LNG储罐用9Ni钢-196℃焊缝断裂韧性及断口分析_郭鹰.pdf

第 39 卷第 11 期压力容器2022 年 11 月doi:10 3969/j issn 1001 4837 2022 011 002试 验 研 究LNG 储罐用 9Ni 钢 196 焊缝断裂韧性及断口分析郭鹰，杨尚玉，周聪，朱雷(海洋石油工程股份有限公司，天津300462)摘要:根据 GB/T 211432014 测试了厚度 30 mm 的 9Ni 钢板 TT 和 SAW 焊缝的 196 裂纹尖端张开位移(CTOD)，观察并分析了试样微观组织及其断口。结果表明，TT 和 SAW 焊缝的 平均值分别为 0 434 mm 和 0 259 mm，两者的CTOD 特征值均远高于工程标准要求的 0 15 mm。TT 和 SAW 焊缝金属的显微组织均以奥氏体柱状晶形式存在，TT 焊缝的组织更加细小均匀，细小均匀分布的胞状晶组织能够增加裂纹扩展阻力，从而增加焊缝的低温断裂韧性，小的热输入也有利于 9Ni 钢焊缝的低温断裂韧性。SAW 焊缝金属中的 Al2O3能够限制焊缝中奥氏体的长大，起到细化晶粒的作用，从而提高焊缝金属的强度和韧性;TT 焊缝晶粒更小，断面更加粗糙，断面存在更多的 10 m 左右的富铁和富钼的第二相颗粒也阻碍裂纹扩展，使得焊缝具有更好的低温韧性。关键词:LNG 储罐;9Ni 钢;焊缝;196 低温韧性;裂纹尖端张开位移;断口中图分类号:TH49;TG406文献标志码:AFracture toughness and fracture analysis of 9Ni steel weld at 196 for LNG storage tankGUO Ying，YANG Shangyu，ZHOU Cong，ZHU Lei(Offshore Oil Engineering Co，Ltd，Tianjin 300462，China)Abstract:The crack tip opening displacement(CTOD)test of SAW and TT weld metal of 30 mm 9Ni steel plate was carried outat 196 according to GB/T 211432014 The microstructure and fracture of CTOD specimens were analyzed The resultsshow that the average values of TT and SAW welds are 0 434 mm and 0 259 mm respectively，and their characteristic valuesare much higher than 0 15 mm required by engineering standards The microstructure of both weld metals is austenitic columnarcrystals，but that of TT weld is finer and uniform，which can increase the crack propagation resistance of cellular crystal andlow-temperature fracture toughness of weld The small heat input is also beneficial to the low temperature fracture toughness of 9Nisteel weld Al2O3in SAW weld metal may limit the growth of austenite in weld and refine grain，so as to improve the strength andtoughness of weld metal Smaller grain，rough section and more Fe or Mo rich second phase particles of about 10 m size alsoprevent crack propagation，resulting in better low-temperature toughness in TT weld metalKey words:LNG storage tank;9Ni steel;weld;fracture toughness at 196;crack tip opening displacement(CTOD);fracture收稿日期:2022 06 16修稿日期:2022 10 280引言9Ni 钢是美国国际镍公司于 20 世纪 40 年代开发的一种低温用钢，具有良好的低温韧性，广泛应用于液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)储罐的内罐制造。我国从 20 世纪 80 年代引进该技术后发展迅速，各种新的焊接技术不断应用到LNG 储罐 9Ni 钢的焊接中1 4。TT 焊是一种热丝 TIG 焊，不仅具有热丝的功能，还能够实现焊丝的抽拉振动功能，热丝有助于减少焊接热输入和提高焊接效率，抽拉振动送丝能够减小熔滴过渡时的表面张力，提高熔滴过渡频率，振动对熔池的搅拌作用使熔覆金属成分更加均匀，晶粒更加细小5。TT 焊接不仅具有较高的焊接效率，还解决9PESSUE VESSEL TECHNOLOGYVol.39，No.11，2022了传统焊接方法 LNG 储罐焊接过程中的清根打磨环节，因此具有较高的工艺技术创新6。由于LNG 储罐的使用温度低于 165，因此 9Ni 钢焊缝要有很好的低温韧性。裂纹尖端张开位移(CTOD)试验是评价焊缝断裂韧性的方法之一7，因此本文依据 GB/T 211432014金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法 对 TT 和SAW 焊缝进行 196 CTOD 试验研究，并分析焊缝的低温断裂韧性。1试验方法试验材料为厚度 30 mm 的 X7Ni9 钢板，依据标准 EN 10028 4:2017(E)，供货状态为淬火+回火(QT)，其主要力学性能:屈服强度 676 MPa，抗拉强度 716 MPa，伸长率 24 5%，196 冲击吸收能量 186 J;主要化学成分如表 1 所示。表 19Ni 钢化学成分Tab 1Chemical composition of 9Ni%元素CMnPSSiNiCr含量0 0360 5920 0030 000 30 2099 1150 042TT 焊接试验所用焊丝牌号为 ENiCrMo 4，直径 1 0 mm;SAW 焊接试验所用焊丝牌号为 OK Autrod 19 83(即 ENiCrMo 4)，直径4 0 mm，焊接参数如表 2 所示。表 2焊接参数Tab 2Welding parameters焊接方法电流 I/A电压 U/V焊接速度 V/(mmmin1)线能量 Q/(kJmm1)TT180 31017 22110 2000 7 1 6SAW330 36030 1 32 4234 7740 7 2 22试验过程及结果2 1试样制备CTOD 试验采用紧凑拉伸试样(CT 试样)，其中焊缝和热影响区试样各 3 个，试样型式如图 1 所示。缺口加工位置位于焊缝中心，试板厚度为 30 mm，加工试样宽度 W=50 mm，厚度B=25 mm。图 1CT 试样加工图Fig 1Processing diagram of CT sample2 2试验过程及有效性判定试验 所 用 设 备 为 电 液 伺 服 万 能 试 验 机PLW 100，预制裂纹的长度约为 1 5 mm，疲劳过程中最小与最大力比为 0 1。预制好疲劳裂纹后检验裂纹有效性，当机械加工缺口和预制疲劳裂纹长度之和处于 0 45W 0 7W 之间时为有效裂纹长度。最后在万能试验机 PLW 100 上一次加载至试样失稳破坏，加载过程中记录载荷和相关的位移，做出载荷 位移(F V)曲线，如图 2 所示。根据 F V 记录曲线类型，试验记录在断裂前没有 pop in(记录曲线出现的突然不连续性)而出现最大力平台，Fm和 Vm值应通过记录的首个最大力点来计算。对 F V 曲线线性阶段进行拟合，得到线性阶段的斜率，过最大力点作同斜率的直线，与横坐标的交点即为缺口张开位移塑性分量 Vp值，最大力点所对应的 V 值为总缺口张开位移 Vg，Vg与 Vp的差值为理论弹性缺口张开位移 Ve。CTOD 特征值按照下式计算:=F(BBNW)0 5 g2(a0W)21 v22p0 2E+(a0 Z)Vp(1)其中，F 为在断裂之前出现的最大力，记录为Fm，对未开侧槽试样 BN=B，系数 g2(a0/W)由GB/T 211432014 附录给出，转动半径 由下式计算得到:W=(a/W)21 a/Wg(aW)(2)01郭鹰，等:LNG 储罐用 9Ni 钢 196 焊缝断裂韧性及断口分析其中:g(aW)=1501554 1427620(aW)+5712630(aW)212131 870(aW)3+14357 50(aW)48967 939(aW)5+2309 530(aW)6(3)(a)TT 焊缝(b)SAW 焊缝图 2焊缝 F V 曲线Fig 2F V plot of weld metal2 3CTOD 试验结果由图 2 可以看出，TT 焊缝试样达到断裂时，Fm值要高于 SAW，说明裂纹达到失稳破坏时，TT焊缝中心需要更大的力，TT 焊缝中心抵抗裂纹扩展的能力更强。焊缝中心的 F V 曲线中看出 TT焊缝的塑性位移分量要大于 SAW 焊缝，显示出TT 焊缝具有更好的低温断裂韧性。根据计算公式(1)得到的 CTOD 特征值如表 3 所示。可以看出，TT 和 SAW 焊缝的 平均值分别为 0 434 mm和 0 259 mm，两者的 CTOD 特征值均远高于工程标准要求的 0 15 mm，TT 焊缝的特征值远高于SAW，说明 TT 焊缝的低温断裂韧性要好于 SAW，这与 F V 曲线中显示出的塑性分量一致。从F V 曲线 特征值可以看出，随着缺口位移塑性分量 Vp的增大，也增大。表 3焊缝 值Tab 3 value of weld metal焊接方法塑性分量 Vp/mm/mm 平均值/mmTT1 8290 4051 7450 4601 7450 4380 434SAW1 5040 3550 9880 2630 4200 1590 2593分析与讨论3 1焊缝 196 断裂韧性分析TT 和 SAW 焊缝组织如图 3 所示。两种焊接方法下，焊缝金属的显微组织均以奥氏体柱状晶形式存在(见图 3(a)(b)，且组织中均出现胞状晶、胞状树枝晶以及树枝晶，从图中可以看出，TT焊缝的组织更加细小均匀，细小均匀分布的胞状晶组织能够增加裂纹扩展阻力，从而增加焊缝的低温韧性。分析认为，随着焊接电流和焊接速度的增大，焊缝组织出现从胞状晶、胞状树枝晶到粗大的胞状树枝晶的过渡8。SAW 焊的焊接电流和焊接速度均大于 TT 焊，SAW 焊缝中心组织以胞状树枝晶为主，而 TT 焊缝中心组织以胞状晶为主。图 3(c)(d)为 SAW 和 TT 多层多道焊接过程中两焊道界面组织，可以看出，在相邻两焊道界面，组织大小分布不均匀，图中下侧组织为前一道焊缝组织，上侧为后一道焊缝组织，前一道焊缝的组织更加细小，这是由于后一道焊缝在焊接时由于热的作用相当于对前一道焊缝进行了正火处理，对前一道焊缝不仅有细化晶粒的作用，还可以明显提高焊缝韧性9。焊接时，母材和焊材成分差异较大，因此，在焊接过程中，母材和焊材熔化混合，焊缝成分组织也会产生变化，焊接热输入影响焊缝的稀释率，本文通过对焊接接头熔合线附近进行线扫描，测试主要元素的变化情况，从而得到 SAW 和 TT 焊的焊缝稀释率，线扫描结果如图 4、图 5 所示。11PESSUE VESSEL TECHNOLOGYVol.39，