洛阳理工学院毕业设计（论文）
前 言
近年来，世界天然气产量和消费量呈持续增长趋势。产量以年20％速度增长，市场对液化天然气的需求每年以4%的速度递增，从今后我国经济和社会发展看，加快天然气的开发利用，对改善能源结构，保护生态环境，提高人民生活质量，具有十分重要的战略意义[1]。LNG(Liquefied natural gas)贸易是天然气国际贸易的一个重要方面。LNG工业将是未来天然气工业重要组成部分，LNG在我国的应用必将开始一个新的阶段[2,3]。
LNG工业链是非常庞大的，主要包括天然气液化、储存、运输、接收终端、气化站等[4]。大型LNG储罐是LNG接收站的核心设备，目前，世界上的LNG储罐以10万m3以上为主，其设计标准和形式与以往的大型立式储油罐不同，因此安装技术差别很大。它采用的是外层全封闭混凝土，内层为9Ni低温钢、中间保冷层的复杂结构，制造标准要求高，其安装中的罐顶提升技术、现场焊接技术、内壁安装等关键技术掌握在世界上有实力的大公司手中，并处于保密状态，国内同行业刚刚起步，因此大型LNG储罐9镍钢焊接技术研究已经成为国内焊接界的热门课题之一[5,6]。
本文针对9Ni钢的焊接方法和工艺进行深入研究，为大型LNG建造技术国产化和建造标准国产化奠定良好的技术基础，对实现大型LNG储罐的国产化建造，节约国家资金具有重要的理论意义和实用价值。
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第1章 绪 论
1.1 课题背景
近年来，世界天然气产量和消费量呈持续增长趋势。产量以年20％速度增长，市场对液化天然气的需求每年以4%的速度递增，从今后我国经济和社会发展看，加快天然气的开发利用，对改善能源结构，保护生态环境，提高人民生活质量，具有十分重要的战略意义。LNG(Liquefied natural gas)贸易是天然气国际贸易的一个重要方面。LNG工业将是未来天然气工业重要组成部分，LNG在我国的应用必将开始一个新的阶段。
LNG工业链是非常庞大的，主要包括天然气液化、储存、运输、接收终端、气化站等。大型LNG储罐是LNG接收站的核心设备，目前，世界上的LNG储罐以10万m3以上为主，其设计标准和形式与以往的大型立式储油罐不同，因此安装技术差别很大。它采用的是外层全封闭混凝土，内层为9Ni低温钢、中间保冷层的复杂结构，制造标准要求高，其安装中的罐顶提升技术、现场焊接技术、内壁安装等关键技术掌握在世界上有实力的大公司手中，并处于保密状态，国内同行业刚刚起步，因此大型LNG储罐9镍钢焊接技术研究已经成为国内焊接界的热门课题之一。
本文针对9Ni钢的焊接方法和工艺进行深入研究，为大型LNG建造技术国产化和建造标准国产化奠定良好的技术基础，对实现大型LNG储罐的国产化建造，节约国家资金具有重要的理论意义和实用价值。
1.2 9Ni钢材料性能研究现状
9Ni钢是目前国内为缓解能源压力，建设液化天然气储罐所必须国产化的重要基础原材料，国内首台9Ni钢制大型低温储罐于1995年12月由扬子石化公司引进，该项目由德国林德公司设计、供料，中国石化第二建设公司负责施工。关于9Ni钢的设计与性能研究是材料领域研究的热点问题，研究重点集中在9Ni钢的成分设计、组织控制和低温韧化机制等方面。
孟祥敏等人对9Ni钢合金的显微结构进行了观察，通过透射电镜和高分辨电镜分析手段，发现9Ni钢经过800℃奥氏体化后淬火并回火处理的
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显微组织与低碳钢中马氏体组织相仿，一个奥氏体晶粒内往往出现不止一个马氏体束，在对同一马氏体束内相邻马氏体片的取向关系进行观察时，发现经常出现有固定取向差的马氏体片存在。在不同热处理条件下的9Ni钢合金样品中，两马氏体片的[110]M取向间普遍存在着5.3°的对称小角度晶界。马氏体间的界面为半共格的规则界面，由台阶和位错组成。9Ni钢中的渗碳体含量很少，在晶界合和晶粒内部都可能析出，大多数渗碳体是颗粒状的，少数为棒状，多数渗碳体与马氏体之间满足Bagaryaskii关系。
9Ni钢在-196℃超低温下仍然具体良好的强韧性匹配，为此其低温韧化机制是研究领域重点关注的问题之一。目前对于9Ni钢的低温韧化机制一直存在争论，但绝大多数研究者认为逆转变奥氏体对低温韧性的提高起到了主要作用，逆转变奥氏体作为一种中间净化剂，有助于洁净柔软的马氏体生成，同时有助于马氏体中不生成连续网状组织。
李锋等人利用透射电镜观察了9Ni钢中逆转变奥氏体的分布及形态，如图1-1所示，并用X射线测定了逆转变奥氏体的含量，当温度低于540℃回火时，试样中没有逆转变奥氏体生成；在540℃以上随回火温度的升高，试样中逆转变奥氏体数量增加；回火温度达到600℃时逆转变奥氏体量达到最大值。9Ni钢中的逆转变奥氏体在低温下并非都稳定，只有在低温下稳定的逆转变奥氏体对低温韧性有贡献，低温稳定的逆转变奥氏体含量越多，9Ni钢的低温韧性越好。
图1-1 9Ni钢微观组织照片
钢材的热处理研究已经取得了很多突出的研究成果，目前，9Ni钢的热处理方案大概有3种：正火+正火+回火(NNT);淬火+回火(QT)和淬火+亚温淬火+回火(IHT)。9Ni钢的第一次正火为900℃空冷，第二次正火为780℃
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左右空冷，回火是在550~580℃空冷或水冷，保温时间根据板厚决定，大约2.4 min/mm，但必须保证保温时间超过15 min。正火处理的目的是细化奥氏体晶粒。奥氏体晶粒越细小，9Ni钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧性也越高。第一次正火温度应高于AC3或ACcm，目的是细化晶粒。第二次正火温度稍低，目的是为了使其发生相转变，获得板条状马氏体组织，回火是为了获得α相和少量的富碳、镍奥氏体。经3种热处理工艺处理的9Ni钢，服役状态下其显微组织基本相同，主要由回火马氏体和奥氏体组成(图1-2)。从图1-2可见，回火组织保持了马氏体的板条结构，板条间有奥氏体。回火过程中由于碳的损失，基本已经转变为铁素体。奥氏体是沿着回火马氏体片或沿着形成马氏体的原奥氏体晶粒边界分布，形态呈粒状或条状。通常认为，热处理后大约10%奥氏体的存在对9Ni钢的低温韧性是非常有益的。
图1-2 9Ni钢经NNT处理后的显微组织
虽然对9Ni钢已经进行了多年的相关研究，但是仍然有个别问题没有形成完全清楚和统一的认识，尤其是对于低温韧化机制和焊接机理还有待于进一步深入研究，该领域研究工作为新型低温用钢的开发奠定了理论基础。
1.3 9Ni钢焊接技术研究现状
焊接技术是9Ni钢球罐制备的核心技术之一，9Ni钢由于其材料本身性能的特殊性，在焊接方面也具有一些特殊的要求，9Ni钢焊接过程中容易出现的问题主要包括热裂纹、电弧磁偏吹和冷裂纹三种，其中热裂纹缺
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陷比较突出，需要重点控制。9Ni钢焊接热裂纹的产生主要是由于合金中S、P等元素极易与Ni形成低熔点共晶，造成晶间偏析，另外C和Si也容易促使S、P等偏析，从而导致热裂纹的出现，热裂纹缺陷在采用高镍型焊条是最为严重。电弧磁偏吹主要是由于9Ni钢具有高的导磁率和剩余磁感应强度，焊接过程中在碳弧气刨等大电流的作用下容易产生较大的剩磁，此时可以采用添加永久磁铁抵消坡口内磁场的方法。冷裂纹缺陷只是在采用低镍型焊条时，焊接工艺条件不当的条件下可能产生，在使用高镍型和中镍型焊条焊接9Ni钢时一般不产生冷裂纹。目前国内外在9Ni钢的焊接领域已经积累了一定的研究经验，关于9Ni钢的焊接材料、焊接方法和焊接工艺的研究主要是基于其焊接问题而相应展开的。
1.3.1 9Ni钢焊接材料研究现状
基于9Ni钢焊接时容易出现的问题，选择焊接材料一般应考虑以下几方面因素：(1)低温韧性匹配，9Ni钢主要用来建造低温设备，焊缝要在低温下工作，在选择焊接材料时，一定要考虑焊缝的低温韧性问题。(2)热膨胀系数匹配，9Ni钢的线膨胀系数较大，在20~196℃之间，线膨胀系数为8205310-6℃-1。为了降低接头的焊接应力，在选择焊接材料时，焊缝金属的热膨胀系数应尽可能的接近9Ni钢的热膨胀系数。(3)抑制电弧磁偏吹，尽量选用适应交流电源施焊的焊条或焊丝焊剂。
具体来说，9Ni钢焊接材料熔敷金属力学性能指标一般包括屈服强度、抗拉强度、伸长率和吸收冲击功，此外还要考虑焊接材料的低温韧性、焊缝金属熔化温度和热膨胀系数。9Ni钢在电弧焊中常用的焊接材料有4种，即w(Ni)=11%的铁素体型、w(Ni)=13%和w(Cr)=16%的奥氏体不锈钢型、w(Ni)>60%的镍基型(Ni-Cr-Mo系合金)和w(Ni)≈40%的Fe-Ni基型(Fe-Ni-Cr系合金)。这4中焊接材料在工程上都有应用，从韧塑性和热膨胀两方面考虑，Ni基和Fe-Ni基合金都是焊接9Ni钢最适合的焊材。虽然高镍合金焊材将增加成本，但使用高镍合金焊材时接头低温韧性高、抗冷裂纹性能好、线膨胀系数与9Ni钢接近、不需要进行焊前预热和焊后热处理，因此高镍焊材是解决性能和结构完整性等首要问题的最适合的选择。
目前，国内外焊接9Ni钢的镍基焊条中，使用最多的是ENiCrMo-6和
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