號施工地點建設單位施工單位儲存介質內罐材料外罐材料懸浮甲板材料1南京揚子石化公司中石化二公司乙烯Ni9鋼A283（其中一帶壁板與底板為Ni9鋼）鋁板2上海金山石化公司中石化二公司液化氣Ni9鋼混凝土Ni53錦州錦豐乙烯有限公司中化六公司乙烯Ni9鋼國產16Mn鋼Ni9鋼1 工程概況及主要施工方法 錦豐1萬m3乙烯低溫儲罐是德國喬特波氣體工程公司（以下簡稱TGE）設計、監造，設計工作溫度-106。罐體分內、外兩層，外罐包括罐壁板、底板、球形拱頂結構及球殼板，均采用國產16Mn鋼制造。內罐（包括壁板和底板）和懸浮甲板采用9Ni鋼制作，內罐壁板共9帶，其中壁厚8.5mm、

3、7.5mm、6.5mm壁板各1帶,壁厚6.4mm壁板6帶,并有6道8.5mm9Ni鋼,加強圈布置于罐內壁,見圖1；內罐底板為5.0mm厚的9Ni鋼,邊緣板厚度8.5mm；懸浮蓋板為5.0mm厚9Ni鋼制成,并有三圈9Ni鋼加溫筋，厚度為20mm、10mm。 設計選用的9Ni鋼為美國（ASTM）A353，供貨為狀態正火+正火+回火（以下簡稱NNT），第一次正火為900空冷，第二次正火為780空冷，回火溫度580，回火后急冷，NNT處理后的金屬組織為馬氏體+貝氏體，因此具有較好的低溫沖擊韌性。 現場組對過程中，內、外罐底板均用散裝拼焊法配合防變形措施，外罐壁板采用液壓頂升倒裝法，內罐壁板為正裝法。

4、在內罐9Ni鋼焊接施工中，以強化材料管理為基礎，采取嚴格的工序控制，針對影響9Ni鋼焊接質量的諸因素，采取措施改善焊接條件，提高焊接質量。9Ni鋼焊接工序控制流程見圖3。1、 無損檢驗2、 總體試驗3、 產品試車檢驗1、 主材管理2、 焊接材料管理1、 技術準備2、 方案選定3、 工機具準備焊接質量檢驗焊接現場管理材料現場管理焊工培訓與考試焊接工藝評定準備工作 圖3 9Ni鋼焊接工序控制圖2 施工前準備工作2.1 9Ni鋼焊接質量影響因素的確定2.1.1 9Ni鋼在NNT供貨狀態下具有較好的低溫性能，但在焊接冶金反應和熱循環的作用下，熔合線的成分及熱影響區的組織均將發生變化，破壞了材料的原始熱

5、處理狀態，使低溫性能下降，脆性組織生成，呈現較大的冷裂傾向。2.1.2 由于焊縫金屬中奧氏體幾乎占100%，無第二相存在，因此抗熱裂紋能力較差；2.1.3 9Ni鋼磁化傾向較大，電弧的磁偏吹將嚴重影響焊接質量，甚至會影響焊接的正常進行。因此，焊接金屬和母材的冷熱裂紋傾向，焊接冶金反應和熱循環造成的低溫韌性下降以及母材的磁化傾向諸因素，是影響9Ni鋼焊接質量的主要原因，國內施工單位，缺乏使用經驗，制約了9Ni鋼的推廣應用。2.2 9Ni鋼焊接缺陷的預防方案2.2.1 冷熱裂紋傾向的預防專業理論認為，冷裂紋產生的原因是應力、淬硬組織和焊縫金屬擴散氫含量；熱裂紋的產生則與應力、雜質和化學成分有關。有

6、關專家曾對不銹鋼焊條，如TH17/15TTW與ENiCrMo-6鎳合金焊條焊接9Ni鋼后的裂紋傾向進行比較，發現ENiCrMo-6鎳合金焊條具有如下特點：（1） ENiCrMo-6焊條中的鎳合金與9Ni鋼在室溫和高溫下的線脹系數基本相近，從而避免因不均勻的熱脹冷縮造成的熱應力；（2） ENiCrMo-6鎳合金焊條中含Ni量高達55%-66%，含碳量與9Ni鋼相同，均為低碳型，考慮母材對焊縫金屬的稀釋作用，仍有足夠高的奧氏體組織避免熔合線出現硬脆馬氏體帶；（3） ENiCrMo-6鎳合金焊條具有低碳性（含碳量保持在0.05%左右，在Fe-C狀態圖中處于很小的“脆性溫度區間”）以及高純度（含S0.

7、03%,P0.02%）,低含氫量等特性。 由此可見，ENiCrMo-6鎳合金焊條的使用可提供降低9Ni鋼焊縫冷、熱裂紋傾向的基本條件。同時說明，在嚴格控制擴散氫含量的條件下，選用ENiCrMo-6鎳合金焊條可基本避免9Ni鋼的焊接冷、熱裂紋傾向。2.2.2 接頭部位低溫韌性的保證焊接接頭包括焊縫、熔合區和熱影響區，采用ENiCrMo-6鎳合金焊條焊接9Ni鋼時，每個區域的化學成分和金相組織各不相同。其中焊縫金屬為奧氏體組織，具有良好的低溫韌性；在熔合區由于焊條的含碳量與9Ni鋼相同，含Ni量高達55%以上，可有效阻止碳遷移，避免熔合區產生脆性組織，從而保證熔合區低溫韌性；熱影響區，在1100以

8、上峰值溫度的熱循環作用下，會產生粗大的馬氏體和貝氏體組織，逆轉奧氏體減少，使低溫韌性下降。因此，盡量控制線能量并采用多道焊，以減少高溫停留時間。另有資料表明，9Ni鋼的低溫脆性轉變溫度VTrS隨焊接接頭（540）的冷卻速度WC的增大而下降，見圖2。 由此可見，采用ENiCrMo-6鎳合金焊條焊接9Ni鋼時，焊接接頭的低溫韌性主要取決于焊接熱輸入和焊縫金屬結晶過程的冷卻速度。2.2.3 焊接電弧磁偏吹的清除9Ni鋼是一種磁化傾向較大的材料。由于電弧是一種離子流，鋼材的磁性會造成電弧的磁偏吹，并將嚴重影響焊接質量，造成未焊透，未熔合，夾渣、氣孔等缺陷，嚴重時甚至無法施焊。國外使用直流焊機焊接磁化傾

9、向較大的鋼材時，先要用幾組磁鐵消磁，既麻煩，又增加成本影響工期。使用交流焊機時，由于電流方向每秒變換100次，避免了電弧的磁偏吹現象。ENiCrMo-6鎳合金焊條藥皮屬于交直流兩用型，可以使用交流焊機，但為了保證電弧穩定燃燒，焊機必須具有較高的空載電壓。3 焊接工藝評定錦豐9Ni鋼乙烯低溫儲罐施工，與A353鋼有關的工藝評定包括：A353與A353、A353與A312TP304兩項，前一項用于壁板焊接，后一項為接管與下層壁板及接管加強板焊接。9Ni鋼乙烯低溫儲罐的設計和施工采用的規范為API620，焊接工藝評定標準選用ASME第IX篇，在平、立、橫、仰四個位置中，立焊位置（3G）的輸入熱最大，

10、低溫沖擊性能最差，因此用立焊作為評定位置，評定結果見表3。表3 A353鋼材焊接工藝評定結果母材板厚焊條焊接規范RT接頭機械性能方法電流（A）電壓（V）速度（cm/min）輸入熱KJ/cmASME-Vb（Mpa）縱向彎曲VEK（J）(-196）A353標準690825180°14A353+A3536.4ENiCrMo-6 2.6手工立焊3層407020245.26.89164張合格690710面彎背彎45 46 52 53 52 48A353+A35310ENiCrMo-6 3.2手工立焊3層609020245.47.510214張合格730733面彎背彎72 68 63 64 78

11、 68A353+A312TP30410ENiCrMo-6 2.6手工立焊3層609020245.57.210194張合格650650面彎背彎46 54 53 66 65 62 130 106118工藝評定中,對A353鋼的焊接進行了金相檢驗和硬度測定,當E值為1019KJ/cm時,焊縫和熔合區為奧氏體組織,熱影響區主要為馬氏體+少量貝氏體,母材為馬氏體+彌散奧氏體,見表4、圖6。表四 A353鋼材焊縫區的組織與硬度部 位金相組織晶粒度焊縫硬度（HB）焊縫中心奧氏體1級左右170200熱影響區粒狀貝氏體+低碳馬氏體2級300350母材馬氏體+彌散奧氏體8級以上2392474 材料現場管理4.1

12、9Ni鋼材料現場管理4.1.1 9Ni鋼板材、半成品現場實行按批號、按規格，分類上架堆放，預制成形板料采用胎具支架存放，嚴禁9Ni鋼材料直接置于潮濕地面。4.1.2 現場所有材料采用色標標識跟蹤法管理，如現場材料中：Q235A材料為白色，16Mn材料為紅色，A36mod為紅白相間，9Ni鋼為黃色。4.1.3 現場所有材料使用過程中采取跟蹤式管理，并按實際情況繪制“材料使用跟蹤布置圖”。4.1.4 9Ni鋼板材下料必須嚴格按照經核算的外方排版圖進行套裁，嚴禁隨意下料。4.1.5 9Ni鋼板材不得隨意點焊、引弧、焊接卡具；4.1.6 9Ni鋼材料現場切割余料必須集中堆放，并逐一用黃色油漆作標記移植

13、。4.2 ENiCrMo-6(TK-110)焊材管理4.2.1 ENiCrMo-6(TK-110)焊條采用專人專庫管理,經技術交底后,施焊人員和相關管理人員應熟識T-110焊條識別標記;4.2.2 焊條庫設置符合相關管理規定,庫內溫度不得低于10,相對濕度不大于60%,并做好記錄；4.2.3 焊條使用前再干燥（300350）1小時，烘干后放置于恒溫干燥箱內（110150）；焊接使用時必須置于手提式通電保溫桶中，桶內溫度至少保持在50160；焊條置于空氣中4小時，必須回爐再干燥，再干燥不得超過一次。4.2.4 建立并完善焊條發放、回收管理制度，形成如下保證體系： 計劃 出庫 發放焊工工焊條烘烤員

14、材料員焊接工程師焊接工程師 反饋 統計 回收4.2.5 強化焊條頭回收制度。每支回收焊條頭不得超過50mm長，焊條領用時采取以舊（焊條頭）換新（焊條）形式，并輔以獎罰制度，防止用錯和浪費。5 焊接現場管理經過充分的技術準備、方案比較以及焊接工藝評定的驗證，雖然我們在理論上對采用ENiCrMo-6鎳合金焊條焊接9Ni鋼薄板的特點有了充分認識，對采用空載電壓較高的交流電焊機焊接可有效控制電弧磁偏吹有了較大把握，但是現場情況卻是非常復雜的。特別是施工地點處于海邊填海區，風大濕度大，施工條件極其惡劣，施工期間又近冬季，如果放松質量控制，不僅易造成裂紋等質量問題，更無法保證施工任務的順利完成。為此，我們

15、采取了相應管理措施。5.1 每名9Ni鋼施焊焊工必須經外方考試合格持證上崗，無證人員不得參與9Ni鋼焊接；5.2 從嚴執行焊條的二級庫保管、烘烤，發放回收、復烘等制度；5.3 開展攻關活動針對9Ni鋼內罐罐壁板，罐底板及懸浮甲板各自特點，采取相應的防變形措施，將組對應力對焊接的影響降低到最低限度；5.4 做好坡口的焊前清理和背面清根工作。規定焊縫兩側50mm范圍內焊前必須用角向砂輪機打磨干凈，不得有鐵銹、灰土及其它異物，針對9Ni鋼薄板特點，背面由專人采用砂輪機清根，經著色檢查合格后方可施焊。5.5 量化焊接熱輸入控制，通過控制每根焊條最小熔敷長度（見表五），使焊工和質檢人員均能直觀、有效地做

16、好控制與監督，從而控制焊接熱輸入。這樣既避免了低溫韌性下降，又可防止出現冷、熱裂紋，因而是保證乙烯低溫儲罐施工成功的關鍵措施之一。表5 各種焊接位置焊接最小熔敷長度表焊接位置焊條直徑（mm）焊接電流每根焊條最小熔敷長度（mm）平焊(1G)2.6110120803.21401501604.0190220270橫(2G)2.6115125853.214-1501404.0185195255立(3G)2.68090703.2110120100仰(4G)2.695105803.2115-1251005.6 保證定位焊縫的質量。定位焊長度應大于50mm，焊正式焊縫之前，應檢查定位焊縫，若發現裂紋必須鏟除

17、干凈，重新焊接。5.7 作好每日的天氣、環境溫度、濕度的記錄工作，并根據現場情況決定預熱措施的實施，其中：板厚10mm 環境溫度低于+5 預熱溫度為50板厚>10mm 環境溫度低于+5 預熱溫度為100預熱范圍為坡口兩側各100mm，測量點為距離坡口50mm處；另外，焊接處300mm的距離內，需烘烤去除水氣，以防水氣凝結，以減少氫的不利影響。5.8 嚴禁在9Ni鋼母材上隨意打弧、點焊；對必須的卡具點應繪圖記錄；所有弧坑、工卡具焊疤必須補焊、打磨清理后進行著色檢驗。5.9 加大檢查力度，將每天的現場巡檢、首期檢驗、階段性檢查、質量大檢查和X光片逐張檢查有機的結合起來，形成完整的焊接檢查質保

18、體系。5.10 對焊工實行動態管理，實行周統計月獎評，對表面成形不理想，連續3周合格率較低的焊工進行崗位調整。6 焊接質量檢驗9Ni鋼焊接施工后的質量檢驗，主要是焊縫無損探傷、總體試驗和產品試板檢驗。6.1 無損探傷檢驗對罐壁板焊縫進行100%滲透探傷+100%射線探傷；對罐底板邊緣板每條對接焊縫進行100%滲透探傷+100%射線探傷；對底板及其與壁板大角縫進行100%滲透探傷+100%真空檢漏。9Ni鋼全罐共拍片2752張，合格2700張，一次拍片合格率達到98.1%;底板及其與壁板的角焊縫真空檢漏及滲透探傷長度895.9m,未發現裂紋及滲漏。6.2 整體試驗9Ni鋼內罐按要求進行盛水滲漏試驗,最高水位21.1m，滿水位后，對逐條焊縫進行目測檢查，經甲方及TGE公司監檢人員共同檢查，未發現可疑滲漏情況。6.3 產品試板檢驗按照API620的要求和設計文件的規定，9Ni鋼內罐應焊接