Microstructure and Cryogenic Properties of Low-nickel Low Temperature Steel Joint for LNG Storage Tank

LNG储罐用节镍低温钢焊接接头组织与低温性能 Microstructure and Cryogenic Properties of Low-nickel Low Temperature Steel Joint for LNG Storage Tank 1 first-author 郭　伟（1991—），男，在读博士，主要从事低温钢焊接工艺的研究工作。 郭　伟（1991—），男，在读博士，主要从事低温钢焊接工艺的研究工作。 1 2 corresp 蔡　艳（1976—），女，博士，教授，主要从事焊接生产智能控制和接头性能评估方面的研究。E-mail：ycai@sjtu.edu.cn。 蔡　艳（1976—），女，博士，教授，主要从事焊接生产智能控制和接头性能评估方面的研究。E-mail：ycai@sjtu.edu.cn。 ycai@sjtu.edu.cn 1 2 上海交通大学 上海市激光制造与材料改性重点实验室,上海 200240 上海交通大学 上海市激光制造与材料改性重点实验室,上海 200240 Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processingand Modification, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processingand Modification, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China 高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240 高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China 可替代9%Ni钢的节镍型低温钢已经成为LNG储罐用钢的重要发展方向，其焊接性和接头低温性能广受关注。针对20 mm厚LNG储罐用7%Ni钢的SMAW接头，进行微观组织观察和低温力学性能测试。试验发现，Cr、Mo元素含量的增加并没有对节镍钢的焊接性产生显著影响，焊缝成形良好，焊缝金属具有较好的强度和低温韧性，一次热循环粗晶区为粗大的板条马氏体和长条状M-A组元，多次热循环粗晶区为细小的回火马氏体和细小的M-A组元。低温（-196 ℃）拉伸和冲击测试结果表明，接头力学性能均超过欧洲标准EN10028-4的规定值。 As an alternative to 9%Ni steel, low-nickel low temperature steel has been widely concerned in the field of LNG storage. The weldability and cryogenic properties of low-nickel low temperature steel is very important for the safe service of storage tanks. The microstructure and low temperature mechanical properties of the SMAW joint for 7%Ni steel with 20 mm thick were investigated. The experimental results show that the increase of Cr and Mo has no significant effect on its weldability. The weld formation is qualified, and the weld metal has good low temperature toughness. The coarse grain zone with one thermal cycle is coarse lath martensite and strip M-A component, while the coarse grain zone with multiple thermal cycle is fine tempered martensite and the fine M-A component. The tensile and impact test results at low temperature (-196℃) show that the mechanical properties of the joints meet the requirement of European standard EN10028-4. 节镍低温钢 LNG储罐 粗晶区 低温性能 low-nickel low temperature steel LNG storage coarse grain zone cryogenic properties 前言 1 9%Ni钢在-163 ℃环境中具有优良的力学性能，成为LNG储罐的主要钢材 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 。然而，镍元素价格较高，9%Ni钢的高成本成为困扰LNG产业的痛点之一，且镍含量高大大增加了钢的冶炼及轧制难度 ［ 3 3 ］ 。目前，开发可替代9%Ni钢的节镍型低温钢已成为LNG储罐用钢的重要发展方向 ［ 4 4 ］ 。镍元素对钢材低温性能具有重要影响，是低温钢中最重要的合金元素。减少镍元素的含量，钢材的低温韧性会显著下降 ［ 5 5 ］ ，为此需要添加其他合金元素，例如铬、锰、铜等。目前，将镍元素含量降低至7%左右，并适量添加铬、钼等合金元素，用7%Ni钢代替9%Ni钢建造LNG储罐，是较为成熟且具有良好应用前景的方法。日本已开发了LNG储罐用7%Ni钢及其焊材 ［ 6 6 ］ ，相关牌号已经纳入JIS（日本工业标准）和ASME（美国机械工程师协会）标准，并将其用于建造大型LNG储罐 ［ 7 7 ］ 。我国属于“贫镍”国家，在“十三五” 期间已对LNG储罐用节镍钢进行了较为系统的研究，目前，鞍钢集团等企业已成功研发出节镍型7%Ni钢，各项性能均达到或超过9%Ni钢的水平，并实现了工业化生产 ［ 8 8 ］ 。随着7%Ni钢的发展，其焊接性和接头低温性能成为广受关注的问题，特别是热影响区的组织和低温韧性，对于LNG储罐安全服役具有重要影响，但是目前相关文献较少。为此，本文针对LNG储罐用7%Ni钢的SMAW多层多道焊接接头进行了微观组织观察和低温性能测试，分析了焊接热循环过程对热影响区组织的影响，并对比9%Ni钢焊接接头，讨论了7%Ni钢焊接接头的低温力学性能及其在LNG储罐建造领域的适用性。 材料及测试条件 1 采用焊条电弧焊（SMAW）方法进行7%Ni钢焊接，母材和焊材化学成分如 表1 表1 所示，母材的镍元素含量为7.25%，适当提高了铬、钼等元素的含量，焊材为镍基合金。母材厚度为20 mm，焊条直径3.2 mm。母材组织为回火马氏体（见 图1 图1 ），其低温（-196 ℃）拉伸屈服强度为834 MPa，抗拉强度为1 034 MPa，伸长率为29.3%。母材低温（-196 ℃）下Charpy冲击功为63 J（5 mm×10 mm×55 mm）。焊接试板尺寸为500 mm×400 mm×20 mm，采用X坡口和双面焊方式，正面有11道焊缝，工件背面清根后有6道焊缝，每道焊接电流130~150 A，焊接速度15~20 cm/min，热输入为9~13 kJ/cm，无焊前预热，无焊后热处理，保持层间温度不高于100 ℃。接头宏观形貌和焊道分布如 图2 图2 所示。 材料 C Ni Si Mn Cr P S Mo Nb Als Fe W 7%Ni 0.07 7.25 0.01 0.73 0.49 0.005 0.003 2 0.064 — 0.013 Bal. — 焊材 0.038 Bal. 0.57 3.20 12.63 0.012 0.007 4 5.92 1.34 — 5.4 1.34 1,2; 焊接完成后，采用线切割加工金相试样，焊缝横截面经砂纸打磨后抛光，并用2%硝酸酒精溶液腐蚀30 s，使用Zeiss金相显微镜观察焊缝成形和组织特征。焊缝成形如 图2 图2 a所示。根据GB2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行焊接接头的拉伸试验，试样尺寸为103 mm×25 mm×2.5 mm。采用MTS CMT5105万能试验机进行低温拉伸测试，试样置于低温环境箱中，采用液氮作为冷却介质，热电偶连接在试样中部进行温度测量，到达-196 ℃并稳定后开始测试。按照国标GB/T229-2007进行Charpy冲击测试，测试温度为-196 ℃，试样尺寸为5 mm× 10 mm×55 mm，取样和缺口位置如 图2 图2 b所示，V型缺口深度为2 mm，角度为45°。 （a）焊缝成形　　　　　　　　　　　　　　（b）取样和缺口位置 接头硬度和微观组织 1 焊接接头的维氏硬度如 图3 图3 所示，分别在上、中和下三个位置进行硬度测试。母材的平均硬度值为260±13 HV，接头的上、中、下位置的整体硬度分布趋势接近，热影响区的硬度值最高，焊缝金属的硬度值最低。相对来说，接头厚度方向中部的热影响区硬度值较低，而中部的焊缝金属硬度值则高于上部和下部，这与焊接热循环过程以及母材对焊缝金属的稀释程度有关。 1;2; 对于低温镍钢来说，一次热循环的粗晶区通常形成粗大的板条马氏体，是接头韧性的薄弱区；二次热循环的临界粗晶区的韧性也较低，这是由于一次热循环过程形成的粗大晶粒的遗传作用。由于不同区域热循环过程不同，焊接热影响区在接头高度方向上存在明显的组织差异。为此，对7%钢多层多道焊接头不同高度的热影响区进行了组织分析。接头上部热影响区和焊缝金属的微观组织如 图4 图4 所示，在多层多道焊接热循环的作用下，热影响区形成不均匀的显微组织。其中 图4 图4 a为距离熔合线较远的亚临界区，组织为回火马氏体，与母材相似； 图4 图4 b为临界区，组织相对母材长大不明显； 图4 图4 c为细晶区，组织明显细化； 图4 图4 d为粗晶区，热循环峰值温度高，高温下停留时间长，原奥氏体显著长大，冷却后生成明显的粗大板条形貌，为典型的板条马氏体； 图4 图4 e为焊缝金属，为奥氏体树枝晶，枝晶间隙分布有大量第二相颗粒。 接头中部热影响区和焊缝金属的微观组织如 图5 图5 所示，经历多次焊接热循环后，热影响区组织相对一次热循环发生显著变化。可以看出，图 5a 5a ~ 5c 5c 的组织与接头上部对应位置十分相似，但 图5 图5 d与接头上部的粗晶区存在差别，接头中部粗晶区为细小的回火马氏体。这是因为多层多道焊过程中，当二次热循环温度超过 A c3 后，发生再结晶，由于高温停留时间相对较短，会显著降低原奥氏体尺寸，获得细小的组织 ［ 9 9 ］ 。 图5 图5 e的焊缝金属仍为奥氏体树枝晶，但析出相数量和尺寸均显著降低，原因可能是该区域存在坡口钝边，母材对焊缝金属的稀释程度较高，母材的纯净度较高，合金元素含量较少。 对于低温镍钢来说，粗晶区马氏体板条和M-A组元是影响低温韧性的重要因素 ［ 10 10 ］ 。采用扫描电镜观察接头不同位置的粗晶区组织，在虚线框内用能谱仪分析元素分布，如 图6 图6 所示。接头上部粗晶区的马氏体板条宽度约为2 μm，粗大的板条马氏体对韧性存在不利影响；中部粗晶区的马氏体板条宽度则只有0.4 μm，由于经历多次热循环，发生了再结晶，组织细小。此外，M-A组元也是热影响区韧性恶化的原因。M-A组元的碳等合金元素含量高，脆硬性大，容易造成应力集中，成为裂纹源。7%Ni钢的焊接热影响区也不可避免地存在M-A组元，图中板条边界的亮色组织中存在明显的碳元素富集，即M-A组元，M-A组元在上部粗晶区中多为尺寸较大的长条状，在中部粗晶区中则呈现细小弥散状。 1;2; M-A组元的含量对韧性有重要影响，其含量越高，越不利于粗晶区的韧性。此外，M-A组元尺寸越大，越容易造成应力集中而开裂。采用Image-Pro Plus软件分析M-A组元的含量和形态，对长度超过0.03 μm的M-A组元颗粒进行统计，结果如 图7 图7 所示，接头上部粗晶区中M-A组元面积比为8.3%，中部粗晶区减小为2.9%，分别检测到277个和186个M-A组元颗粒。此外，从颗粒长宽比来看，接头中部粗晶区内的M-A组元较短小，说明焊接过程的多次热循环降低了M-A组元的含量和尺寸。经过多次热循环后，粗晶区M-A组元的含量降低，尺寸细化，有利于粗晶区韧性的提高。 1;2; 低温力学性能 1 接头在室温和-196 ℃环境中的拉伸应力-应变曲线如 图8 图8 所示，拉伸试样均断在焊缝金属处。相对室温试样来说，低温试样的抗拉强度和屈服强度都显著增加，抗拉强度从691 MPa提高到859 MPa，屈服强度从468 MPa上升到552 MPa，但是延伸率的变化并不明显。拉伸试样断口形貌如 图9 图9 所示，室温拉伸断口和低温断口的特征相似，均存在大量细小韧窝，属于典型的韧性断裂模式。采用镍基合金作为填充材料，当焊接热输入较低时，母材对焊缝的稀释程度较低。即使是稀释度最高的焊缝中部，7%Ni钢中增加的Cr、Mo等元素也未对焊缝金属组织和性能产生明显影响，焊缝金属具有较好的强度和低温韧性。 1;2; 在接头焊缝中心、熔合线（FL）、FL+1 mm、FL+3 mm和FL+5 mm处开缺口，进行低温（-196 ℃）冲击测试，结果如 图10 图10 所示，所有位置的低温冲击功均达到EN10028-4标准的要求。焊缝金属为镍基合金，冲击功略低。对于本文的焊接接头，缺口在熔合线处的试样，其冲击断口一半在焊缝，一半在热影响区；缺口在FL+1 mm处的试样断口则主要为粗晶区；缺口在FL+3 mm处的试样断口则主要为热影响区的细晶区和两相区，该区域的低温冲击功最高；对于缺口在FL+5 mm处的试样，其组织与母材十分近似，可以认为其表征了母材的低温冲击性能。 热影响区冲击试样的断口形貌如 图11 图11 所示，在宏观形貌的基础上观察了热影响区的断口微观形貌。可以发现，FL试样只有极少量的浅韧窝，局部出现脆性断裂特征；FL+1试样出现了部分韧窝，具有混合断裂特征；FL+3试样韧窝数量较多，部分韧窝大且深，属于韧性断裂；FL+5试样断口也存在大量韧窝，但相对较细小。由此可见，熔合线附近的粗晶区是低温冲击性能的薄弱环节，考虑到粗晶区较窄，熔合线附近组织较为复杂，断裂路径涉及焊缝金属、粗晶区和细晶区，冲击吸收功的整体水平仍在可接受范围内。 （a）（b）FL，（c）（d）FL+1 mm，（e）（f）FL+3 mm，（g）（h）FL+5 mm 结论 1 （1）相对9%Ni钢来说，LNG储罐用7%Ni钢适度提高了Cr、Mo等元素的含量，并未对其焊接性产生显著影响。采用X型坡口和镍基合金填充时，母材在坡口钝边位置对焊缝金属的稀释度较高，但7%Ni钢中增加的Cr、Mo等元素也未对焊缝金属的组织和性能产生明显影响，焊缝金属具有较好的强度和低温韧性。 （2）7%Ni钢多层多道SMAW接头的一次热循环粗晶区为粗大的板条马氏体，且存在尺寸较大的长条状M-A组元。多次热循环后，粗晶区为细小的回火马氏体，M-A组元含量减少且变得较为细小。 （3）对7%Ni钢SMAW接头进行低温（-196℃）拉伸和冲击测试，熔合线附近是低温韧性的薄弱区域，由于粗晶区较窄、断口路径上的组织较复杂，该位置的低温冲击功仍维持在可接受范围内，测试结果显示接头力学性能均超过欧洲标准EN10028-4的规定值。 （4）针对含镍马氏体钢易磁化而导致焊接磁偏吹的问题，焊前应检测焊件剩磁，尽量采用交流电，使用小电流、短电弧焊接工艺，焊接过程调整焊条角度。 参考文献 林文虎 ， 华学明 ， 蔡艳 ， 等 . 9Ni钢焊接工艺适应性研究 [J]. 焊接技术 ， 2016 （ 3 ）： 43 - 47 . 9Ni钢焊接工艺适应性研究 LIN Wenhu ， HUA Xueming ， CAI Yan ， et al . 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