LNG储罐用高锰低温钢埋弧焊焊接材料及工艺研究 Research on Welding Material and Process of High Manganese Low Temperature Steel SAW for LNG Storage Tank first-author 陈　成（1990—），男，硕士，工程师，主要从事焊接材料设计与工艺研究。E-mail：cc19901020@126.com。 陈　成（1990—），男，硕士，工程师，主要从事焊接材料设计与工艺研究。E-mail：cc19901020@126.com。 cc19901020@126.com 武汉铁锚焊接材料股份有限公司，湖北 武汉 430084 武汉铁锚焊接材料股份有限公司，湖北 武汉 430084 Wuhan Temo Welding Consumables Co., Ltd., Wuhan 430084, China Wuhan Temo Welding Consumables Co., Ltd., Wuhan 430084, China 研制出适用于LNG储罐用高锰低温钢配套的埋弧焊丝和焊剂。采用C-Mn-Cr-Ni-Mo合金体系设计，形成的焊缝金属中Mn含量为22.5%~25.5%，焊缝金属抗拉强度和-196 ℃低温冲击等力学性能优良，与奥氏体高锰低温钢匹配性良好。通过分析道间温度和热输入对熔敷金属力学性能的影响，结果表明，在焊接奥氏体高锰低温钢时，须控制好道间温度和采用较小的热输入，确保焊缝金属具有优良的综合力学性能。 The submerged arc welding wire and flux suitable for high manganese cryogenic steel used in LNG storage tank were developed. The C-Mn-Cr-Ni-Mo alloy system was used to design, and the Mn content in the weld metal formed is 22.5% ~ 25.5%.The weld metal has excellent mechanical properties such as tensile strength and -196 ℃ low temperature impact, and has a good match with austenitic high manganese cryogenic steel. By analyzing the influence of inter-pass temperature and heat input on the mechanical properties of deposited metal, the results show that when welding austenitic high manganese cryogenic steel, inter-pass temperature controlled and smaller heat input must be used to ensure that the weld metal has excellent comprehensive mechanical properties. 高锰低温钢 -196 ℃低温冲击 埋弧焊丝 焊剂 道间温度 high manganese cryogenic steel -196 ℃ low temperature impact submerged arc welding wire welding flux inter-pass temperature 前言 1 随着液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）能源消费占比不断攀升，LNG储罐得到了全球各国的重视 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。在LNG安全生产、运输和使用等过程中，储罐材料的性能至关重要 ［ 4 4 - 6 6 4-6 ］ 。目前，运输液态天然气的LNG船和储存液态天然气的储罐主要采用9Ni钢，由于镍元素的价格昂贵，使得9Ni钢的冶炼和使用成本大大提高，使用的焊材价格昂贵。高锰（22.5%~25.5% Mn含量）低温钢与9Ni钢具有相同的物理冶金特点，韧-脆转变温度低于-196 ℃，在-196 ℃下组织稳定，完全满足运输和储存液态天然气等的要求，有望取代9Ni钢作为LNG储罐用钢极具竞争力的首选材料 ［ 7 7 - 10 10 7-10 ］ 。 焊接在LNG储罐的制造过程中至关重要，根据压力容器安全事故调查结果，90%以上的压力容器事故是焊接缺陷导致的。因此，选择合适的焊接材料和制定合理的焊接工艺，从而获得组织稳定的焊缝组织，对LNG储罐焊接接头的力学性能的提高有重要作用。高锰低温钢是一种新材料，我国对其匹配的焊接材料、焊接工艺及焊接接头性能研究和评价尚处于探索阶段。鉴于LNG储罐制造特点，埋弧焊（SAW）可用在平位置和横位置的拼板焊方面具有较高的效率，也有较为广泛的应用，特别是在横位置环焊缝焊接中。而且埋弧焊焊缝质量高，熔渣隔绝空气的保护效果好，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，焊缝成分稳定，机械性能优异。 本文介绍了LNG储罐用高锰低温钢配套的埋弧焊丝和焊剂的研制过程，开展了埋弧焊工艺研究，分析了道间温度和热输入对熔敷金属力学性能的影响，为超低温及低成本容器钢工业应用提供了试验基础及理论分析。 焊材研制思路 1 焊丝合金体系的设计 2 根据中国船级社《高锰奥氏体低温钢应用指南》相关要求，高锰奥氏体低温钢焊接材料的力学性能须符合以下要求： （1）用于高锰奥氏体低温钢的焊接材料熔敷金属试验的力学性能要求如 表1 表1 所示。 抗拉强度 /MPa 屈服强度 /MPa 伸长率/% 冲击吸收功 （-196 ℃）KV 2 /J ≥660 ≥400 ≥22 ≥27 （2）用于高锰奥氏体低温钢的焊接材料对接焊试验的力学性能要求如 表2 表2 所示。 抗拉强度/MPa 冲击吸收功（-196 ℃）KV 2 /J ≥660 ≥27 根据中国船级社《高锰奥氏体低温钢应用指南》要求，高锰奥氏体低温钢化学成分如 表3 表3 所示。 C Si Mn Cr Cu N S P 0.35~0.55 0.1~0.5 22.5~25.5 3.0~4.0 0.3~0.7 ≤0.05 ≤0.01 ≤0.03 选取了和母材类似的合金体系，研制出高锰低温钢配套埋弧焊丝MCJGMn。选用与母材相近的高锰（22.5%~25.5% Mn含量）合金体系，添加适量的Cr、Ni和Mo，其中Cr、Mo的加入，可形成碳化物或氮化物，以提高焊缝强度，Mo还能缩小固液共存区间，可以有效抑制热裂纹发生，添加适量的Ni，可进一步稳定奥氏体组织，以提高-196 ℃冲击功。 焊剂成分设计 2 根据埋弧焊冶金特点以及焊缝金属高合金化学成分含量要求（合金含量≥35%），为确保焊接工艺优良和力学性能满足指标要求，主要考虑选用低S、低P氟碱性烧结焊剂、硅钙型烧结焊剂以及低锰高硅中氟熔炼焊剂，经过系列试验，择优选取力学性能和工艺性能最优组合。焊剂成分如 表4 表4 所示。 焊剂品种 SiO 2 +TiO 2 CaO+MgO Al 2 O 3 +MnO CaF 2 碱度 TM.SJGMn-A ≤20 6~10 30~40 40~50 2.5 TM.SJGMn-B 35~45 20~30 20~30 5~15 0.8 TM.HJGMn-C 30~35 20~25 20~30 20~25 0.4 熔敷金属组织成分 2 熔敷金属的组织为全奥氏体，主要合金成分体系如下：以Mn、C为主要稳定奥氏体化元素，适当添加Ni等合金化元素，以保证-196 ℃仍为全奥氏体组织。尽量控制S、P等杂质元素的含量，以降低热裂纹敏感性。 试验材料及方法 1 试验材料为南京钢铁股份有限公司生产的高锰低温钢钢板，主要化学成分如 表5 表5 所示。 C Si Mn Cr Cu N S P 0.43 0.20 23.8 3.53 0.33 0.04 ≤0.01 ≤0.015 熔敷金属试验钢板规格为400 mm×200 mm×20 mm，坡口面单边角度10°，根部间隙为16 mm带钢衬垫进行。对接接头试验钢板规格为400 mm×200 mm×20 mm，坡口面单边角度30°，根部间隙为2 mm进行。熔敷金属试验和对接接头试验的坡口如 图1 图1 所示。试验按照GB/T2650—2008焊接接头冲击试验方法和GB/T2652—2008焊缝及熔敷金属拉伸试验方法进行。 1;2; 试验结果及分析 1 工艺性能 2 良好的焊接工艺性是保证焊缝质量和性能的前提。在埋弧焊中，考察焊接工艺性能需要测试的项目有：电弧稳定性、脱渣能力、焊缝成形等。选用 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44411756&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44411806&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44411795&type= 2.26000977 2.50898743 3.704 4.0 mm规格MCJGMn埋弧焊丝搭配 表4 表4 中焊剂，采用相同的焊接工艺试验参数如 表6 表6 所示。对上述三组焊接材料进行焊接工艺性能对比试验。 焊接材料 焊接方式 电弧电 压/V 焊接电 流/A 焊接速度 /（cm·min -1 ） 道间温 度/℃ MCJGMn/ TM.SJGMn-A 直流平焊 31 480 36 100 MCJGMn/ TM.SJGMn-B 直流平焊 31 480 36 100 MCJGMn/ TM.HJGMn-C 直流平焊 31 480 36 100 单层焊焊缝形貌如 图2 图2 所示，在单层焊接试验中观察到：MCJGMn/TM.SJGMn-A在平板焊接时，熔池流动性较好，焊缝成型良好，表面有轻微氧化色，脱渣性良好，表面无粘渣，未发现气孔等缺陷。MCJGMn/TM.SJGMn-B在平板焊接时，熔池流动性较好，焊缝成型良好，表面有轻微氧化色，脱渣性良好，表面无粘渣，但焊缝边缘有粘渣，未发现气孔等缺陷。MCJGMn/TM.HJGMn-C在平板焊接时，熔池流动性一般，焊缝成型一般，表面有轻微氧化色，脱渣性较差，焊缝表面和边缘均有粘渣，未发现气孔等缺陷。 坡口内焊缝形貌如 图3 图3 所示，在进行坡口内焊接试验中发现：MCJGMn/TM.SJGMn-A坡口内焊接性能良好，熔池流动性较好，焊缝成型良好，表面无氧化色，脱渣性良好，表面无粘渣，未发现气孔等缺陷。MCJGMn/TM.SJGMn-B坡口内焊接性能一般，熔池流动性较好，焊缝成型良好，表面无氧化色，脱渣性一般，表面无粘渣，但焊缝边缘有粘渣，未发现气孔等缺陷。MCJGMn/TM.HJGMn-C坡口内焊接性能一般，熔池流动性一般，焊缝成型一般，表面无氧化色，脱渣性较差，焊缝表面和边缘均有粘渣，未发现气孔等缺陷。对比试验工艺性能评价如 表7 表7 所示。 焊接材料 电弧稳定性 脱渣性 焊缝成型 焊缝氧化色（坡口） MCJGMn/TM.SJGMn-A 稳定 良好 良好 无 MCJGMn/TM.SJGMn-B 稳定 一般 良好 无 MCJGMn/TM.HJGMn-C 一般 稍差 一般 无 综上所述，埋弧焊丝和焊剂MCJGMn/TM.SJGMn-A在焊接工艺性能方面是最优组合。 力学性能 2 对上述三组焊接材料开展熔敷金属试验和对接接头试验，焊接工艺试验参数如 表6 表6 所示，力学性能结果如 表8 表8 、 表9 表9 所示。MCJGMn/TM.SJGMn-A熔敷金属和对接接头抗拉强度达700 MPa以上，-196 ℃冲击吸收功在100 J以上，熔敷金属具有良好的伸长率，弯曲试验未出现裂纹。由 表8 表8 、 表9 表9 可知，MCJGMn/TM.SJGMn-A的综合力学性能优于MCJGMn/TM.SJGMn-B和MCJGMn/TM.HJGMn-C。结合 表4 表4 可知，TM.SJGMn-B和M.HJGMn-C都含有较多的酸性氧化物，具有较强的氧化能力，焊缝金属中合金元素的烧损量较大，对焊缝的强度和低温性能影响较大。 焊接材料 抗拉强度 /MPa 屈服强度 /MPa 伸长率 /% 冲击吸收功 （-196 ℃）/J MCJGMn/TM.SJGMn-A 703 496 45.0 121/116/121 MCJGMn/TM.SJGMn-B 680 454 43.5 92/84/83 MCJGMn/TM.HJGMn-C 666 437 42.5 68/65/68 焊接材料 抗拉强度 /MPa 正反弯曲试验 D =4 a （120°、180°） 冲击吸收功 （-196 ℃）/J MCJGMn/TM.SJGMn-A 750 合格 113/125/115 MCJGMn/TM.SJGMn-B 711 合格 94/103/90 MCJGMn/TM.HJGMn-C 692 合格 72/84//89 对于LNG高锰低温钢的实际工程使用来说，在保证母材使用性能的前提下，焊缝在超低温服役条件下的强度和冲击韧性，是影响LNG储罐使用安全和服役时长的最大因素。根据上述试验结果，本文研制的LNG储罐用高锰低温钢配套埋弧焊丝和焊剂MCJGMn/TM.SJGMn-A是最优组合，对其力学试样进行了形貌和组织分析。 力学试样形貌和组织分析 2 MCJGMn/TM.SJGMn-A熔敷金属拉伸试样和对接接头拉伸试样宏观断裂形貌分别如 图4 图4 、 图5 图5 所示。对接接头弯曲试样的宏观形貌如 图6 图6 所示。当弯曲角度达到180°时，正反弯试样均没有裂纹，表现出良好的弯曲性能。 对MCJGMn/TM.SJGMn-A冲击断口组织进行金相分析，如 图7 图7 所示。焊缝的微观组织主要为奥氏体组织和析出相，在靠近熔合线区域主要为奥氏体柱状晶和析出相，且方向性强，其生长方向沿冷却速度下降最快的方向。熔合线区域在焊接时处于局部熔融状态，组织粗大，成分不均匀，靠近熔合线的粗晶区组织主要为粗大的奥氏体组织和少量孪晶。 1;2; 道间温度、热输入对熔敷金属力学性能的影响 2 采用 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44411799&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44411802&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44411808&type= 2.26000977 2.50898743 3.704 4.0 mm埋弧焊丝MCJGMn/TM.SJGMn-A进行熔敷金属试验，焊接过程中道间温度分别控制在80 ℃、100 ℃和150 ℃，通过控制焊接电流来调整热输入大小，试验工艺参数如 表10 表10 所示。 编号 焊接 方式 电弧电 压/V 焊接电 流/A 焊接速度 /（cm·min -1 ） 热输入 /（kJ·cm -1 ） 道间温 度/℃ 1# 直流平焊 31 420 36 21.7 80 2# 直流平焊 31 480 36 24.8 80 3# 直流平焊 31 560 36 29 80 4# 直流平焊 31 420 36 21.7 100 5# 直流平焊 31 480 36 24.8 100 6# 直流平焊 31 560 36 29 100 7# 直流平焊 31 420 36 21.7 150 8# 直流平焊 31 480 36 24.8 150 9# 直流平焊 31 560 36 29 150 熔敷金属试验力学性能如 表11 表11 所示，力学性能变化如 图8 图8 所示。抗拉强度在道间温度80 ℃时约为690 MPa，随着道间温度提高到100 ℃，抗拉强度有小幅度提高，但当道间温度提高到150 ℃时，抗拉强度会有较大幅度的下降，且相同道温，不同热输入时，抗拉强度变化较小，即道温变化对抗拉强度影响较大。屈服强度在相同道温，不同热输入时变化较大，热输入为29.0 kJ/cm时，屈服强度下降幅度较大。冲击功在道间温度80 ℃时为85 J以上，随着道间温度提高到100 ℃，冲击功有小幅度提高，但当道间温度提高到150 ℃时，冲击功会大幅度下降。 编号 抗拉强度 /MPa 屈服强度 /MPa 伸长率 /% 冲击吸收功 （-196 ℃）/J 1# 697 485 44.5 103/95/94 2# 694 472 43.5 97/99/104 3# 690 428 42.5 91/87/85 4# 705 483 44.0 103/103/105 5# 710 474 47.0 105/106/114 6# 703 415 41.5 95/101/92 7# 679 474 43.0 65/57/51 8# 682 468 44.0 68/59/63 9# 674 424 42.0 47/68/65 1,2,3; 从以上分析可知，道温变化对抗拉强度和冲击功影响较大，这是因为道间温度越高，焊缝金属的 t 8/5 延长，而800~500 ℃是碳化物析出温度区间，导致脆性的碳化物析出数量增加，焊缝金属抗拉强度和冲击韧性下降。热输入的变化对屈服强度影响较大，在焊接热输入较大的情况下，会造成焊缝的冷却速度较慢，组织过热，引起初生奥氏体晶粒长大，易产生粗化组织。同时由于高温时间停留较长，析出粒子长大，钉扎作用减弱，晶粒尺寸较大，导致屈服强度降低。 根据上述研究结果和分析，在焊接奥氏体高锰低温钢时，须控制道间温度为100 ℃左右，采用较小的热输入，确保焊缝金属具有优良的综合力学性能。 结论 1 本文研制的LNG储罐用高锰低温钢配套埋弧焊丝和焊剂MCJGMn/TM.SJGMn-A，通过渣系和合金体系设计，其焊接工艺性能优良，力学性能稳定，具有良好的综合性能： （1）焊接工艺性能优良，电弧稳定，熔池流动性较好，焊缝成型美观，脱渣性良好，表面无粘渣。 （2）采用C-Mn-Cr-Ni-Mo合金体系设计，形成的焊缝金属中Mn含量为22.5%~25.5%，综合力学性能优异，特别是-196 ℃低温冲击韧性较好。 （3）焊缝金属组织是奥氏体，在焊接奥氏体高锰低温钢时，须控制道间温度为100 ℃左右，采用较小的热输入。 （4）研制的埋弧焊丝和焊剂与南钢生产的高锰低温钢钢板匹配性良好，并且符合中国船级社《高锰奥氏体低温钢应用指南》中对焊接材料力学性能的要求。 参考文献 郭伟 ， 蔡艳 ， 华学明 . 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