9Ni鋼焊接材料和焊接技巧

9Ni鋼是1944年開發的W（Ni）≈9%的中合金鋼，由美國國際鎳公司的產品研究實驗室研制成功，它是一種低碳調質鋼，組織為馬氏體加貝氏體。

這種鋼材在極低溫度下具有良好的韌性和高強度，而且與奧氏體不銹鋼和鋁合金相比具有熱脹系數小，經濟性好，使用溫度最低可達-196℃, 自1960年通過研究證明不進行焊后消除應力熱處理亦可安全使用以來，9Ni鋼就成為用于制造大型LNG儲罐的主要材料之一，最低使用溫度可達-196℃，其強度高、低溫韌性優異、焊接性能良好，是深冷環境下使用的韌性最好的材料。

9Ni鋼熱處理方式有雙正火+回火（NNT）、淬火+回火（QT）、兩相區淬火+回火（IHT）。在回火處理時，C、Ni、Mn等元素向彌散分布于基體內的奧氏體擴散，合格的鋼板金相中含有5%~15%的穩定殘余奧氏體組織（逆轉奧氏體）, 該奧氏體非常穩定，在-196℃也不發生馬氏體相變，并呈彌散分布，使9Ni鋼在-196℃仍具有很好的低溫韌性。在影響9Ni鋼脆性轉變溫度的主要因素中，合金元素和雜質含量都與化學成分密切相關。

9Ni鋼化學成分設計標準見表1。

9Ni鋼的力學性能見表2。

1  9Ni鋼焊接材料

LNG儲罐中，9Ni鋼的焊接主要采用焊條電弧焊（SMAW）與埋弧自動（SAW），環縫采用埋弧自動焊，立縫采用焊條電弧焊。9Ni鋼在選擇焊接材料時除考慮力學性能外，還應著重考慮其低溫韌性、熱膨脹系數等，見表3。

9Ni鋼焊接材料主要有四種：

（1）w（Ni）=11%的鐵素體型：用與9Ni鋼成分相同的焊接材料焊接9Ni鋼時，焊縫金屬的低溫韌性很差。

（2）Ni-Cr （如Ni13%~Cr16%）奧氏體不銹鋼型：含Ni13%~Cr16%奧氏體不銹鋼型焊接材料的強度稍高，但低溫韌性較差，線脹系數與9Ni鋼存在較大差異。

（3）Fe-Ni基（如含Ni約40%的Ni-Cr-Fe系合金）：低溫韌性良好。

（4）Ni基（如含Ni約60%以上的Ni-Cr-Mo 系合金）：低溫韌性高、抗冷裂性能好、線膨脹系數與9Ni鋼接近、不需要焊前預熱和焊后熱處理，適合大型結構的野外施工，雖價格昂貴，仍得到了普遍應用。ENiCrMo-6和ENiCrMo-3最常用。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。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。9Ni鋼本身與同等強度水平的其它低合金鋼相比有較好的抗裂紋的能力，在低氫情況下一般不會產生冷裂紋。但采用低鎳高錳型奧氏體焊條時，因母材的稀釋作用，在熔合區會出現高硬度的馬氏體帶，對氫脆敏感。采用Ni基合金材料焊接，使熔合區基本上不出現高硬度馬氏體帶, 有利于避免冷裂紋的產生。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.  9Ni鋼的焊接工藝要點

焊接9Ni鋼主要問題是保證焊接接頭的低溫韌性、防止焊接裂紋、防止電弧磁偏吹等問題, 這與焊接材料的類型、焊接線能量、焊接工藝有關。9Ni鋼焊接工藝參數見表4。

(1)焊前盡量不要預熱，且層間溫度不宜超過100℃ 預熱溫度與層間溫度直接影響焊后的冷卻速度，冷卻速度越慢，越有助于晶粒長大，從而低溫韌性下降。

(2)選擇合適的熱輸入量 熱輸入量越大，焊接熱循環中的高溫停留時間就越長，冷卻速度就越慢，接頭組織的晶粒就越粗大，低溫韌性下降。熱輸入量大之后出現柱狀晶會產生偏析，增加熱裂紋敏感性。小熱輸入量將增加焊接道數，能使后續焊道對前一焊道起到回火作用，提高低溫韌性。

(3)熱裂紋控制 由于對S等雜質含量控制比較嚴格，熱裂紋傾向不是很大。由于應力影響產生的熱裂紋主要是弧坑裂紋，采用正確的焊接工藝參數和良好的收弧技術，降低焊接應力，并配合收弧處的適當打磨處理。在埋弧橫焊時，如果間隙過大，打底層比較薄，在橫向應力作用下極易產生打底裂紋, 因此在埋弧橫焊時應當將間隙控制在1.5~2mm。

(4)冷裂紋控制 9Ni鋼具有良好的抗冷裂紋能力，但是在高氫的情況下，有一定的冷裂紋敏感性，特別是焊接第一層焊縫時，由于根部附近冷卻快，拘束應力較大，如果焊接材料或環境潮濕，很可能出現冷裂紋。因此需要嚴格控制氫的來源。在施焊過程中嚴格執行焊接工藝規程，特別是焊條烘干、焊接環境溫度、濕度及焊接規范等。新焊條在真空包裝開包后如果超過4小時未使用, 就應烘干后再用。當焊接環境濕度超過90%或母材表面結露時，在坡口兩側150mm范圍內采用烤把火焰加熱去除濕氣，以消除氫對焊接質量的影響，避免產生焊接裂紋。

(5)克服磁偏吹 9Ni鋼是一種強磁性材料，9Ni鋼在加工運輸過程中可能被磁化，當用直流焊機焊接時會進一步磁化，導致電弧磁偏吹，影響焊接工藝的穩定性，從而直接影響到接頭的質量。在LNG 儲罐門洞處由于磁力線更加密集，更易出現磁偏吹現象。減小磁偏吹可通過以下方法：

第一,母材運至現場時要對9Ni鋼磁性進行測量，必要時進行消磁處理，將磁感應強度控制在50GS以下，同時選擇能防止電弧磁偏吹的焊接材料。

第二,在焊接時應盡量使用交流焊機焊接。

第三,由于碳弧氣刨采用直流電焊機，氣刨電流通常在500A以上，這樣氣刨、直流焊機和罐壁之間構成直流外加強磁場，當碳刨結束，罐壁中容易產生較強的剩磁，從而導致焊接電弧磁偏吹。因此盡量用砂輪打磨及清根。

(6)防止熔合不良 焊條熔敷金屬熔點比9Ni鋼熔點要低100~ 150℃，使母材熔深淺，且由于熔化狀態鎳基合金的粘稠特性，故容易產生熔合不良，甚至在多道焊的層與層之間產生夾渣等缺陷。增加焊接電流盡管能獲得足夠熔深但焊縫成形不良，還會造成接頭低溫沖擊韌性下降，因此受到限制。加強層與層、道與道中間各層的清渣打磨工作，防止產生夾渣、熔合不良等缺陷。

3.9Ni鋼在LNG儲罐焊接實例

某LNG工程一期工程共三臺16萬立方米儲罐，采用混凝土全容式儲罐結構，工作溫度＜-163℃。內罐全部采用9Ni鋼焊接而成。其中壁板高36m，直徑80m，板厚度由下往上從27mm 至12mm不等。每臺罐儲存的液化天然氣汽化后可轉化成約一億立方米氣體。內罐壁縱縫采用焊條電弧焊，使用林肯Φ3.2mm ENiCrMo-6焊條；環縫采用埋弧自動焊，使用伊薩Φ1.6mm ERNiCrMo-3焊絲。板厚16mm以上縱縫和環縫均采用X型坡口，剩余焊縫采用V型坡口。X型坡口鈍邊位置略向內側偏移。縱縫坡口角度兩側都為30°；環縫坡口角度上側為35°~45°，下側為10°~20°。根據板厚盡量采用多層多道焊接。

以下焊接參數可作為參考：焊接時先焊外側焊縫，內側清根后做PT檢測，合格之后再焊內側焊縫。環縫如采用手動砂輪清根，應注意清根后上側坡口形狀，勿將其打磨成“⌒”形，以免導致未熔合的產生；另應注意清根力度的均勻性，如清根后有深淺不一的地方，一定要用焊條電弧焊將其補焊平齊之后再用埋弧焊焊接。焊接完成后對焊縫100% 目視檢查，重點檢查是否存在咬邊等凹型缺陷。外觀檢查合格之后做RT檢測。山東LNG工程內罐壁板焊接一次合格率達到了99.2%。

4.結語

LNG儲罐9Ni鋼焊接材料普遍選用鎳基焊接材料。材料選用主要考慮低溫韌性高、抗冷裂性能好、線膨脹系數與母材相近等。

9Ni鋼的焊接工藝要點：

（1）焊前盡量不要預熱，且控制好層間溫度；

（2）控制熱輸入量，多層多道焊；

（3）采用正確收弧方式，打磨弧坑；

（4）控制氫的來源，埋弧焊時控制間隙在1.5~2mm；

（5）采用交流電源，采用砂輪打磨；

（6）加強清渣打磨工作。