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低温储罐焊接技术分析

浏览次数: 日期:2015年5月5日 09:28

低温储罐焊接技术分析
(秒速时时彩|秒速时时彩开奖直播-秒速时时彩开奖纪录  西安市阎良区 710089   刘仲民)

 

摘   要:   本文针对低温储罐焊接,分析了储罐设计用钢的组织特点和焊接热循环中材料组织状态的转变以及对罐体低温冲击韧性的影响,正面提出了焊接要求和工艺原则,侧面从焊接理论角度,分析、论述,并深入到断裂力学,进一步研究了低温罐的焊接问题。

关键词:    大型低温储罐     低温用钢     焊接接头     断裂力学

0 概述
    随着新能源结构的不断调整和变化,考虑到这些巨量能源开发后的储存和运输,势必会带来新的问题——原有物流仓储业的膨胀与发展。由于我国原有多以球罐群为主的高压力、较高的焊接应力和残余应力、高危险且属于小容量原料储存方式的实际国情,已相当的落后,这远远不能满足国家新型能源发展战略的实际需求,因此,必须兴建大型低温储库,以克服球形储罐盛装低温液体的不稳定性的弊端,并在日后逐步取代之。所谓低温储存就是将物料冷冻到其沸点以下,以液态常压形式保存物料。其突出的优点是安全、占地面积小、单位容量大、建造成本低。很明显,储罐安全,乃成为首要的问题。除从结构安全因素考虑外,其次,其材料的选择和焊接质量的控制等方面,也无疑是非常重要的环节。
    本文就大型低温储罐的焊接,从材料、工艺、显微组织特征及焊接热循环诸方面做简要的探讨。
    1 低温罐类型

    国内大型低温储罐的建造主要依靠德国和英国,现在,随着低温罐技术国产化日趋成熟,大型低温储罐是低温储存系统的核心设备。目前国内大型低温储罐按储存介质,主要分为①液氨储罐;②液化石油气储罐;③丙烯储罐;④乙烯储罐;⑤液化天然气储罐等几种类型。
    2  低温储罐用钢
    低温钢基本上属于合金钢范畴。依靠德国技术,进口美国低温钢Ni9和Ni3.5等低温钢钢材,并采用德国(TGE燃气公司)、英国(康泰斯低温罐)设计技术,长期以来受到脱硫、磷水平的限制,国产低温钢焊后的低温性能极不稳定,相关的资料也比较少见。近年随着冶金技术的提高,低温钢获得了一定的发展。相继开发出了09MnNiDR、12MnNiVR、15MnNiDR、10Nil4、12Nil4及t3MnNi63等钢种。一些已列入了最新国家标准中。其中,09MnNiDR已成功应用。
    在我国,对于3.5Ni、5Ni、9Ni进口钢等,至今仍尚未建立相应的国家标准。而国外的低温储罐用钢已经形成系列化和标准化。其中,最具代表性及权威性的一直是英国和德国、美国等西方发达国家,独占市场。目前,大型低温储罐的设计和建造标准是:英国BS7777(低温工作条件下的立式平底圆筒形储罐)、美国APl620(美国石油协会标准),这些国家,在设计建造低温罐当中,早就积极全面地引用了这些低温钢材料标准。
    为了实现国际技术国产化,我国设计的低温罐使用石油行业标准《大型焊接低压储罐的设计与建设》(SYT0608-2006),其中,使用了具有良好低温力学性能、耐腐蚀、耐酸等优势的不锈钢:304L/304奥氏体不锈钢,如,常压乙烯储罐、LNG罐。根据使用温度的不同(设计上,可满足-196℃苛刻的恶劣工况,而LNG低温罐实际使用服役工况,往往却在-169—153℃左右),也经常被设计在低温罐方面。逐渐实现了建造低温罐技术国产化,主要是降低进口钢材和焊材的巨大费用。
2.1 低温钢的组织和性能
    了解低温钢的组织和性能,有助于制定最合理的焊接工艺措施。任何钢种,其组织与性能都取决于化学成分和热处理状态。钢的组织状态的变化,一般应用其连续冷却转变图分析,不同的冷却速度将获得不同组织结构。在低温钢中,Mn和Ni为固溶强化元素,同时有稳定奥氏体γ相的作用,Mn和Ni的增加,将促进马氏体的转变。Ni是强烈改善低温韧性的元素,在与焊接材料的匹配中,溶敷金属含有一定的Ni是非常重要的。Mo和Cr显著提高钢的强度,倾向于促进贝氏体的形成,Mo同时有很强的细化晶粒的能力,改善钢的综合性能。V和Nb是弥散分布碳化物和氮化物的形成元素,以另一种形式细化晶粒并提高钢的强度。实践证明,微量的V可显著改善焊缝热影响区的低温韧性。奥氏体晶粒度的大小直接影响珠光体的转变,提高奥氏体化的温度有利晶粒变细,减慢珠光体的转变。因此,在淬火或正火处理时,加热温度一般比Ac3高出30~50℃,以获得较细的晶粒度。
    在焊接条件下,热影响区最高加热温度可达1250~1400℃,晶粒将显著变粗,冲击韧性下降,分析焊接热循环对性能的影响意义重大。从显微组织来看,低碳(≤0.20%)回火马氏体具有最佳的综合性能,其次就是贝氏体组织。它们强度好、冲击韧性高。钢板的调质目的就是获得这样的组织结构。有所不同是,一100℃以下使用的低温钢,基本上依靠合金元素来获得优良的低温性能。但其热处理的条件也更加苛刻,如俗称的三级调质(中间加700℃回火),目的都是保证获得期望的基体组织和满意的晶粒度。这类钢的组织以低碳马氏体为主,如9Ni钢。正因为如此,这类钢焊接接头熔合区性能的控制是有难度的。
2.2 焊接热影响区的特点
    焊接时强烈的不均匀加热,热影响区组织处于不断变化的温度、应力和应变的状态下转变,使得组织极不均匀,并成为整个接头的薄弱环节。根据热影响区热循环温度分布分析表明:焊接热输入量决定热影响区的宽度和加热最高温度,同时,如果温度恒定的话,热影响区的宽度与板厚成反比。这说明了在焊接薄板时,焊接接头热影响区的低温冲击试验很容易出问题。影响热影响区晶粒变粗的另一个重要因素是:温度在奥氏体A线以上的停留时间,这个高温停留时间取决于加热速度和冷却速度。而热影响区的组织状态主要由冷却速度决定。
3 对焊接接头的基本要求
    服役于低温苛刻工况的焊接接头,对其基本的要求主要反映在两个方面:一是焊缝金属和热影响区在具有足够强度的同时,还要有可靠的低温冲击韧性;二是焊接接头无裂纹等缺陷的存在。在现有技术下,保证接头的强度是轻而易举的事(9Ni钢除外),但可靠而简洁地获得满意低温性能对材料的选择和检验是一个考验。目前评估材料韧性的主要手段是V型缺口(夏比)冲击韧性试验。除此之外,断裂力学的研究成果也已逐步应用到工程实践中来。国外低温焊接材料标准中已明确给出了CTOD(Crack Tip Opening Displacement裂纹尖端张开位移)值。
    关于焊接接头的合格标准,一般根据母材的性能确定,也可按照具体产品的技术性能要求确定。焊接接头的缺陷控制一直是焊接施工过程的重要控制环节。
4 低温储罐的焊接工艺
    大型低温储罐的焊接,重要技术就在于考核焊工在小线能量下获得优质焊缝的能力,这对保证焊接热影响区和低温性能,是非常关键的。熔敷金属的各项性能已基本不再会轻易出现问题。但在热影响区范围包括熔合线部位,常常出现低温韧性恶化的现象。
    在焊接施工中,对同一材料同一焊接方法,其具体的焊接工艺参数是大同小异的,有所独特的是采用什么样的工艺措施,简单、有效、可靠地保证焊接接头满足规定的要求。因此,本文没有讨论和介绍具体的低温储罐焊接工艺参数。但强调的是:焊接前必须进行焊接工艺评定以及其施工现场焊接考试工作,且焊工必须持有技术监督局颁发的焊接合格证方可施工焊接。
4.1   焊接施工工艺
    一般情况下,大型低温储罐的焊接施工流程由总承包方制定,从焊接材料、焊接方法到具体的焊接工艺要求和检验试验程序都已有明确的文件规定。施工单位只是遵照执行。
    无论如何,对图纸的工艺性分析是非常重要的。它涉及到焊接的便利性,无损检测的可达性。好的结构设计,便于更大程度的采用自动化焊接手段。
    焊接施工前,关于焊接评定、无损检测、质量验收和安全监察过程中执行标准的确定,是一个特殊的问题。因为对大型低温储罐,国内石化行业虽有标准予以规范,但目前基本采用的是美国石油协会标准APl620《大型焊接低压设计与建造》。而APl620引用了大量美国自成体系的ASME (Ⅸ)-2010标准,要求很高(体现在薄板焊接方面),这给施工,焊接及焊接试验和监检带来一定困难,也存在一些法理问题。目前通行的做法是采用国内相关标准代替。如:焊接评定采用NB/T47014-2011,无损检测采用JB4730—2005.1~5等。
    BS7777对评定试件的试验提出了特殊要求。尤其对薄板和9Ni钢,焊缝横向拉伸需要测定应变量,以准确考量焊缝的强度性能。这样的要求,实际是与设计体系相关的。因此,不仅仅是标准的替代那样简单。
4.2 纵缝和环缝的焊接
    近年来,在低温罐上,气电立焊焊接立位纵缝自动埋弧焊环缝焊接已基本普及。目前,横缝焊接已向双面埋弧焊和多丝埋弧焊方向发展。操作埋弧焊的关键,是底层焊道焊丝的对准和合理的焊道排布。否则,很容易出现根部未焊透、层间未熔合和气孔等缺陷。焊丝的干伸长也是不应忽视的控制点。一般底层时在25mm左右,填充和盖面时不超过35mm。气电立焊的成型关键在于气体保护以及滑块强迫熔池冷却成型。也类似于电渣焊成型焊缝机理。罐体纵立缝的自动热丝氩弧焊技术更先进,但是,该技术成本较高些,仅仅部分大企业积极引进,该项焊接技术,焊接出来的焊缝低温韧性最好。
4.2.1手工电弧焊(SMAW)
    根据低温罐采用材料强度级别的不同,手工电弧焊焊接过程中不宜横向摆动运条,因此焊工需经过一定的培训和练习。这个要求对薄板(≤8mm)的焊接很重要。工程实践中,以单根焊条的焊接长度来考核焊工执行工艺纪律的情况。该技术施工效率低下,焊接人为因素多些,焊接质量不稳定。
4.2.2  药芯焊丝气体保护焊(FCAW)
    药芯焊丝气体保护焊在低温罐底层或者顶层平角焊缝上的运用是我公司近年开发的项目。主要用于罐底和罐顶部位纵缝的焊接。焊接工艺与普通药芯焊丝电弧焊(FCAW)没有太大差别,关键在于焊接材料的选择。
焊接经验证明:通过一系列试验,分析其焊缝(t=10 mm)力学性能测试结果,可以很明显的看出来,采用自动焊以后,热影响区低温韧性获得很大提高,同样在埋弧自动焊中也呈现这样的规律。在厚板焊接中,药芯焊丝气体保护焊焊缝的低温韧性有下降趋势。但限制每层焊道的厚度可以很好的避免这种现象的发生,一般应控制在3~5mm为宜。保护气的组成,一般为80%Ar+20%CO2:,提高氩气的混合比例,可相应提高焊缝的低温冲击性能。CO2:气体必须经过加热才能与Ar气混合使用。焊接的坡口可以不留钝边,并保留2mm左右的间隙。背面加铜垫板,进行强迫成形。这样背面焊接前,只需少许打磨一下即可。可以节省大量的清根工作,大幅提高工作效率。
    由于用于低温罐的药芯焊丝气体保护焊焊机是专门设计的,有很好的防风设施,焊缝的一次合格率非常高,很少出现超标的内部缺陷。
4.3 壁板人孔、接管的焊接
    壁板人孔、接管的焊接是一个需要关注的重要点。这是一个高拘束度的结构点,也是储罐在运行中随液位的升降受交变应力较大的部位。壁板人孔、接管的焊接主要在于合理的焊接顺序,其原则是先里圈后外圈。先焊填充金属多的部分,另一边焊前须清根打磨,经表面探伤合格后方可进行焊接。焊接过程中,须严格控制层间温度,尽量做到一次连续焊完,以保持适当的温度,减少温度分布的不均匀性。般内罐壁板都不设立任何接管包括人孔。所有的开孔都在罐顶部位,液体的输送采用液内泵解决。彻底根除人孔、接管焊缝中可能的缺陷所带来的隐患。
5  焊接裂纹
    各种裂纹的形成机理,目前已研究的比较透彻。在施工中,防止冷裂纹的主要措施还是从焊材的烘烤、保温及焊接区域的清理出发,减少氢的来源途经。在建造罐的实践中,很少见到发生裂纹的情形。在低温罐焊接中,出现裂纹机率较大的部位主要有下列几处:
(1)壁板人孔、接管角焊缝;
(2)承压圈环形焊缝.
(3)临时工装焊点部位。
    一般在LPG罐中,除(3)外,这些部位的裂纹基本是冷裂纹,而在LNG罐中,产生热裂纹的机率较高。
6  断裂力学分析
    在低温储罐焊接中,裂纹是承载设备发生突发性破坏的罪魁祸首。材料在有裂纹的状况下抵抗断裂的能力——断裂韧性。简单来说,断裂力学的主要课题,是研究材料的断裂韧性、裂纹尺寸和应力水平三者之间的函数关系。实质上,从另一个角度来说,断裂力学的任务就是通过断裂韧性指标来评估材料的韧性,并由此预测带有裂纹的设备在设计条件下安全运行的周期。
    裂纹的安全评估主要有三个方法。一是以裂纹周边的平均应力不超过材料屈服强度的一半为前提,即线弹性断裂力学;二是以变形量作为衡量材料断裂韧性的指标,它不但适用于材料屈服前,而且也适用于超过屈服后的应力一—应变状态,也就是弹塑性断裂力学;三是以能量为指标来确定断裂韧性的方法。通过线弹性断裂力学可以计算疲劳裂纹的扩展速率,由此可以推断带有裂纹缺陷的设备可以安全运行的周期。而前面我们提到的焊接材料的断裂韧性指标断裂韧性KIc、临界裂纹张开位移δCOD,则是以弹塑性断裂力学确定的。断裂力学已进入实际应用阶段,为高危设备的断裂安全分析打开了一个新局面。大型低温储罐连续运行周期在30年左右,在如此长的时期内保证100%的没有裂纹或不出现裂纹是不现实的。特别是罐壁人孔、接管部位和承压圈等高应力部位,难免出现延迟裂纹和其它线性缺陷。应用断裂力学进行安全运行评估是非常必要的,也是切实可行的。

    综上所述,低温储罐的焊接,最大的危险就是焊缝或热影响区低温韧性的下降。影响低温韧性最主要的因素是焊接材料和焊接热输入量。裂纹主要出现在打磨后的工装焊点部位的表面上,工艺正确,焊缝中出现裂纹机率不大。虽然从焊接冶金的角度说,焊条手工电弧焊最能保证焊缝的性能,但因人为操作因素的影响,薄板焊缝热影响区的低温韧性波动较大。大力推动自动化焊接手段在大型低温储罐的施工中的应用,有利于获得质量稳定的焊接接头。自动焊接手段的多样化是今后大型低温储罐焊接施工的发展趋势。

参考文献:

l《现代焊接生产实用手册》,主编陈裕川,机械工业出版社           2005

2((焊接手册(第2卷),材料的焊接)),中国机械工程学会焊接学会编,机械工业出版社.1992   

3《((焊接手册(第3卷),焊接结构)),中国机械工程学会焊接学会编,机械工业出版社.2008                             

4《断裂力学》,沈成康解明芳著,同济大学出版社                   1996

5《大型焊接低压储罐设计与施工》API620  std620-2002(第十版)     

6《焊接和钎接评定》 第Ⅸ卷  ASME(2010版)

7《承压设备焊接工艺评定》 2011 国家能源局出版

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