9ni鋼焊接接頭和焊接熱影響區低溫韌性研究

0lng貯罐體由于天然氣具有方便的使用、安全的、干凈的和高效的優點，世界上的能源消耗結構發生了很大變化。目前天然氣的消耗量正逐年大幅度上升,在一些國家,天然氣的年消耗量已經超過石油。將天然氣從產地運往市場的方法除長距離輸氣管道外,另一種方法就是將天然氣在-162℃的低溫下液化成為LNG(liquefiednaturalgas),此時液化后的天然氣體積是原來的1/625。用車船運往使用地區,需在使用地區建設接收終端,將LNG儲存并再度汽化后通過管道送往用戶,用這種方法將天然氣產地與遙遠的市場連接起來,成本將會低于管道天然氣。近年來,中國大力推進、實施清潔能源戰略,作為低成本的天然氣儲運方法,液化天然氣工業正以迅猛的速度遞增,對制造LNG貯罐罐體的關鍵材料鎳系低溫用9Ni鋼及焊接提出了巨大需求,然而這一材料及裝焊技術主要依賴于進口,這對LNG工業的發展已經形成很大制約,同時對國家的能源安全保障也極為不利。因此某鋼鐵企業對9Ni鋼進行了開發和研制,并采用實際生產設備批量試制了超低碳9Ni鋼板。為考查新研制9Ni鋼的焊接接頭是否滿足低溫服役條件,對其焊接接頭低溫韌性進行了探討。1低溫夏比沖擊試驗試驗材料采用新研制的9Ni鋼板,熱處理狀態為淬火+中間淬火+回火,板厚為20mm。焊接材料選用法國生產的ENiCrMo—6型鎳基焊條,直徑為?4mm。首先對試驗材料進行了化學成分、室溫拉伸、低溫夏比V形缺口沖擊和金相試驗,其化學成分和力學性能試驗結果見表1,表2所示。9Ni鋼的焊接熱影響區(HAZ)模擬是在GLEEBLE1500試驗機上進行的,采用試板焊接制定模擬熱循環的試驗參數,對于尺寸為450mm×320mm×20mm的試板,當第一次峰值溫度達到1350℃后,試樣分別以連續冷卻時間t8/5為8,17和29s進行冷卻,冷卻速度分別相當于熱輸入為9.7,19.2kJ/cm的焊條電弧焊和熱輸入為30.5kJ/cm的埋弧焊的冷卻速度。分別模擬單道焊和多道焊的焊接熱循環。熱模擬試件沿橫向截取,規格為10.5mm×10.5mm×60mm,每組4件,其中1件進行金相分析,其余3件加工成10mm×10mm×55mmV形夏比沖擊試樣。試板焊接按歐洲標準EN288-3執行,采用50°K形坡口,鈍邊為2mm,間隙為3mm,橫焊位置。焊前不預熱,層間溫度控制在100℃以下,其焊接工藝參數見表3所示。低溫夏比沖擊試驗按歐洲標準EN875和國家標準GB/T229—1994在JB—30A型沖擊試驗機上進行。然后利用金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡對試樣進行組織與斷口分析。2試驗結果及分析2.1模擬焊接熱循環對熱沖擊的影響當峰值溫度Tp=1350℃時,不同工藝參數的單道焊熱模擬試件在-196℃下的沖擊吸收功見表4所示,表5為部分模擬熱輸入為19.2kJ/cm多道焊的焊接熱循環試樣在-196℃時的夏比沖擊試驗結果。結果表明,經模擬焊接熱循環后其低溫沖擊吸收功均明顯降低,且隨著熱輸入的增加即t8/5時間的增加,熱模擬試樣的低溫韌性呈明顯下降趨勢。當t8/5=29s時,低溫韌性接近歐洲標準EN10028-4X7Ni9最低值80J。第二道熱循環的峰值溫度為900℃時,低溫沖擊吸收功最高。當峰值溫度為620℃時,低溫沖擊值僅為71J,低于歐洲標準要求。但隨著熱循環道次的增加,相應的低溫沖擊韌性顯著提高。2.2不同峰值溫度下金相組織的變化金相分析表明,隨著熱輸入的增大,即t8/5時間的增長,模擬單道焊過熱區的組織由較細板條馬氏體和塊狀奧氏體轉為開始出現粗大的板條馬氏體(圖1),并逐漸變得粗大,導致低溫韌性下降。當第二道熱循環的峰值溫度為1150℃時,低溫韌性較差,此時的金相組織由粗大的板條馬氏體和少量塊狀殘余奧氏體組成。隨著峰值溫度的降低,低溫韌性逐步提高,當峰值溫度達到900℃時,低溫韌性最好,金相組織中板條馬氏體得到進一步細化,在馬氏體板條間均勻分布著較多的片狀、塊狀逆轉變奧氏體,所以獲得了良好的低溫韌性,如圖2所示。當第二道峰值溫度Tp=620℃時,金相組織中出現網狀鐵素體相,且分布不均勻,組織保持了原奧氏體的粗大晶界,C和雜質元素在晶界上偏聚,導致低溫韌性惡化。隨著熱循環道次的增加,脆性區和軟化區逐漸消除,低溫韌性顯著提高。因此超低碳9Ni鋼的焊接宜采用小熱輸入、多層多道焊。2.3斷口表面微觀組織對上述熱模擬夏比V形缺口試樣,經-196℃沖擊試驗后的斷口形貌掃描電鏡分析表明,單道粗晶區熱模擬試樣,斷裂表面破壞均為微孔聚集和韌性撕裂的綜合形式。這種破壞形式是高強度及高韌性材料所特有的。當t8/5為29s時,雖其斷裂表面破壞是以微孔聚集和韌性撕裂形式出現,但在斷口組織中存在斷裂臺階,如圖3a所示。當第二道峰值溫度在620℃時,斷口表現為準解理形貌,其中解理面所占比例較大,有少量分布不均勻的撕裂嶺,且有二次裂紋存在(圖3b)。多道焊熱模擬試件的斷口表現為韌窩形貌,且細小,低溫沖擊韌性很高(圖3c)。2.4電鏡分析及結果對板厚為20mm的K形坡口多層橫焊接頭進行了其各區的低溫沖擊試驗,結果見表6所示,其接頭金相組織如圖4所示。可以看出,試板焊接接頭HAZ的-196℃低溫沖擊吸收功比相應的熱模擬試樣要高得多,表現出良好的低溫沖擊韌性。完全滿足英國標準BS7777:Part2對液化天然氣儲罐焊接接頭低溫韌性的要求。其原因主要是因為實際焊接接頭HAZ粗晶區很窄,且與后續焊道再熱形成的細晶交錯在一起(圖4)。電鏡分析還表明,離熔合線愈近,其特征為板條馬氏體,逆轉奧氏體相不多,而且晶粒大小差異較大,故其-196℃的沖擊吸收功較低。當離熔合線越遠,其特征為較多的逆轉奧氏體呈片狀和塊狀且彌散分布于馬氏體板條間,故其低溫沖擊韌性較高。3試驗結果分析(1)國產試驗9Ni鋼板,模擬單道焊粗晶區(1350℃)組織由粗大的板條狀馬氏體和不明顯片狀或塊狀的殘余奧氏體組成,隨著熱輸入提高,t8/5時間延長,-196℃的沖擊吸收功降低。(2)兩道焊熱模擬試驗結果表明,當峰值溫度處于9Ni鋼TAc1(600℃)附近(第一道峰值溫度為1350℃),低溫韌性最差。峰值溫度提高到900℃時,焊接熱模擬試樣,其逆轉奧氏體呈片狀和塊狀且彌散分布于馬氏體板條間,低溫韌性