LNG储罐用ENiCrMo-6型焊条的国产化研制_王庆江.pdf

Electric Welding MachineVol.53 No.1Jan.2023第 53 卷 第 1 期2023 年1 月LNG储罐用ENiCrMo-6型焊条的国产化研制王庆江1，2，胡鹏亮1，2，郑庆铭1，2，刘满雨1，2，陈波1，2，徐锴1，2，武鹏博21.哈尔滨威尔焊接有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 1500062.哈尔滨焊接研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028摘要：ENiCrMo-6型焊条主要用于9%Ni钢制液化天然气（LNG）储罐的焊接，其长期依赖进口导致生产成本较高、技术发展受限，实现国产化十分必要。介绍了国产镍基合金ENiCrMo-6型焊条的研制，选用纯镍焊芯和CaO-CaF2-TiO2渣系作为焊条药皮的基础渣系组合。对研制的ENiCrMo-6焊条进行焊接工艺性试验、微观组织观察和力学性能试验，结果表明其工艺性水平与进口焊条相当，熔敷金属和焊接接头的强度、塑性和韧性优良，满足9%Ni钢制LNG装置的设计和施工要求，其中-196 低温冲击吸收能量远高于技术要求，可应用于实际工程。关键词：9%Ni钢；ENiCrMo-6焊条；熔敷金属；力学性能；全位置中图分类号：TG422.1 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）01-0112-06Domestic Development of ENiCrMo-6 Electrode for LNG Storage TankWANG Qingjiang1,2,HU Pengliang1,2,ZHENG Qingming1,2,LIU Manyu1,2,CHEN Bo1,2,XU Kai1,2,WU Pengbo21.Harbin Well Welding Co.,Ltd.,Harbin 150006,China2.Harbin Welding Institute Limited Company,Harbin 150028,ChinaAbstract:ENiCrMo-6 electrode is mainly used for welding LNG plant made by 9%Ni steel on land and ship.Its long-term dependence on import leads to high production cost and limited technology development,so its necessary to realize the localization.In this paper,the development of domestic ENiCrMo-6 electrode is introduced.The pure nickel core and CaO-CaF2-TiO2 slag system are selected as the base slag system of the electrode coating to make the electrode meet the requirements of engineering application with suitable for alternating welding,all position welding and excellent manufacturability.The manufacturability,microstructure and mechanical properties of the developed ENiCrMo-6 electrode are studied.The results show that its technology level is equivalent to that of imported electrode,and the strength,plasticity and toughness of the deposited metal and the welded joint are excellent and can meet the design and construction requirements of the 9%Ni steel LNG plant.The impact absorbed energy at-196 is far higher than the technical requirements,which can be applied to practical projects and solve the situation that this electrode depends on imports for a long time.Keywords:9%Ni steel;ENiCrMo-6 electrode;deposited metal;mechanical properties;all position引用格式：王庆江，胡鹏亮，郑庆铭，等.LNG储罐用ENiCrMo-6型焊条的国产化研制 J.电焊机，2023，53（1）：112-117.Citation:WANG Qingjiang,HU Pengliang,ZHENG Qingming,et al.Domestic Development of ENiCrMo-6 Electrode for LNG Storage TankJ.Electric Welding Machine,2023,53(1):112-117.*收稿日期：2022-06-15修回日期：2023-01-12作者简介：王庆江（1987），男，硕士，高级工程师，主要从事焊接材料与工艺等研究。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.01.170前言9Ni钢在极低温度下具有优良的韧性和高强度，与奥氏体不锈钢和铝合金相比具有热胀系数低、经济性好、使用温度最低可达-196 等优势，且9%Ni 钢不进行焊后消除应力热处理亦可安全使用，是制造大型LNG储罐的主要材料之一，但其材料及配套焊材长期依赖进口1-3。9%Ni钢在2007年成功国产化后，适用于LNG领域的镍基合金ENiCrMo-6焊条国产化就成为亟待解决的问题。由于9%Ni钢自身特点，在LNG储罐施工中通常要求ENiCrMo-6焊条适合交流焊接和全位置焊接，达到抗磁偏吹性好、无红尾现象、脱渣性好、成形美观、气孔敏感性低等效果。同时要求焊条熔敷金属的-196 低温冲击吸收能量不小于60 J，强度大于690 MPa，断后伸长率不小于35%，对焊条的综合力学性能要求高4，同时结合工程应用中出现的气孔、工艺性等问题，对ENiCrMo-6焊条的研制提出了更苛刻的要求。目前国外 9%Ni 钢配套焊材研发应用多年，LNG工程用焊材主要为伊萨、伯乐和林肯等品牌。国内也有对ENiCrMo-6同类别焊条的研究报道，但仅限于前期研究，尚无成熟产品在市场上大规模销售，缺乏大型工程应用经验，对该焊条的研究和应用仍需进行大量工作。本文研制了一种镍基合金ENiCrMo-6焊条能实现交流和全位置焊接，具有优良的低温冲击韧性和抗热裂纹性能，工艺性水平与进口焊条相当，以期替代进口同类别产品，填补国内空白。1配方设计镍基合金焊条研制的难点是熔敷金属存在热裂纹和气孔等问题。镍基合金焊条熔敷金属中S、P、Si、Al、As等元素可以和Ni形成低熔点共晶化合物，这种低熔点液膜分布于晶界，是引发焊缝结晶裂纹的主要因素。同时，熔敷金属由于固液相温度差距小，流动铺展性能较差，在焊后快速冷却凝固的条件下，极易产生气孔5-7。除上述热裂纹和气孔问题外，还需要实现交直流焊接和全位置焊接。影响镍基合金焊条全位置焊接适应性的主要因素有熔渣物化性能、电弧吹力、熔渣黏度和表面张力等。需要通过调整焊条药皮中碳酸盐、氟化物和氧化物等的含量，使熔渣具有合适的黏度和表面张力，从而实现全位置焊接8。为改善上述问题，选用纯镍焊芯和 CaCO2-CaF2-TiO2型碱性低氢型渣系作为焊条药皮主要矿物粉体系，该类别的渣系特点为抗磁偏吹效果好，可以解决9%Ni钢焊接时易偏吹等问题，同时焊缝金属纯净度高、杂质元素和气体元素含量低、抗裂性优良，但渣壳略硬。2焊接工艺研究2.1焊接工艺性研制ENiCrMo-6型焊条时发现，其焊道表面存在粘渣、脱渣性差等问题，基于此对熔敷金属表面与熔渣的结合区域进行取样和分析。图1a、1b分别为沾渣试样在Olympus GX53光学显微镜下和FEI Quanta 200扫描电镜下的组织形貌，图1c、表1分别为结合区域的扫面电镜能谱图和成分比例表。分析发现，沾渣的主要原因是液态熔渣和金属界面形成富铬型氧化物的尖晶石结构，这种尖晶石结构在凝固时与金属界面维持共格或半共格的结合状态，造成沾渣。通过调整焊条药皮配方矿物粉、脱氧剂和金属粉的比例，增加脱氧效果，可以有效控制液态熔渣和金属在凝固过程中的氧化和还原效果，避免合金成分被氧化，降低富铬型氧化物的尖晶石形成几率，进而解决沾渣问题。2.2焊接工艺窗口对研制的 ENiCrMo-6 焊条进行工艺性试验。母材为9%Ni钢，综合考量焊条的飞溅率、脱渣性、外观成形、截面成形、电弧稳定性、药皮熔化效果等，得到ENiCrMo-6焊条的工艺窗口如图2所示。由试验结果可知，焊条适合的操作范围比较宽泛，可以满足工程应用要求。2.3焊接工艺性对比将研制的ENiCrMo-6焊条与同类别进口焊条在平焊、横焊、立焊和仰焊位置进行工艺试验，得到的焊缝形貌见图 3、图 4。结果表明，研制的 ENi第 1 期王庆江，等：LNG 储罐用 ENiCrMo-6 型焊条的国产化研制0前言9Ni钢在极低温度下具有优良的韧性和高强度，与奥氏体不锈钢和铝合金相比具有热胀系数低、经济性好、使用温度最低可达-196 等优势，且9%Ni 钢不进行焊后消除应力热处理亦可安全使用，是制造大型LNG储罐的主要材料之一，但其材料及配套焊材长期依赖进口1-3。9%Ni钢在2007年成功国产化后，适用于LNG领域的镍基合金ENiCrMo-6焊条国产化就成为亟待解决的问题。由于9%Ni钢自身特点，在LNG储罐施工中通常要求ENiCrMo-6焊条适合交流焊接和全位置焊接，达到抗磁偏吹性好、无红尾现象、脱渣性好、成形美观、气孔敏感性低等效果。同时要求焊条熔敷金属的-196 低温冲击吸收能量不小于60 J，强度大于690 MPa，断后伸长率不小于35%，对焊条的综合力学性能要求高4，同时结合工程应用中出现的气孔、工艺性等问题，对ENiCrMo-6焊条的研制提出了更苛刻的要求。目前国外 9%Ni 钢配套焊材研发应用多年，LNG工程用焊材主要为伊萨、伯乐和林肯等品牌。国内也有对ENiCrMo-6同类别焊条的研究报道，但仅限于前期研究，尚无成熟产品在市场上大规模销售，缺乏大型工程应用经验，对该焊条的研究和应用仍需进行大量工作。本文研制了一种镍基合金ENiCrMo-6焊条能实现交流和全位置焊接，具有优良的低温冲击韧性和抗热裂纹性能，工艺性水平与进口焊条相当，以期替代进口同类别产品，填补国内空白。1配方设计镍基合金焊条研制的难点是熔敷金属存在热裂纹和气孔等问题。镍基合金焊条熔敷金属中S、P、Si、Al、As等元素可以和Ni形成低熔点共晶化合物，这种低熔点液膜分布于晶界，是引发焊缝结晶裂纹的主要因素。同时，熔敷金属由于固液相温度差距小，流动铺展性能较差，在焊后快速冷却凝固的条件下，极易产生气孔5-7。除上述热裂纹和气孔问题外，还需要实现交直流焊接和全位置焊接。影响镍基合金焊条全位置焊接适应性的主要因素有熔渣物化性能、电弧吹力、熔渣黏度和表面张力等。需要通过调整焊条药皮中碳酸盐、氟化物和氧化物等的含量，使熔渣具有合适的黏度和表面张力，从而实现全位置焊接8。为改善上述问题，选用纯镍焊芯和 CaCO2-CaF2-TiO2型碱性低氢型渣系作为焊条药皮主要矿物粉体系，该类别的渣系特点为抗磁偏吹效果好，可以解决9%Ni钢焊接时易偏吹