大型LNG储罐三种高效自动化焊接工艺对比研究.pdf

压 力 容 器第 41 卷第 1 期2024 年 1 月 25 收稿日期：2023-10-07 修稿日期：2023-12-15基金项目：安徽省自然科学基金项目（2108085ME146）doi：10 3969/j issn 1001-4837 2024 01 004试 验 研 究大型 LNG 储罐三种高效自动化焊接工艺对比研究房务农1，蒋 军1，郭广飞1，刘孟德2，周 杨2，汪正伟3，李雪梅4（1.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031；2.盛虹炼化（连云港）有限公司，江苏连云港 222065；3.北京博清科技有限公司，北京 100176；4.中石化 第四建设有限公司，天津 300270）摘 要：我国建造储存绿色能源 LNG 用储罐单台已达27万 m3，针对传统的 SMAW 焊接效率低、含有锰蒸汽和 CO2的烟尘等问题，采用热丝 TIG，FCAW 及 MIG 三种自动焊方法，进行了大量的试验研究，从而使 LNG 储罐的施焊环境大大改善，焊接效率及质量均大幅提升。结果表明，自动焊焊缝表面成形均远好于 SMAW；焊接效率为 MIG 最高；焊接接头低温冲击韧性为热丝 TIG 最优。目前三种自动焊对现场组装精度要求均高于 SMAW，热丝 TIG 对组装精度要求最高，因此尚需进一步提升自动化水平，以便在工程中大量推广应用。关键词：9%Ni 钢；大型 LNG 储罐；自动化焊接；力学性能中图分类号：TH49；TG457.11；TG115.6 文献标志码：A Comparative study on three efficient automatic welding processes for large LNG storage tanksFANGWunong1，JIANGJun1，GUOGuangfei1，LIUMengde2，ZHOUYang2，WANGZhengwei3，LIXuemei4（1.HefeiGeneralMachineryResearchInstituteCo.，Ltd.，Hefei 230031，China；2.ShenghongRefiningandChemical（Lianyungang）Co.，Ltd.，Lianyungang 222065，China；3.BeijingBoqingTechnologyCo.，Ltd.，Beijing 100176，China；4.SinopecFouthConstructionCo.，Ltd.，Tianjin 300270，China）Abstract：ThecapacityofstoragetanksbuiltforstoringgreenenergyLNGinChinahasreached270000m3 AccordingtothelowefficiencyoftraditionalSMAWweldingandthepresenceofmanganesevaporandCO2fume Threeautomaticweldingmethods，i e.，hotwireTIG，FCAWandMIGwereadoptedforthisproject，andalargeamountofexperimentalresearchwascarriedout，whichgreatlyimprovestheweldingenvironmentofLNGstoragetanks，andgreatlyimprovesweldingefficiencyandquality TheresultsshowthatthesurfaceformationoftheweldbyautomaticweldingismuchbetterthanthatofSMAW；MIGweldinghasthehighestefficiency；Thelow-temperatureimpacttoughnessofweldedjointsisthebestforhotwireTIG Atpresent，thethreetypesofautomatedweldinghavehigherrequirementsforon-siteassemblyaccuracythanSMAW，andhotwireTIGhasthehighestrequirementforassemblyaccuracy Therefore，furtherimprovementoftheautomationlevelisneededforextensiveapplicationinengineeringKey words：9%Nisteel；largeLNGstoragetank；automatedwelding；mechanicalproperties0 引言为了在2030年实现“碳达峰、碳中和”的战略目标，我国油气产业结构不断优化调整，LNG绿色低碳型清洁能源市场需求量猛增，需要建设大批量的 LNG 储罐1。我国自2003年首次建造16万 m3LNG 储罐以来，随着建造技术的进步和9%Ni 钢材性能不断提升，目前逐渐向22万 m3，27万 m3过渡，容积率增大，降低了相应的造价。9%Ni 钢最大壁厚也从16万 m3的28.5mm 增大到27万 m3的40mm，伴随着壁厚增大，焊接工作量增大，传统的 SMAW 焊接效率低、劳动条件差及焊接质量难以控制等问题日益突出，尤其是采用 ENiCrMo-6焊条焊接时产生含有26PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.1，2024大量锰蒸汽的有害烟尘，焊工的身心健康受到极大的伤害，解决大型 LNG 储罐厚壁纵缝的高效、绿色及自动化焊接技术难题迫在眉睫。考虑到大型 LNG 储罐罐壁板采用正装法2，自动焊机小车、控制机箱与电源等必须分离，并在50m 范围内可实现可靠的信息传导操控，结合9%Ni 钢制27万 m3LNG 储罐的建造特点，先后选择了热丝 TIG，FCAW，MIG 三种自动焊进行试验。三种自动焊分别采用不同的镍基焊材进行了大量试验研究，结果表明：自动焊的焊缝金属成形均远好于 SMAW，焊接效率也远高于 SMAW，焊接环境得到了很大程度改善，焊接烟尘、劳动强度大大降低，焊接接头的低温冲击韧性较佳、-196的 CTOD 值较高、落锤试验的 NDTT 值均低于-196等。虽然热丝 TIG，FCAW 自动焊已取代 SMAW 建造了多台 LNG 储罐，但三种方法自动焊均存在着一些不足之处，亟待进一步提升，以便广泛应用到大型 LNG 储罐的焊接。1 LNG 储罐用9%Ni 钢及焊接性简介9%Ni 钢板被广泛应用于大型液化天然气（LNG）储罐内罐建设中，国内牌号为06Ni9DR，经淬火加回火（QT）热处理供货，淬火温度为790850，回火温度为540600，Rm为680790MPa，-196KV2100J3。9%Ni 钢组织以低碳回火马氏体为主，产生冷裂纹概率较小，但由于马氏体板条具有同相性，易被磁化，焊接时易产生电弧磁偏吹4；9%Ni 钢焊接时不可采用铁基焊材，必须采用镍基合金焊材5；镍基液态金属流动性差，熔深比较浅，如图16所示，且不能通过加大电流来增加熔深，易导致未熔合缺陷；受镍基金属本身的特性影响，其焊接接头极易产生热裂纹；焊接线能量过高时，会导致焊接接头的各项工艺力学性能下降；仰焊位置气孔难以溢出，易产生气孔等。因此，研究9%Ni 钢的焊接性基本演变成了研究其配套焊材的焊接性。图1 碳钢和镍基合金焊接熔池熔深对比Fig.1 Comparisonofweldpoolpenetrationdepthbetweencarbonsteelandnickelbasedalloys9%Ni 钢制 LNG 储罐的焊接接头力学性能等需满足表1中的技术要求。其中，全焊缝金属拉伸试样按 GB/T26522022金属材料焊缝破坏性试验熔化焊接头焊缝金属纵向拉伸试验制取7，测量 Rp0.2值；焊接接头拉伸试样、弯曲试样及冲击试样按 NB/T470142011承压设备焊接工艺评定制取，测量 Rm值；落锤试验用 P-2型试样并按 GB/T68032008铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法制取；裂纹尖端张开位移试验用三点弯试样并按 GB/T211432014金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法 制取，测量-196m值；焊接接头硬度试验按GB/T26542008焊接接头硬度试验方法进行；焊接接头金相组织按 GB/T132982015 金属显微组织检验方法 进行。表1 9%Ni 钢焊接接头力学性能等技术指标Tab.1 Technicalindicatorssuchasmechanicalpropertiesof9%Nisteelweldedjoints项目Rp0.2/MPaRm/MPa-196冲击试验弯曲试验（D=4a）/（）m/mm硬度（HV10）NDTT/KV2/J侧向膨胀量 LE/mm数值400680700.531800.30360-196 2 纵缝热丝 TIG 自动焊2.1 热丝 TIG 焊焊接系统介绍热丝 TIG 焊焊接系统示意图如图2所示。（1）小车爬行轨道。9%Ni 钢焊接对磁场敏感性较强，本次试验采用真空吸盘式轨道，与母材表面柔性接触，固定效果较好（见图3），但须配备真空泵。（2）焊枪摆动方式。为防止产生侧壁未熔合，热丝 TIG 焊在深坡口或窄坡口条件下使用角摆方式，浅坡口或宽坡口采用平摆方式，且在焊接过程中通过改变焊枪的摆动方式进行调控，确保坡口面的熔合质量和焊缝表面成形。（3）送丝模式。为适应现场多种坡口型式，27房务农，等：大型 LNG 储罐三种高效自动化焊接工艺对比研究配置协同脉冲模式和脉动送丝模式，两种模式可任意切换。坡口较窄时使用脉动送丝模式，坡口较宽时采用协同脉冲方式。图2 热丝 TIG 自动焊系统示意Fig.2 SchematicdiagramofhotwireTIGautomaticweldingsystem图3 真空吸盘式轨道Fig.3 Vacuumsuctioncuptrack（4）热丝功能。热丝 TIG 焊在焊丝送进熔池之前，被加热到400左右，热丝加入熔池后，对熔池的搅拌作用增强，增加了焊丝熔化速度，熔敷速度增加8；配套的 TSD 脉动热丝系统，其送丝速度可高达15m/min。（5）焊接自动化系统。使钨针和工件距离始终保持一致，确保焊道成型完美；自动识别焊道中心位置，焊接过程中不偏离；手持遥控编程器可控制小车行走速度、机头摆动方式、摆动角度、坡口两侧驻足时间等，焊接参数可任意分段并自动切换，完美适应各种苛刻的使用要求。2.2 热丝 TIG 自动焊坡口型式及表面成形本次热丝 TIG 自动焊试验采用 ERNiCrMo-4实心焊丝，焊丝化学成分及熔敷金属力学性能均符合 GB/T156202008镍及镍合金焊丝 要求，采用脉冲电源。薄板采用坡口型式如图4（a）所示，厚板采用的坡口型式如图4（b）所示。表面成形非常美观，如图5所示。（a）（b）图4 热丝 TIG 坡口型式Fig.4 ThegroovetypeofhotwireTIG图5 热丝 TIG 焊焊缝表面成形示意Fig.5 SchematicdiagramofsurfaceformingofhotwireTIGweld2.3 热丝 TIG 自动焊焊接接头力学性能等试验采用热丝 TIG 自动焊焊接7种规格试板，厚度为1032mm，采用安意源 T400嵌入式一体化控制电源，焊接电流130140A，电弧电压913V，焊接热输入小于20kJ/cm，道间温度控制为小于100，所有试板焊接完毕后进行 X 射线检测，均符合 NB/T470132015承压设备无损检测级。试验结果分别见图611及表2。可以看出，全焊缝金属纵向拉伸屈服强度在625853MPa 之间，焊接接头横向拉伸抗拉强度在709761MPa 之间，焊接接头的-196KV2在135272J 之间、侧向膨胀量在0.72.1mm 之间，面弯、背弯均无裂纹，焊接接头最高硬度在热影响区，为340HV10，焊接接头-196CTOD 平均值：焊缝金属为0.793mm、热影响区为0.896mm，各项性能均优于表1中的设计技术要求。焊缝金属组织为奥氏体，热影响区组织为板条状马氏体，如图12所示。28PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.1，2024图6 热丝 TIG 焊全焊缝金属屈服强度Fig.6 YieldstrengthoffullweldmetalinhotwireTIGwelding图7 热丝 TIG 焊焊接接头抗拉强度Fig.7 TensilestrengthofhotwireTIGweldedjoint图8 热丝 TIG 焊焊接接头低温冲击吸收能量Fig.8 LowtemperatureimpactabsorptionenergyofhotwireTIGweldedjoint图9 热丝 TIG 焊焊接接头侧向膨胀量Fig.9 LateralexpansionofhotwireTIGweldedjoint图10 热丝 TIG 焊焊接接头面弯、背弯图Fig.10 HotwireTIGweldedjointfaceandrootbendtests图11 热丝 TIG 焊焊接接头硬度Fig.11 HardnessofhotwireTIGweldedjoint表2 9%Ni 钢热丝 TIG 焊焊接接头-196 CTOD 值Tab.2 CTODvalueat-196forhotwireTIGweldedjointof9%Nisteel试样编号1）a0/mmF/kNVp/mmCTOD 值/mmW127.5398.961.450.560W229.4093.822.720.877W327.64107.252.660.943H127.40102.851.860.694H228.1099.742.900.974H327.15110.312.861.021 1）W焊缝金属；H热影响区。（a）焊缝金属 （b）热影响区图12 热丝 TIG 焊焊接接头金相组织Fig.12 MetallographicstructureofhotwireTIGweldedjoint3 纵缝药芯焊丝自动焊3.1 药芯焊丝自动焊（FCAW）焊接系统介绍由于热丝 TIG 焊的 U 形坡口难加工，对组对精度要求较高，直径约达100m 的储罐在加工坡口及组装方面需花费大量的人力和物力。而药芯焊丝可适应 V 形坡口，且对组装精度要求不高，因此选用 FCAW 进行自动焊试验9-11。29房务农，等：大型 LNG 储罐三种高效自动化焊接工艺对比研究本次试验采用无轨爬行焊接机器人，如图13所示，其特点如下。图13 无轨爬行焊接机器人Fig.13 Tracklesscrawlingweldingrobot（1）无轨式结构设计。采用无轨道的设计方式，避免铺设轨道的时间消耗。（2）自主识别、自动对中。采用激光传感器和图像处理法实现对焊缝坡口自主识别、自动对中功能。（3）全位置工艺参数自适应调用。随着全位置每一个角度的不同，焊接过程的电流、电压、摆动速度等会实时变化，确保焊接质量的同时，避免对人员技能的依赖性。（4）人机交互。中文操作界面，无线遥控手柄，操作简易，如图14所示。图14 遥控器操作界面Fig.14 Remotecontroloperationinterface（5）焊接自动化系统：高精度角度定位；自动回归设定起焊位置；初始位置自动起焊；终点位置自动停焊，可实现全过程自动化；焊接电弧长度自动调节。（6）焊接过程可视化。焊接电流、电压、温度、湿度、气压、送丝速度、震动等传感设备同时接入，同步处理，实时显示。（7）焊枪摆动参数：平摆，焊枪纵向行程范围为 25mm、横向行程范围为 40mm。3.2 FCAW 自动焊坡口型式及表面成形本次 FCAW 自动焊试验采用伯乐焊材公司FOXcore625-T1（ENiCrMo3T1-4）的 1.2药芯焊丝，焊丝熔敷金属化学成分及力学性能均符合ASMESFA5.342021弧焊用镍合金药芯焊丝 要求。焊接试板坡口型式如图15所示，采用80%Ar+20%CO2富氩气体保护，表面成形美观，如图16所示。图15 FCAW 试板坡口型式Fig.15 ThegroovetypeoftheFCAWtestplat图16 FCAW 焊接试板的表面成形Fig.16 ThesurfaceformingofFCAWweldedtestplates3.3 FCAW 自动焊焊接接头力学性能等试验采用厚度40mm 的试板，并采用林肯 R450焊 接 电 源，焊 接 电 流130150A，电 弧 电 压2325V，焊接热输入小于20kJ/cm，道间温度控制为小于100，所有试板焊接完毕后，进行 X 射线检测，均符合 NB/T470132015级。试验结果分别见表35及图17、图18。各项性能均优于表1中的设计技术要求。焊缝金属为全奥氏体，热影响区组织为板条状马氏体，如图19所示。表3 富氩 FCAW 自动焊焊接接头力学性能试验结果Tab.3 MechanicalpropertytestresultsofrichargonFCAWautomatedweldedjoint项目 Rp0.2/MPaRm/MPa-196冲击试验KV2/J侧向膨胀量 LE/mm焊缝金属熔合线热影响区焊缝金属熔合线热影响区数值449711，71374，81，7979，93，74168，135，1030.81，0.89，0.870.88，1.01，0.831.90，1.58，1.2030PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.1，2024表4 富氩 FCAW 自动焊焊缝金属落锤试验结果Tab.4 MetaldrophammertestresultsforrichargonFCAWautomaticweld试验位置试验温度-196NDTT/焊缝金属未断，未断-196图17 FCAW 焊面弯、背弯图Fig.17 SchematicdiagramofFCAWweldingfaceandrootbendtests图18 FCAW 焊接接头硬度Fig.18 SchematicdiagramofFCAWweldedjointhardness表5 富氩 FCAW 自动焊焊缝金属 CTOD 试验结果Tab.5 CTODtestresultsofweldmetalinrichargonFCAWautomaticwelding取样方向试验温度T/试样厚度B/mm试样宽度W/mm加载跨距S/mm最大载荷Fm/kN初始裂纹长度a0/mm稳定裂纹扩展量a/mm缺口张开位移Vp/mm/mm横向-19630.0236.0114474.918.080.431.220.424横向-19630.0236.0414475.518.070.431.300.448横向-19630.0336.0214472.718.130.391.270.433 （a）焊缝金属 （b）热影响区图19 FCAW 焊接接头金相组织Fig.19 MetallographicstructureofFCAWweldedjoints4 纵缝 MIG 自动焊进口的镍基合金药芯焊丝售价高达60万元/t，为了进一步降低成本，本次试验采用 MIG 焊。4.1 MIG 自动焊接控制系统MIG 主要控制系统与热丝 TIG 类似，熔化极气体保护焊采用林肯 E500脉冲电源。该系统是在较低的基值电流上叠加高峰值的脉冲电流，从而获得喷射过渡，且具有较低的焊接热输入，这对热敏感性高的镍基材料焊接非常有利6。MIG 焊与热丝 TIG 焊主要区别如下：（1）焊缝可以实现一次连续焊接完成；（2）焊接层道数减少，焊接速度提升；（3）焊接效率为热丝 TIG 焊的35倍；（4）对坡口的精度要求不高等。4.2 MIG 焊保护气体的选择采用纯 Ar 气体下 MIG 时，镍基材料的熔滴和熔池的表面张力较大，熔池液态金属流动性很差，焊缝表面无法铺展润湿，焊道成形较差12。本次焊接时选择90%Ar+10%He 混合惰性气体进行保护，加入10%He 后镍合金的熔滴和熔池的表面张力降低，熔池液态金属流动性增强，提高了焊缝表面的铺展润湿性，焊缝熔深、熔宽适中，焊道成形美观，更适合于镍合金实心焊丝的脉冲喷射过渡。4.3 MIG 自动焊坡口型式及表面成形试验采用厚度24mm 的9%Ni 钢板，并采用1.2mm 的 ERNiCrMo-3焊丝，焊丝化学成分及熔敷金属力学性能满足 GB/T156202008要求。选取 X 形坡口型式见图20；焊缝表面成形美观，如图21所示。图20 MIG 焊坡口型式Fig.20 MIGweldinggroovetype31房务农，等：大型 LNG 储罐三种高效自动化焊接工艺对比研究图21 MIG 焊接试验过程及焊缝表面成形Fig.21 MIGweldingtestprocessandweldsurfaceforming4.4 MIG 自动焊焊接接头力学性能等试验采用焊接电流为120150A，电弧电压为1923V，焊接热输入小于20kJ/cm，道间温度控制为小于100，所有试板焊接完毕后，进行X 射 线 检 测，均 符 合 NB/T470132015 级。试验结果见表6、表7及图22、图23，各项性能（除热影响区的 CTOD 值以外）均优于表1中的设计技术要求。焊缝金属组织为全奥氏体，热影响区组织为板条状马氏体，如图24所示。表6 MIG 自动焊焊接力学性能试验结果Tab.6 MechanicalpropertytestresultsforMIGautomaticwelding项目Rp0.2/MPaRm/MPa-196冲击试验KV2/J侧向膨胀量 LE/mm焊缝金属热影响区焊缝金属热影响区数值544，557694，691136，140，138277，252，2351.05，0.89，1.081.58，2.00，1.54表7-196 MIG 焊接接头 CTOD 值Tab.7 CTODvalueofMIGweldedjointat-196位置编号 a/w（amax-amin）/a0F/kN Vp/mm/mm焊缝金属10.530.096111.261.540.52120.540.082311.321.260.424热影响区30.520.094013.480.770.32440.510.079214.620.510.239图22 MIG 焊面弯、背弯图Fig.22 SchematicdiagramofMIGweldingfaceandrootbendtest图23 MIG 焊焊接接头硬度云图Fig.23 CloudmapofMIGweldedjointhardness5 焊接工艺对比分析与9%Ni 钢制 LNG 罐壁板纵缝传统使用的SMAW 相比，上述三种自动焊接工艺参数均较稳定，焊接热输入较 SMAW 降低；纵缝外观均优于SMAW，余高均2mm，无需再次打磨，且射线检测结果也优于 SMAW，有利于9%Ni 钢制 LNG 罐壁板纵缝焊接质量的提高。（a）热影响区 （b）焊缝金属图24 MIG 焊焊接接头金相组织Fig.24 MetallographicstructureofMIGweldedjoints在焊接效率方面，与热丝 TIG 焊相比，FCAW和 MIG 焊均可降低组对精度，焊缝可以实现一次连续焊接完成，焊接层道数减少、焊接效率提升，尤其 MIG 焊提升幅度更大。经过焊接试验综合对比，FCAW 焊接效率为热丝 TIG 焊的23倍，MIG 焊接效率为热丝 TIG 焊的35倍。6 结论（1）大型 LNG 储罐纵缝自动焊焊接效率顺序为热丝 TIGFCAWMIG，且远高于 SMAW，自动焊相对于 SMAW：表面成形美观，焊接效率大幅提升，焊接环境得到改善，劳动强度大大降低，尤其焊接过程实现了自动化，焊缝质量得到大幅度提高。热丝 TIG 自动焊各项力学性能较佳，但由于对组装精度要求较高，造成综合效率有所降低。（2）富氩 FCAW 自动焊各项力学性能虽略低32PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.1，2024于 SMAW，但仍满足设计技术要求，但药芯焊丝价格昂贵，焊接成本增加。（3）MIG 自动焊各项力学性能较优，坡口适应型式较广，对组对精度要求较低，综合效率在三种自动焊中最高，但混合气体的类型及配比还需进一步研究，以取代混合气体中的氦气。参考文献：1 王冰，陈学东，王国平 大型低温 LNG 储罐设计与建造技术的新进展 J 天然气工业，2010，30（5）：108-112WANGB，CHENXD，WANGGP Designoflarge low-temperatureLNGstoragetanksandnewprogressinitsconstructiontechnologyJ NaturalGasIndustry，2010，30（5）：108-1122 王凯锋，刘春 LNG 储罐内罐06Ni9钢板预制及安装控制 J 化学工程与装备，2018（7）：91-94WANGKF，LIUC Prefabricationandinstallationcontrolof06Ni9steelplateforLNGstoragetankinnertankJ ChemicalEngineering&Equipment，2018（7）：91-943 扬帆，张超，王成硕，等 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作者简介：房务农（1965），男，教授级高工，主要从事压力容器新钢材、新焊材及新焊接工艺的开发研究，负责球罐 EPC 总承包和压力容器焊接标准编制等工作，通信地址：230031安徽省合肥市长江西路888号合肥通用机械研究院有限公司，E-mail：。本文引用格式：房务农，蒋军，郭广飞，等 大型 LNG 储罐三种高效自动化焊接工艺对比研究J 压力容器，2024，41（1）：25-32FANGWN，JIANGJ，GUOGF，etal ComparativestudyonthreeefficientautomaticweldingprocessesforlargeLNGstoragetanksJ PressureVesselTechnology，2024，41（1）：25-32