LNG储罐焊接技术及发展课件.ppt
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- LNG 焊接 技术 发展 课件
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1、刘红坚 2010 2010年年9 9月月一、前言一、前言 目前世界各国都在积极推动低温液化气的储备。随着我国经济的迅猛发展,我国的能源产业结构也在发生巨大的变化,国家极力支持液化天然气项目的发展,并把实施LNG进口多元化发展战略作为国家能源战略的重要组成部分。06年启动的三大LNG接收站项目广东、福建和上海LNG项目相继投产,目前大连、江苏项目正处施工阶段。LNG接收设施主要由用于LNG接收储存的低温储罐、LNG码头及栈桥区、灌区泡沫站、气化区、增压/冷凝区、火炬区、公用工程、计量输出区、槽车装车区等组成,其中LNG低温储罐的安装是建设的核心和关键。LNG低温储罐通常是双层壁结构的立式拱顶储罐
2、,外壁为预应力混凝土结构,内侧为双层壁钢结构。外层普通碳钢板紧贴混凝土 (通过预埋件贴在外罐壁混凝土层内侧并密封焊接),最内层为9%Ni钢(例如ASTM A553 Type1等),厚度从下到上呈递减型(16.5万立方储罐内罐底圈壁板为26.2mm,顶圈壁板为12 mm),内外层结构间距一般在850mm以上、1000mm以内,中间夹层填充特殊的绝热材料;罐顶也是双层结构,顶板是普通碳钢板,悬挂在外顶层内壁的吊顶是铝板(例如ASTM B209M5083),通过吊杆(SS)与外罐拱顶骨架连接,内外顶之间夹层填充特殊的绝热材料,在顶板外侧为混凝土层。罐底由三层钢板及保冷层组成,最下层底板为碳钢板,底板
3、和次外层底板为9%Ni钢,每两层底板之间铺设泡沫玻璃砖保冷层。储罐罐壁无管口,所有管线都由罐顶开孔与罐内连接。其结构如下图:储罐工艺设计数据项目内罐外罐储存介质(液化天然气蒸汽)有效容积(m3)165.000m3工作温度()1653.5设计最低温度()-196-20最高工作压力(MPa)0.5设计压力(MPa)0.75安全阀起跳压力(MPa)0.55直径(mm)8000082000最大设计液位(mm)37385射线探伤100%罐外低温管线100%腐蚀裕量01焊缝系数1.0罐底1.0,其余0.9主体材质9%NiA516Gr380、A36下面主要以上海LNG储罐的焊接施工为例进行介绍:二、储罐材料
4、介绍二、储罐材料介绍2.1 储罐所包含的主要材料外罐:A36、A516Gr380、A516Gr450铝吊顶:B209M 5083-O内罐:A553 TYPE 1(9%Ni钢)螺柱:A108 Gr1015、A276 TYPE 304接管及套管:TP304L、API 5L Gr.B、A516Gr450 2.2 9%Ni钢介绍 9%Ni钢于1944 年由美国INCO 公司开发发明的一种优良的低温用钢,1948 年推向市场。1956年初列入ASTM标准。1960 年以前9%Ni钢只能用铁素体焊条焊接,需进行焊后消除应力的热处理,这对于制造大型储罐是一个难题。1960 年10 月,采用Inconel型焊
5、条焊接9%Ni钢成功,并通过了液氮温度下的爆破增压试验。后来开发的9%Ni 钢的双正火+回火(NNT)热处理工艺和淬火+回火(QT)热处理工艺使9%Ni 钢的焊接不需进行焊后消除应力的热处理。1962 年,ASTM规范认定:板厚不超过38mm 的储罐可以不进行消除焊接接残余应力热处理,1963年又扩大到50mm,使9%Ni 钢用于大型LNG 储罐制造成为可能。1952 年,第一台9%Ni钢储罐在美国投入使用。1965 年法国用9%Ni 钢建造了第一艘LNG 油轮Jules Verne 号,舱容 2.584 万m3。日本大规模使用9%Ni 钢开始于1969 年横滨港建成的3.5 万m3 和4.5
6、 万m3 LNG储罐,1977 年将Ni9 钢列入JIS 标准,JIS G3127对9%Ni钢的热处理进行了如下要求:双正火+回火处理(NNT)和淬火+回火处理(QT)。1980 年日本建成了7.5 万m3LNG 储罐。1991 年JIS G3127 中明确指出:根据需要可进行中间热处理。1982 年后,9%Ni钢已经成为低温储罐主材,逐渐取代了Ni-Cr 不锈钢,截止到1995 年世界上已建的最大9%Ni钢储罐容积为14万m3。由此可见,9%Ni 钢已是国际上低温设备领域广泛使用的钢种,其焊接性能良好,焊接工艺已日臻成熟。而在我国由于对9%Ni钢焊接的研究和应用比较晚,特别是在LNG储罐焊接
7、方面,还没有形成自己的标准,工艺规范也不完善。目前推荐并且常用的热处理方法有三种:(1)NNT处理 第一次正火加热至900 空冷。第 二次正火加热至790 空冷,然后在550-580 回火后急冷处理后的组织为回火马氏体与贝氏体。(2)QT 处理 800 水淬或油淬,然后550-580 回火处理后的组织为低碳马氏体。(3)+双相区淬火+回火(Intercritical HeatTreatment,简称IHT)一般为800水淬+670水淬,然后经550580 回火,处理后的组织为低碳马氏体。Ni是9%Ni钢的主要合金元素,它在该钢中的作用是降低钢的脆性转变温度,提高它的冲击韧性。Mn 在该钢中可以
8、细化晶粒,同时还可以提高w(Mn)/w(C)的比值,起到提高钢的韧性,降低转变温度的作用。C在该钢中可以提高钢强度。S、P含量应严格控制,否则会使脆性转变温度升高,增加热裂纹的倾向。因此,为了保证9%Ni 钢具有良好的低温韧性,应严格控制该钢中的C、Si 等其它元素及S、P等杂质含量。9%Ni钢的化学成分和力学性能钢的化学成分和力学性能(wt,%)上海LNG用低温钢板的化学成分及机械性能见下表:A553TYPE1钢化学成分 化学成分CMnSiSPCrNiCuMoNb规定值Max 0.13Max 0.90.15-0.4Max 0.002Max 0.009Max 0.308.5-9.5Max0.4
9、0Max 0.12Max0.02A553TYPE1钢机械性能 机械性能s(MPa)b(MPa)延伸率(%)冲击功(J)-196侧向膨胀值规定值585690-8252050 0.381mm 2.3 9%Ni钢的焊接性能 9%Ni钢以其优良的低温性能和焊接性能被认为是制造低温压力容器/储罐的最佳材料,焊接9%Ni钢主要问题是保证焊接接头的低温韧性、防止焊接裂纹、防止电弧磁偏吹等问题,这与焊接材料的类型、焊接热输入、焊接工艺有关。(1)焊后低温韧性下降:焊接接头的低温韧性问题出现在焊缝区、熔合区和粗晶区。焊缝金属的低温韧性与采用焊接材料的类型有关,采用与9%Ni钢成份相同的焊材时,焊缝金属低温性能很
10、差,主要是由焊缝金属含氧量过高造成的。熔合区的低温韧性与所出现的脆性组织有关。当采用Ni13%Cr16%型奥氏体不锈钢焊接材焊接9%Ni时,熔合区的化学成份既非奥氏体钢也非9%Ni钢的成份,而是富含Cr、Mn、W与C的区域。熔合区的硬度明显比焊缝金属的硬度和热影响区的硬度高,熔合区的硬度又随位置的不同而不同,熔合区存在脆硬层,该区域是板条马氏体和挛晶马氏体复合而成。(2)焊接热裂纹 采用Ni基、FeNi基或Ni13%Cr16%奥氏体不锈钢焊材焊接Ni9钢时,都可能产生热裂纹,如用25Cr16Ni13Mn8W3焊条焊接Ni9钢时,可能产生弧坑裂纹、高温失塑裂纹、液化裂纹,也可能在熔合区中产生显微
11、疏松。焊接热裂纹易产生在打底焊缝或定位焊缝中。如果夹渣较多时,也能从夹渣处产生裂纹,定位焊时在起弧处也可能产生裂纹。显微疏松或称折叠中的显微裂纹主要产生在熔合区,这种缺陷一般很小,所谓折叠是焊接过程中由于电弧的搅动,把部分母材带入焊缝中造成的。带入焊缝中的这部分母材虽经熔化,但未与焊条金属相混合,其成分基本上是原9%Ni钢的成分,因为焊缝金属的合金元素比母材高的多,其熔点低于9%Ni钢。陷入折叠之中的焊缝金属的凝固晚于周围的折叠金属,因而在它凝固时的不到金属的补充而产生裂纹实际是显微疏松。消除以上裂纹的方法是减少有害元素,采用正确的焊接技术并配和适当的打磨。(3)焊接冷裂纹 9%Ni钢与同强度
12、的其它低合金钢相比有较好的抗冷裂性能,在低氢条件下不产生冷裂纹,但采用低Ni高Mn的奥氏体焊条时,因母材稀释作用在熔和区附近会出现高硬度的马氏体带,对氢脆敏感,防止焊接冷裂纹的措施是:施焊中严格执行焊接工艺规程特别是焊条烘干、焊接环境湿度、焊接规范等。采用Ni基焊材时可使熔合区不出现高硬马氏体,有效防止冷裂纹。(4)电弧磁偏吹 焊接9%Ni钢时易发生磁偏吹,防止措施是控制母材剩磁率在50高斯以下,但是焊接过程中剩磁率在20高斯以上。因此,应尽量采用交流焊接避免用大电流的碳弧气刨清根,或采用磁铁消磁。三、焊接工作的难点及关键点 在LNG焊接施工中,通过对9%Ni钢的焊接性进行分析,内罐作为储罐焊
13、接施工的核心,其主要焊接难点如下:钢材硬度大,坡口加工的难度较大;钢材易磁化;焊缝易产生冷、热裂纹;焊接电弧的磁偏吹;四、主要应用的规范 目前国内对于低温储罐的施工方面还无具体的验收规范,施工主要参考国外相关规范,焊接工艺评定及焊接施工主要应用的规范如下:BS7777-1993立式圆筒型低温储罐 EN287-1:1992钢熔化焊焊工考试 EN287-2:1992铝熔化焊焊工考试 EN288-3-1992金属材料焊接工艺评定-钢材 EN288-4-1992金属材料焊接工艺评定-铝及铝合金 EN571-1997无损检测着色检测 EN895-2001拉伸试验 EN910-1996弯曲试验 EN100
14、45-1993冲击试验 EN1043-1997硬度试验 EN ISO 5817-2003焊缝无损检测评定 ASME 焊接和钎焊评定标准 51 外罐的焊接方法 外罐的焊接,主要为SMAW,螺柱的焊接采用螺柱焊和SMAW。五、焊接方法的选择外罐壁板安装焊接拱顶螺柱焊接 铝吊顶的焊接焊接 52内罐的焊接方法 目前焊接9%Ni钢主要焊接方法是焊条电弧焊(SMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)、熔化极惰性气体保护电弧焊(GMAW)和埋弧焊(SAW)。钨极氩弧焊的焊接效率太低,在工程中选择这种焊接方法不太经济,但是,能得到具有窄坡口的高质量的焊接接头,特别是采用 低镍型焊接材料焊接9%Ni钢时,钨极氩弧焊是非
15、常好的焊接方法。所以只是在特定的场合下才选择使用钨极氩弧焊。手工熔化极惰性气体保护电弧焊的熔敷速率大,但对焊工的焊接技术要求较高。该焊接方法的主要缺点是容易产生熔合不良和气孔。焊条电弧焊是9%Ni钢现场焊接的一种适合各种焊接位置、非常灵活且可行的焊接方法。该焊接方法可以达到很高的合金过度系数,甚至高达170%。埋弧焊是熔敷速率最高的一种焊接方法,特别是在环焊缝焊接时,由于使用了环缝焊接机械系统,埋弧焊的优点表现得更加突出,但它只适合于焊接横焊缝和水平位置焊缝。对于立式储罐的纵焊缝,虽然现在已经开发出了气电立焊设备,且自动化程度很高,但是由于气电立焊的线能量偏大且不易控制,所以不适合用来焊接9%
16、Ni钢。立焊缝仍然用焊条电弧焊焊接。生产实践证明,焊条电弧焊和埋弧焊是9%Ni钢储罐现场焊接效率最高的焊接方法。由于LNG储罐的焊接工作量大,对于9%Ni钢的焊接目前主要应用的方法有:手工电弧焊、埋弧自动焊,也是目前我国LNG储罐本体普遍采用的焊接方法。其中手工电弧焊主要应用于壁板的立缝、底板、大脚缝、热转角保护板,埋弧自动焊主要应用于壁板的横缝。下面是我公司上海LNG储罐的焊接方法示意图:内罐壁板角缝焊接内罐壁板环缝焊接 9%Ni钢的焊接材料可归纳为四种类型,即含Ni 约60%以上的Inconel型;含Ni 约40%的Fe-Ni基型;含Ni13%-Cr16%的奥氏体不锈钢型和含Ni11%的铁
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