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摘 要：针对9Ni低温钢特性、9Ni钢焊接施工中存在问题的控制措施、9Ni低温钢焊接核心技术进行了归纳总结。通过现场实践可知，按照改进的施工方法能够有效避免9Ni钢焊接过程中易产生的问题，达到理想的施工效果。
关键词：9Ni钢；LNG；低温储罐；焊接
1 9Ni低温钢特性
与普通碳钢相比，9Ni钢属耐低温的合金钢，世界各国普遍采用该材料作为LNG用钢。9Ni钢在-165℃乃至-196℃低温下仍具有较好的强度和韧性，因此其在低温状态下具有抗冲击性能强、低温韧性好的特点，其可焊接性优于一般高强度钢。为了获得良好的低温性能，应严格控制硫、磷的含量，以增加9Ni钢回火脆的敏感性。另外，保持硅和钼元素处于较低的含量，以促进9Ni钢的低温韧性。因此，通过化学成分的最佳搭配以及热处理方法能控制9Ni钢材料的组织。
2 9Ni钢焊接施工中存在问题的控制措施
2.1 冷裂纹和热裂纹的控制措施
冷裂纹产生的主要原因有应力、硬组织和焊缝金属扩散氢含量，而热裂纹的产生则与应力、杂质和化学成分有关。控制措施如下：
（1）选择低氢、低碳的焊接材料，使焊材与母材在室温和高温下的线膨胀系数基本相近，从而避免因不均匀的热胀冷缩造成的热应力。
（2）施焊前，利用有机溶液清洗或打磨的方法。对焊接坡口表面进行清理，保证坡1：3及其附近没有氧化皮、油污、水和有机物等杂质。
（3）环境温度低于5℃时，焊接前必须对母材进行预热处理。
（4）施焊过程中，认真做好层间清理工作，确保无熔渣等杂质，然后再进行下一层的焊接。
（5）焊材严格按照要求保存，对于开启密封装置后，4h内未用完的焊条，要放回烘干箱内烘干后方可使用；且放在保温桶内随取随用，对于埋弧焊丝和焊剂，在不能及时使用时必须妥善保管，严禁长时间暴露在空气中。
（6）采用合理的组装工艺和焊接顺序来减少拘束应力。
（7）严格按照焊接工艺规程施工。
2.2 低温韧性的保证措施
9Ni钢焊接时焊缝、熔合区和热影响区在焊接后低温韧性都有可能降低，焊缝金属的低温韧性主要与焊接材料有关，熔合区的低温韧性主要与所出现的脆性组织有关，而焊接热输入、层间温度是焊接热影响区低温韧性的主要影响因素。控制措施如下：
（1）正确选择焊接材料，选择高Ni的焊材，焊接时虽然通过高温损耗和母材对焊缝金属的稀释，仍有足够高的奥氏体组织，避免熔合线出现脆硬马氏体带。
（2）严格控制线能量（采用小电流），尽量采用较小的热输人焊接。
（3）母材超过8mm时必须采用多道、多层焊接。
（4）严格控制层间温度，最高层间温度为170℃。
（5）焊缝背面清根时尽量采用砂轮机打磨，减少渗碳层的产生。
（6）焊条摆动宽度不允许超过焊条直径的3倍，每层的填充厚度不超过4mm。
2.3 磁偏吹的控制措施
（1）母材在加工运输过程中避免与磁性材料接触。如仍有剩磁，焊前可对9Ni钢进行消磁处理，确保母材的剩磁量在要求值之內。
（2）选择防止电弧磁偏吹的焊接材料。
（3）在焊接设备上选择交流方波焊接电源。
（4）尽量用砂轮打磨，避免气刨或采用直流焊机引起的母材磁化问题。
（5）注意消除因坡口加工引起的磁化与污染。
3 9Ni低温钢焊接核心技术
3.1 焊接方式
LNG储罐一般情况下容积较大，以致焊接工作量较大。在内罐壁进行立缝焊接操作时，采用手工电弧焊完成组焊，焊接接头形式是开坡口。采用埋弧自动焊（SAW）可提高内罐壁板环缝焊接效率。焊接接头的形式和手工电弧焊一样，也是开坡口。同时，分为手工电弧焊和埋弧自动焊来进行焊接工艺评定试验。
3.2 9Ni低温钢材料
9Ni低温钢在低碳马氏体型低温用钢中，9（Ni）含量为8.5%-9.5%，因此其具有明显的脆性转变温度和体心立方结构。不同化学成分的含量，尤其是Ni和C的含量，决定了9Ni低温钢的低温力学性能，且钢的纯净度及微观组织还决定9Ni低温钢的韧性。要降低Mn、Mo和Cr这几种元素的含量，因为其含量过高会损害钢的低温韧性，一般Mn的质量分数控制在0.6%左右。为降低AC3点、细化晶粒和脆性转变温度，以改善材料低温韧性，钢中还要添加质量分数为9%的Ni，添加少量Cu元素可提高9Ni钢的强度和韧性。此外，为有效地细化晶粒，钢中应加入少量的Nb元素，顺便也可提高材料的低温韧性。此外，因为S和P的存在会降低9Ni钢的低温韧性，所以要严格限制S和P的含量。
3.3 焊材的选择
整个低温储罐的关键是LNG内罐壁板的焊接质量。选择9Ni钢焊接材料，要考虑到以下问题：
（1）9Ni钢用来生产低温设备。焊缝要在低温下进行，焊缝的低温韧性问题要考虑到。
（2）9Ni钢线膨胀系数大。为降低焊接残余应力，在选择焊接材料时，焊缝金属的热膨胀系数要尽量接近9Ni钢的热膨胀系数。
（3）9Ni钢易出现磁偏吹现象，是因其是一种强磁性材料。因此，尽量选用适应交流电源施焊的焊条或焊丝焊剂。连接储罐罐体的焊缝必然经受热膨胀循环，因LNG储罐在运行过程中随工作温度的变化会产生膨胀和收缩。由于是9Ni钢所使用的焊材，其熔敷金属应与母材的线膨胀系数相近，且要满足强度性能及-196℃低温冲击韧性的要求。
3.4焊接试验
焊接关键技术是9Ni钢的焊接，也是建造低温压力容器的难点。焊接性包括两个方面的内容，结合与使用两个性能。9Ni钢焊接时可能遇到焊接气孔、未熔合、焊接冷、热裂纹、未焊透、变形大、焊接接头低温韧性的降低以及焊接应力和磁偏吹等问题，这些问题与所采用的焊接材料等方面有很大关系。
根据相关国际标准及设计文件所规定的试验要求以及拟定的焊接程序，通过力学性能试验判断该工艺是否满足试验要求，并为了验证在LNG内罐壁板中实施焊接的埋弧自动焊及手工电弧焊工艺是否满足技术要求，测定焊接接头是否具备所要求的性能。现场产品试板的厚度分别为10mm和24.4mm，试板厚度10mm的评定厚度范围为10-20mm，而试板厚度24.4mm的评定厚度范围为范围覆盖内罐壁板所有厚度16-48.8mm。对不同板厚及焊接位置进行焊接工艺评定试验，要按照内罐壁板的实际厚度及坡口形式分别进行。
结束语
随着天然气消耗量的日益增加，全球范围内也相继投入使用更多重要的与天然气相关的基础设施项目。针对LNG低温储罐使用的9Ni钢，本文也介绍了9Ni钢在焊接施工时易出现的问题，也提出了解决问题的应对措施。为使9Ni钢在低温设备领域得到更广泛的应用，应严格按照以上措施进行施工，并不断地对9Ni钢焊接性进行研究，对项目施工进行总结。
参考文献
[1]李强.9Ni钢的热处理和焊接[J].热加工生产，2016，35（23）：78-81.
[2]孙勇.9Ni钢低温储罐焊接工艺研究[J].机械制造，2015（7）：35-37.
[3]于明成.9Ni钢焊接工艺评定的比较研究[J].金属加工，2016，24：44-46.
关键词：9Ni钢；LNG；低温储罐；焊接
1 9Ni低温钢特性
与普通碳钢相比，9Ni钢属耐低温的合金钢，世界各国普遍采用该材料作为LNG用钢。9Ni钢在-165℃乃至-196℃低温下仍具有较好的强度和韧性，因此其在低温状态下具有抗冲击性能强、低温韧性好的特点，其可焊接性优于一般高强度钢。为了获得良好的低温性能，应严格控制硫、磷的含量，以增加9Ni钢回火脆的敏感性。另外，保持硅和钼元素处于较低的含量，以促进9Ni钢的低温韧性。因此，通过化学成分的最佳搭配以及热处理方法能控制9Ni钢材料的组织。
2 9Ni钢焊接施工中存在问题的控制措施
2.1 冷裂纹和热裂纹的控制措施
冷裂纹产生的主要原因有应力、硬组织和焊缝金属扩散氢含量，而热裂纹的产生则与应力、杂质和化学成分有关。控制措施如下：
（1）选择低氢、低碳的焊接材料，使焊材与母材在室温和高温下的线膨胀系数基本相近，从而避免因不均匀的热胀冷缩造成的热应力。
（2）施焊前，利用有机溶液清洗或打磨的方法。对焊接坡口表面进行清理，保证坡1：3及其附近没有氧化皮、油污、水和有机物等杂质。
（3）环境温度低于5℃时，焊接前必须对母材进行预热处理。
（4）施焊过程中，认真做好层间清理工作，确保无熔渣等杂质，然后再进行下一层的焊接。
（5）焊材严格按照要求保存，对于开启密封装置后，4h内未用完的焊条，要放回烘干箱内烘干后方可使用；且放在保温桶内随取随用，对于埋弧焊丝和焊剂，在不能及时使用时必须妥善保管，严禁长时间暴露在空气中。
（6）采用合理的组装工艺和焊接顺序来减少拘束应力。
（7）严格按照焊接工艺规程施工。
2.2 低温韧性的保证措施
9Ni钢焊接时焊缝、熔合区和热影响区在焊接后低温韧性都有可能降低，焊缝金属的低温韧性主要与焊接材料有关，熔合区的低温韧性主要与所出现的脆性组织有关，而焊接热输入、层间温度是焊接热影响区低温韧性的主要影响因素。控制措施如下：
（1）正确选择焊接材料，选择高Ni的焊材，焊接时虽然通过高温损耗和母材对焊缝金属的稀释，仍有足够高的奥氏体组织，避免熔合线出现脆硬马氏体带。
（2）严格控制线能量（采用小电流），尽量采用较小的热输人焊接。
（3）母材超过8mm时必须采用多道、多层焊接。
（4）严格控制层间温度，最高层间温度为170℃。
（5）焊缝背面清根时尽量采用砂轮机打磨，减少渗碳层的产生。
（6）焊条摆动宽度不允许超过焊条直径的3倍，每层的填充厚度不超过4mm。
2.3 磁偏吹的控制措施
（1）母材在加工运输过程中避免与磁性材料接触。如仍有剩磁，焊前可对9Ni钢进行消磁处理，确保母材的剩磁量在要求值之內。
（2）选择防止电弧磁偏吹的焊接材料。
（3）在焊接设备上选择交流方波焊接电源。
（4）尽量用砂轮打磨，避免气刨或采用直流焊机引起的母材磁化问题。
（5）注意消除因坡口加工引起的磁化与污染。
3 9Ni低温钢焊接核心技术
3.1 焊接方式
LNG储罐一般情况下容积较大，以致焊接工作量较大。在内罐壁进行立缝焊接操作时，采用手工电弧焊完成组焊，焊接接头形式是开坡口。采用埋弧自动焊（SAW）可提高内罐壁板环缝焊接效率。焊接接头的形式和手工电弧焊一样，也是开坡口。同时，分为手工电弧焊和埋弧自动焊来进行焊接工艺评定试验。
3.2 9Ni低温钢材料
9Ni低温钢在低碳马氏体型低温用钢中，9（Ni）含量为8.5%-9.5%，因此其具有明显的脆性转变温度和体心立方结构。不同化学成分的含量，尤其是Ni和C的含量，决定了9Ni低温钢的低温力学性能，且钢的纯净度及微观组织还决定9Ni低温钢的韧性。要降低Mn、Mo和Cr这几种元素的含量，因为其含量过高会损害钢的低温韧性，一般Mn的质量分数控制在0.6%左右。为降低AC3点、细化晶粒和脆性转变温度，以改善材料低温韧性，钢中还要添加质量分数为9%的Ni，添加少量Cu元素可提高9Ni钢的强度和韧性。此外，为有效地细化晶粒，钢中应加入少量的Nb元素，顺便也可提高材料的低温韧性。此外，因为S和P的存在会降低9Ni钢的低温韧性，所以要严格限制S和P的含量。
3.3 焊材的选择
整个低温储罐的关键是LNG内罐壁板的焊接质量。选择9Ni钢焊接材料，要考虑到以下问题：
（1）9Ni钢用来生产低温设备。焊缝要在低温下进行，焊缝的低温韧性问题要考虑到。
（2）9Ni钢线膨胀系数大。为降低焊接残余应力，在选择焊接材料时，焊缝金属的热膨胀系数要尽量接近9Ni钢的热膨胀系数。
（3）9Ni钢易出现磁偏吹现象，是因其是一种强磁性材料。因此，尽量选用适应交流电源施焊的焊条或焊丝焊剂。连接储罐罐体的焊缝必然经受热膨胀循环，因LNG储罐在运行过程中随工作温度的变化会产生膨胀和收缩。由于是9Ni钢所使用的焊材，其熔敷金属应与母材的线膨胀系数相近，且要满足强度性能及-196℃低温冲击韧性的要求。
3.4焊接试验
焊接关键技术是9Ni钢的焊接，也是建造低温压力容器的难点。焊接性包括两个方面的内容，结合与使用两个性能。9Ni钢焊接时可能遇到焊接气孔、未熔合、焊接冷、热裂纹、未焊透、变形大、焊接接头低温韧性的降低以及焊接应力和磁偏吹等问题，这些问题与所采用的焊接材料等方面有很大关系。
根据相关国际标准及设计文件所规定的试验要求以及拟定的焊接程序，通过力学性能试验判断该工艺是否满足试验要求，并为了验证在LNG内罐壁板中实施焊接的埋弧自动焊及手工电弧焊工艺是否满足技术要求，测定焊接接头是否具备所要求的性能。现场产品试板的厚度分别为10mm和24.4mm，试板厚度10mm的评定厚度范围为10-20mm，而试板厚度24.4mm的评定厚度范围为范围覆盖内罐壁板所有厚度16-48.8mm。对不同板厚及焊接位置进行焊接工艺评定试验，要按照内罐壁板的实际厚度及坡口形式分别进行。
结束语
随着天然气消耗量的日益增加，全球范围内也相继投入使用更多重要的与天然气相关的基础设施项目。针对LNG低温储罐使用的9Ni钢，本文也介绍了9Ni钢在焊接施工时易出现的问题，也提出了解决问题的应对措施。为使9Ni钢在低温设备领域得到更广泛的应用，应严格按照以上措施进行施工，并不断地对9Ni钢焊接性进行研究，对项目施工进行总结。
参考文献
[1]李强.9Ni钢的热处理和焊接[J].热加工生产，2016，35（23）：78-81.
[2]孙勇.9Ni钢低温储罐焊接工艺研究[J].机械制造，2015（7）：35-37.
[3]于明成.9Ni钢焊接工艺评定的比较研究[J].金属加工，2016，24：44-46.