Domestic Development of ENiCrMo-6 Electrode for LNG Storage Tank

LNG储罐用ENiCrMo-6型焊条的国产化研制 Domestic Development of ENiCrMo-6 Electrode for LNG Storage Tank 1 2 first-author 王庆江（1987—），男，硕士，高级工程师，主要从事焊接材料与工艺等研究。 王庆江（1987—），男，硕士，高级工程师，主要从事焊接材料与工艺等研究。 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 哈尔滨威尔焊接有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150006 哈尔滨威尔焊接有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150006 Harbin Well Welding Co., Ltd., Harbin 150006, China Harbin Well Welding Co., Ltd., Harbin 150006, China 哈尔滨焊接研究院有限公司,黑龙江 哈尔滨 150028 哈尔滨焊接研究院有限公司,黑龙江 哈尔滨 150028 Harbin Welding Institute Limited Company, Harbin 150028, China Harbin Welding Institute Limited Company, Harbin 150028, China ENiCrMo-6型焊条主要用于9%Ni钢制液化天然气（LNG）储罐的焊接，其长期依赖进口导致生产成本较高、技术发展受限，实现国产化十分必要。介绍了国产镍基合金ENiCrMo-6型焊条的研制，选用纯镍焊芯和CaO-CaF 2 -TiO 2 渣系作为焊条药皮的基础渣系组合。对研制的ENiCrMo-6焊条进行焊接工艺性试验、微观组织观察和力学性能试验，结果表明其工艺性水平与进口焊条相当，熔敷金属和焊接接头的强度、塑性和韧性优良，满足9%Ni钢制LNG装置的设计和施工要求，其中-196 ℃低温冲击吸收能量远高于技术要求，可应用于实际工程。 ENiCrMo-6 electrode is mainly used for welding LNG plant made by 9%Ni steel on land and ship. Its long-term dependence on import leads to high production cost and limited technology development, so it ' s necessary to realize the localization. In this paper, the development of domestic ENiCrMo-6 electrode is introduced. The pure nickel core and CaO-CaF 2 -TiO 2 slag system are selected as the base slag system of the electrode coating to make the electrode meet the requirements of engineering application with suitable for alternating welding, all position welding and excellent manufacturability. The manufacturability, microstructure and mechanical properties of the developed ENiCrMo-6 electrode are studied. The results show that its technology level is equivalent to that of imported electrode, and the strength, plasticity and toughness of the deposited metal and the welded joint are excellent and can meet the design and construction requirements of the 9%Ni steel LNG plant. The impact absorbed energy at -196 ℃ is far higher than the technical requirements, which can be applied to practical projects and solve the situation that this electrode depends on imports for a long time. 9%Ni钢 ENiCrMo-6焊条 熔敷金属 力学性能 全位置 9%Ni steel ENiCrMo-6 electrode deposited metal mechanical properties all position 前言 1 9％Ni钢在极低温度下具有优良的韧性和高强度，与奥氏体不锈钢和铝合金相比具有热胀系数低、经济性好、使用温度最低可达-196 ℃等优势，且9%Ni钢不进行焊后消除应力热处理亦可安全使用，是制造大型LNG储罐的主要材料之一，但其材料及配套焊材长期依赖进口 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。9%Ni钢在2007年成功国产化后，适用于LNG领域的镍基合金ENiCrMo-6焊条国产化就成为亟待解决的问题。 由于9%Ni钢自身特点，在LNG储罐施工中通常要求ENiCrMo-6焊条适合交流焊接和全位置焊接，达到抗磁偏吹性好、无红尾现象、脱渣性好、成形美观、气孔敏感性低等效果。同时要求焊条熔敷金属的-196 ℃低温冲击吸收能量不小于60 J，强度大于690 MPa，断后伸长率不小于35%，对焊条的综合力学性能要求高 ［ 4 4 ］ ，同时结合工程应用中出现的气孔、工艺性等问题，对ENiCrMo-6焊条的研制提出了更苛刻的要求。 目前国外9%Ni钢配套焊材研发应用多年，LNG工程用焊材主要为伊萨、伯乐和林肯等品牌。国内也有对ENiCrMo-6同类别焊条的研究报道，但仅限于前期研究，尚无成熟产品在市场上大规模销售，缺乏大型工程应用经验，对该焊条的研究和应用仍需进行大量工作。本文研制了一种镍基合金ENiCrMo-6焊条能实现交流和全位置焊接，具有优良的低温冲击韧性和抗热裂纹性能，工艺性水平与进口焊条相当，以期替代进口同类别产品，填补国内空白。 配方设计 1 镍基合金焊条研制的难点是熔敷金属存在热裂纹和气孔等问题。镍基合金焊条熔敷金属中S、P、Si、Al、As等元素可以和Ni形成低熔点共晶化合物，这种低熔点液膜分布于晶界，是引发焊缝结晶裂纹的主要因素。同时，熔敷金属由于固液相温度差距小，流动铺展性能较差，在焊后快速冷却凝固的条件下，极易产生气孔 ［ 5 5 - 7 7 5-7 ］ 。 除上述热裂纹和气孔问题外，还需要实现交直流焊接和全位置焊接。影响镍基合金焊条全位置焊接适应性的主要因素有熔渣物化性能、电弧吹力、熔渣黏度和表面张力等。需要通过调整焊条药皮中碳酸盐、氟化物和氧化物等的含量，使熔渣具有合适的黏度和表面张力，从而实现全位置焊接 ［ 8 8 ］ 。 为改善上述问题，选用纯镍焊芯和CaCO 2 -CaF 2 -TiO 2 型碱性低氢型渣系作为焊条药皮主要矿物粉体系，该类别的渣系特点为抗磁偏吹效果好，可以解决9%Ni钢焊接时易偏吹等问题，同时焊缝金属纯净度高、杂质元素和气体元素含量低、抗裂性优良，但渣壳略硬。 焊接工艺研究 1 焊接工艺性 2 研制ENiCrMo-6型焊条时发现，其焊道表面存在粘渣、脱渣性差等问题，基于此对熔敷金属表面与熔渣的结合区域进行取样和分析。图 1a 1a 、 1b 1b 分别为沾渣试样在Olympus GX53光学显微镜下和FEI Quanta 200扫描电镜下的组织形貌， 图1c 图1c 、 表1 表1 分别为结合区域的扫面电镜能谱图和成分比例表。分析发现，沾渣的主要原因是液态熔渣和金属界面形成富铬型氧化物的尖晶石结构，这种尖晶石结构在凝固时与金属界面维持共格或半共格的结合状态，造成沾渣。通过调整焊条药皮配方矿物粉、脱氧剂和金属粉的比例，增加脱氧效果，可以有效控制液态熔渣和金属在凝固过程中的氧化和还原效果，避免合金成分被氧化，降低富铬型氧化物的尖晶石形成几率，进而解决沾渣问题。 元素 线类型 wt .% wt .% Sigma at .% C K线系 5.19 0.39 11.53 O K线系 32.47 0.28 54.22 Na K线系 2.76 0.13 3.21 Al K线系 0.26 0.06 0.26 Si K线系 1.50 0.06 1.42 S K线系 1.18 0.06 0.98 Ca K线系 0.38 0.05 0.25 Cr K线系 42.27 0.31 21.72 Mn K线系 1.61 0.15 0.78 Ni K线系 12.38 0.22 5.63 总量 100.00 — 100.00 1;2;3; 焊接工艺窗口 2 对研制的ENiCrMo-6焊条进行工艺性试验。母材为9%Ni钢，综合考量焊条的飞溅率、脱渣性、外观成形、截面成形、电弧稳定性、药皮熔化效果等，得到ENiCrMo-6焊条的工艺窗口如 图2 图2 所示。由试验结果可知，焊条适合的操作范围比较宽泛，可以满足工程应用要求。 焊接工艺性对比 2 将研制的ENiCrMo-6焊条与同类别进口焊条在平焊、横焊、立焊和仰焊位置进行工艺试验，得到的焊缝形貌见 图3 图3 、 图4 图4 。结果表明，研制的ENiCrMo-6焊条的交流电弧稳定、吹力大、抗磁偏吹能力好，飞溅小，脱渣容易，综合操作性优良，适合全位置焊接，工艺性水平与进口同类别焊条相当，满足LNG装置对施工操作性的要求。 1;2;3;4; 1;2;3;4; 焊缝金属组织与性能研究 1 熔敷金属力学性能 2 熔敷金属制备方法按照GB/T 13814—2008《镍和镍合金焊条》进行，试板材质Q235，厚度20 mm，单边坡口角度10°，在试板两侧采用ENiCrMo-6焊条打上隔离层，隔离层厚度为3 mm，焊接工艺参数选用工艺窗口中的典型参数，其中平焊参数：焊接电流110 A，焊接电压20~28 V，焊接速度大于等于140 mm/min，层温控制小于等于150 ℃；立焊参数：焊接电流100~105 A，焊接电压20~28 V，焊接速度大于等于65 mm/min，层温控制小于等于150 ℃；仰焊参数：焊接电流90~100 A，焊接电压20~28 V，焊接速度大于等于75 mm/min，层温控制小于等于150 ℃。 熔敷金属化学成分和力学性能试验结果如 表2 表2 、 表3 表3 所示，弯曲试样未见明显裂纹，如 图5 图5 所示。室温下熔敷金属抗拉强度较高（平焊714 MPa，立焊705 MPa，仰焊720 MPa），超过要求值（690 MPa），断后伸长率达到42%（平焊）、40%（立焊）、39%（仰焊），高于要求值（35%）。-196 ℃低温下，熔敷金属的强度和断后伸长率均高于室温条件，主要原因为是低温下滑移系开拔需要更多能量，导致强度更高 ［ 9 9 ］ 。-196 ℃冲击吸收能量较高、余量较大，满足工程应用条件。 C Si Mn S P Cr 0.043 0.40 3.10 0.001 0.002 12.99 Mo Nb W Fe Cu Ni 5.98 1.37 1.60 5.22 0.04 余量 位置 温度/℃ R m /MPa R eL /MPa A /% KV 2 /J（-196 ℃） 2 平焊 室温 714 487 42 — -196 995 645 47 109，102，107 2 立焊 室温 705 465 40 — -196 1 020 670 46 98，108，105 2 仰焊 室温 720 477 39 — -196 1 035 675 48 112，100，99 1;2;3; 熔敷金属拉伸试样在扫描电镜下的断口宏观和微观形貌如 图6 图6 所示，发现断口形貌以典型的韧窝状为主，未见明显的热裂纹开裂特征。 1;2; 熔敷金属显微组织 2 焊缝金属的组织结构决定了焊缝的力学性能。镍基合金由于成分复杂，其焊缝金属的组织形态和分布区别也较大，但总体上是一种类型。如 图7 图7 所示，ENiCrMo-6焊条熔敷金属微观组织为γ固溶体+枝晶间析出物，焊缝原始的柱状晶晶界清晰。 1;2; 焊接接头性能 2 试验母材选用9%Ni钢，试板厚度为45 mm，焊条选用研制的ENiCrMo-6（ http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39486422&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39486429&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39486427&type= 2.25999999 2.50898290 3.2 mm），焊接工艺参数选用工艺窗口中的典型参数（见 表4 表4 ）。试板焊接完成后分别对接头进行了拉伸试验（按照GB/T 2561—2008进行）、冲击试验（按照GB/T2650—2008进行）、弯曲试验（按照GB/T2653—2008进行）和硬度试验（按照GB/2654—2008进行）。拉伸和冲击试验结果见 表5 表5 ，接头拉伸试样见 图8 图8 ，弯曲试样见 图9 图9 ，其中3个试样完好，符合标准和技术要求，1个试样（ 图9 图9 右1）开口1 mm，是由焊道边缘的小尺寸夹渣引起，接头硬度试验结果见 图10 图10 。 焊接电流/A 焊接电压/V 焊接速度/（mm·min -1 ） 层间温度/℃ 110 20~28 ≥140 ≤150 温度/℃ 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 断裂位置 室温 710/725 585/610 焊缝/焊缝 -196 995 680 — 3 冲击吸收能量/J（-196 ℃） 焊缝 热影响区 母材 105，101，112 95，130，148 210，207，211 由 表5 表5 可知，焊接接头的室温抗拉强度较高，超过要求值（690 MPa），焊接接头-196 ℃低温抗拉强度和屈服强度均显著高于室温条件，是因为低温下滑移系的开动需要更高的能量。-196 ℃冲击吸收能量值稳定且均大于要求值（60 J），试验结果符合预期，适合焊接9%Ni钢。由 图10 图10 可知，焊缝（WM）硬度值低于热影响区（HAZ）和母材（BM），是因为焊缝区域组织为γ固溶体，硬度较热影响区和母材的马氏体组织要低。拉伸断裂位置在焊缝区域也说明焊缝区域强度低于母材和热影响区。 结论 1 （1）研制的ENiCrMo-6焊条选用CaCO 2 -CaF 2 -TiO 2 型渣系作为基础渣系，焊条气孔敏感性低，工艺性优良，焊接工艺窗口宽泛，适合大规范和全位置焊接，解决了工程应用中的主要问题，满足现场施工要求。 （2）研制的ENiCrMo-6焊条适合交流焊接，其焊缝金属的强度高，低温韧性裕量大，焊接接头的综合力学性能优良，适合焊接9%Ni钢，可应用于LNG装备的制造，解决国内9%Ni钢制LNG工程焊材长期依赖进口的问题。 参考文献 尹长华 . LNG储罐建设用9%Ni钢焊接性及焊接工艺研究 ［D］. 天津 ： 天津大学 ， 2008 . LNG储罐建设用9%Ni钢焊接性及焊接工艺研究 YIN C H . Weldability and Welding Procedure Research of 9%Ni Steel for LNG Tank ［D］. Tianjin ： Tianjin University ， 2008 . Weldability and Welding Procedure Research of 9%Ni Steel for LNG Tank 陈裕川 . 9%Ni钢液化天然气（LNG）大型储罐焊接技术的进展 ［J］. 现代焊接 ， 2009 （ 09 ）： 4 - 10 . 9%Ni钢液化天然气（LNG）大型储罐焊接技术的进展 CHEN Y C . Progress of the welding technology of 9% Ni steel LNG large storage tank ［J］. Modern Welding ， 2009 （ 09 ）： 4 - 10 . Progress of the welding technology of 9% Ni steel LNG large storage tank 陆世英 . 超级不锈钢和高镍耐蚀合金 ［M］. 北京 ： 化学工业出版社 ， 2012 . 超级不锈钢和高镍耐蚀合金 Jan Hilkes ， Fred Neessen ， Silvia Caballero . Electrodes for welding 9% nickel steel ［J］. Welding Journal ， 2004 ， 83 （ 1 ）： 30 - 37 . Electrodes for welding 9% nickel steel 杨超武 ， 杜学铭 . 9Ni钢镍基焊条焊接冶金性能分析 ［J］. 热加工工艺 ， 2016 ， 45 （ 21 ）： 204 - 206 . 9Ni钢镍基焊条焊接冶金性能分析 YANG C W ， DU X M . Welding Metallurgical Performance Analysis of Nickel-based Electrodes of 9% Ni Steel ［J］. Hot Working Technology ， 2016 ， 45 （ 21 ）： 204 - 206 . Welding Metallurgical Performance Analysis of Nickel-based Electrodes of 9% Ni Steel 徐超 ， 杜学铭 ， 蔡俊 . 9%Ni钢配套焊条熔覆金属的组织和性能研究 ［J］. 热加工工艺 ， 2017 ， 46 （ 21 ）： 216 - 219 . 9%Ni钢配套焊条熔覆金属的组织和性能研究 XU C ， DU X M ， CAI J . Study on Microstructure and Properties of Deposited Metal of 9%Ni Steel Electrode ［J］. Hot Working Technology ， 2017 ， 46 （ 21 ）： 216 - 219 . Study on Microstructure and Properties of Deposited Metal of 9%Ni Steel Electrode 方乃文 ， 黄瑞生 ， 闫德俊 ， 等 . 低镍含氮奥氏体不锈钢激光-电弧焊电弧特性及组织性能 ［J］. 焊接学报 ， 2021 ， 42 （ 01 ）： 70 - 75，102 . 低镍含氮奥氏体不锈钢激光-电弧焊电弧特性及组织性能 FANG N W ， HUANG R S ， YAN D J ， et al . Effect of welding heatinput on microstructure and properties of MAG welded joint for low nickel high nitrogen austenitic stainless steel ［J］. Transactions of The China Welding Institution ， 2021 ， 42 （ 01 ）： 70 - 75，102 . Effect of welding heatinput on microstructure and properties of MAG welded joint for low nickel high nitrogen austenitic stainless steel 李连波 ， 苏衍福 ， 马洪伟 ， 等 . 9%Ni钢焊接接头弯曲试验失效原因分析 ［J］. 焊接技术 ， 2017 ， 46 （ 04 ）： 26 - 28 . 9%Ni钢焊接接头弯曲试验失效原因分析 LI L B ， SU Y F ， MA H W ， et al . Failure cause analysis of 9%Ni steel welded joint in bending test ［J］. Welding Technology ， 2017 ， 46 （ 04 ）： 26 - 28 . Failure cause analysis of 9%Ni steel welded joint in bending test 方乃文 ， 王星星 ， 徐锴 ， 等 . 保护气体对低镍不锈钢激光-电弧复合焊电弧特性及组织性能影响 ［J］. 稀有金属材料与工程 ， 2022 ， 51 （ 08 ）： 3089 - 3094 . 保护气体对低镍不锈钢激光-电弧复合焊电弧特性及组织性能影响 FANG N W ， WANG X X ， XU K ， et al . Effect of Shielding Gas on Arc Characteristics and Microstructure and Properties of Laser-Arc Hybrid Welding of Low Nickel Stainless Steel ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2022 ， 51 （ 08 ）： 3089 - 3094 . Effect of Shielding Gas on Arc Characteristics and Microstructure and Properties of Laser-Arc Hybrid Welding of Low Nickel Stainless Steel 编辑部网址： http：//www.71dhj.com http://www.71dhj.com 编辑部网址： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.01.17 TG422.1 A 1001-2303（2023）01-0112-06 王庆江，胡鹏亮，郑庆铭，等.LNG储罐用ENiCrMo-6型焊条的国产化研制［J］.电焊机，2023，53（1）：112-117. 王庆江，胡鹏亮，郑庆铭，等.LNG储罐用ENiCrMo-6型焊条的国产化研制［J］.电焊机，2023，53（1）：112-117. WANG Qingjiang, HU Pengliang, ZHENG Qingming, et al.Domestic Development of ENiCrMo-6 Electrode for LNG Storage Tank[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(1): 112-117. WANG Qingjiang, HU Pengliang, ZHENG Qingming, et al.Domestic Development of ENiCrMo-6 Electrode for LNG Storage Tank[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(1): 112-117. 2022-06-15 2023-01-12 2023-01-30 2023-02-04 电焊机 1 53