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LNG储罐用超低碳不锈钢焊条CHS027LT的研制

0 前言

液化天然气(Liquefied Natural Gas,简称LNG)被公认为地球上最清洁的能源,且使用安全,热值高[1]。大量使用煤炭已造成中国环境严重污染,LNG逐步替代煤炭和石油等能源,将是绿色能源发展的必然趋势。随着LNG消费量持续增长,LNG储罐及运输设备等市场需求显著增加[2-4]。LNG储罐是保证国内能源战略安全的重大装备,焊接技术是LNG储罐建造的核心技术之一,配套焊接材料长期被国外企业垄断。为了实现大容积LNG储罐技术完全自主化,文中对超低温(-196 ℃)316L类奥氏体不锈钢焊条进行了大量研究,焊条牌号为CHS027LT(型号:E316L-15),目前已实现该类焊条完全国产化。

1 焊条渣系选择与配方设计

长期在-196 ℃超低温工况环境下服役的316L类奥氏体不锈钢焊缝,要求冲击吸收能量大于32 J,焊缝金属应具备优良的抗晶间腐蚀性能、低热裂纹倾向,同时对焊条的全位置焊接工艺性能也有较高要求。

城市化率越高,农村土地流转率越高。城市化的基本特征是农村人口向城市转移,农业向第二、三产业转变。从人口转移的角度看,农民放弃农业生产,获得非农就业机会时,更倾向于在城市或郊区定居;从产业转变的角度看,企业需要更多的资金、技术、资源来扩大规模,同时也提供了更多的就业机会,吸引了农村剩余劳动力。为了迎合产业转型升级、人口转移流动的目的,城市建设用地、居住用地的需求快速增长,在一定程度上推动了农村土地流转系统,有利于提高土地的节约集约度,缓解人地矛盾。

碱度是熔渣的重要化学性质,一般来讲,碱度越高,焊缝金属中O,S,P等杂质元素含量越低,冲击吸收能量越高[5]。因此,焊条药皮应选择高碱度的CaO-CaF2-SiO2-TiO2渣系,采用Si-Mn-Al-Ti联合脱氧,实现较好的脱氧效果。药皮主要成分为碳酸盐和氟化物,碳酸盐具有造渣、造气、稳弧等作用,氟化物稀渣、去氢效果显著。合理调整碳酸盐与氟化物配比,一方面能有效保护熔滴过渡与熔池冶金反应,使电弧与空气隔绝,防止空气中的氧、氮、氢侵入电弧,另一方面可改善熔渣流动性和电弧稳定性,降低焊接飞溅,获得漂亮的焊缝成形和优良的熔渣覆盖性能,使焊条具有优良的焊接工艺性能。

“我想……”我嗫嚅着。话还没说完,她马上接茬:“你什么都不要想,死心吧。你自己一个人坏就罢了,不要再带坏其他同学。”我一听,怒火丛生,愤然地说:“你就这么看轻我?难道我不会长大吗?难道我就不能懂事吗?你怎么这么记仇。”

根据奥氏体不锈钢用焊材选择原则,在无焊接裂纹前提下,应尽可能保证其合金成分与母材成分相近[6],故焊缝金属应选择与316L母材成分相匹配的Mn-Cr-Ni-Mo合金系。为了保证焊缝金属的抗晶间腐蚀性能,应限制C≤0.04%,避免晶界发生“贫铬”现象。通过调整Creq/Nieq比值,使焊缝金属铁素体含量低于5%,获得较好的塑性。为了降低焊接热裂纹倾向,应严格控制S,P,Bi等易形成低熔点共晶的元素,而这些元素主要通过焊芯过渡,因此焊芯应选择低S,P等杂质元素含量的H00Cr21Ni10。

2 研制焊条性能试验

通过实验室阶段多轮配方设计优化,研究不同热输入条件下的熔敷金属理化性能和定型配方,并生产三批次产品,研究不同批次产品间熔敷金属力学性能稳定性。

水灾破坏了寿光等地区的农业种植,却也为集约化、规模化等高效绿色种植模式的推广提供了机遇,或可实现当地蔬菜种植的“重生”与升级发展。邹磊表示,原有面积较小、劳动力老龄化的大棚或在政府的引导下,通过土地流转等方式,实现蔬菜大棚的集约化、标准化建设,由年轻的新型职业农民主导农业种植,从而带动种植管理水平的提升以及农产品品质化、品牌化的发展。

2.1 焊接工艺性能试验

针对平焊、平角焊、立向上角焊位置,在不同焊接电流条件下,观察CHS027LT焊条(规格:φ4.0 mm)的焊接工艺性能,焊接参数见表1。平焊、平角焊时,电弧稳定、吹力适中、飞溅小、脱渣良好、焊缝成形美观;立向上角焊时无“淌渣”现象,连续操作性佳,不同焊接电流条件下平焊、平角焊、立向上角焊焊缝表面质量如图1~3所示。

表1 平焊平角焊立向上角焊焊接工艺参数

焊接位置电弧电压U/V焊接电流I1/A焊接电流I2/A焊接电流I3/A平焊20~25120140160平角焊20~25120140160立向上角焊20~2595115130

图1 不同焊接电流条件下平焊焊缝

图2 不同焊接电流条件下平角焊焊缝

图3 不同焊接电流条件下立向上角焊焊缝

2.2 熔敷金属化学成分与铁素体含量

熔敷金属中S,P等杂质元素含量较低,铁素体含量为3%,化学成分见表2。

通过1∶5鱼道局部模型,对同侧横隔板竖缝式鱼道的水力特性进行研究,对过鱼池室流态、流速分布、单位体积消能率等进行了观测分析。试验结果表明,鱼道池室主流清晰,流态良好,池室流速分布合理,竖缝断面最大流速均小于过鱼对象极限流速1.0 m/s,各级水池内的单位水体消能率E小于200 W/m3。综上所述花园水库鱼道采用同侧横隔板竖缝式,设计参数尺寸基本合理,满足鱼类上溯的水力学要求。本次模型试验成果,可供类似工程鱼道建设作为参考。

2.3 不同焊接热输入条件下的熔敷金属理化性能

制备熔敷金属焊接试板,比较不同焊接热输入对同一批次焊条产品理化性能影响,焊接参数见表3。

例如,在学习《晏子使楚》这篇课文的时候,对班级中的优等生、中等生以及学困生,可以分别给予他们三个不同层次的问题:第一个问题是在这篇文章的末尾,楚王为什么要说“寡人反取病焉”,请学生们根据本篇文章的具体内容详细说明楚王自取其辱的真正原因是什么。第二个问题是根据这篇文章的具体内容详细分析本篇文章中的晏子和楚王,说说他们都是什么样的人。第三个问题是运用简明扼要的语言对文章的所描述的事情进行概括。采取这样的措施能让班级中的所有学生都参与到语文学习中,充分调动学生的积极性,以这样的方式可以有效避免班级中的学困生在学习过程中被边缘化。

2.3.1 熔敷金属力学性能

不同焊接热输入条件下,CHS027LT焊条熔敷金属均满足技术要求,表现出较稳定的力学性能:抗拉强度随热输入增加呈缓慢下降趋势;断后伸长率与冲击吸收能量随热输入增加变化不大,同一热输入条件下,3个试样冲击吸收能量稳定,见表4。

弯曲试验按照D=3Tα=120°要求进行,在不同焊接热输入条件下,对接接头试样经横向正弯和背弯,试样表面均无裂纹。

2.3.2 晶间腐蚀

晶间腐蚀试验按照GB/T 4334.5 E法进行,试验时间16 h,CHS027LT焊条在不同热输入条件下,熔敷金属焊态与敏化处理态试样弯曲面均无裂纹,无晶间腐蚀倾向。

表2 熔敷金属化学成分(质量分数,%)

类别CMnSiSPCrNiMoCu标准值≤0.040.5~2.5≤1.0≤0.03≤0.0417~2011~142~3≤0.75实测值0.031.20.450.0070.01219.0112.82.20.03

2.4 三批次定型焊条产品熔敷金属力学性能稳定性

在相同热输入条件下(E=12.7 kJ/cm,I=140 A),三批次定型焊条产品熔敷金属抗拉强度、断后伸长率、-196 ℃冲击吸收能量数据表现稳定,力学性能数据见表5。

表3 不同焊接热输入条件下的焊接工艺参数

焊接热输入E/(kJ·cm-1)焊接电流I/A电弧电压U/V焊接速度v/(cm·min-1)道间温度T/℃10.212020~2415~1613012.714020~2414~1513016.916020~2412~13130

表4 不同焊接热输入条件下的熔敷金属力学性能

焊接热输入E/(kJ·cm-1)抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)平均冲击吸收能量(-196 ℃)KV2/J要求值≥490≥25≥3210.258436.551.612.757740.055.016.954742.057.3

表5 三批次定型焊条产品熔敷金属力学性能

批次抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)冲击吸收能量(-196 ℃)KV2/J313315744356,53,58313395774055,57,53313625674255,54,60

2.5 熔敷金属微观组织

焊条熔敷金属焊态及层间重热区微观组织形态如图4所示,焊态区组织与层间重热区组织基本相同,均为奥氏体+少量铁素体组织。多层多道焊接时,相邻焊层之间彼此具有热处理作用,多次热处理的叠加使层间重热区铁素体组织更加细小。

图4 CHS027LT焊条熔敷金属微观组织

3 结论

(1)CHS027LT焊条在宽电流范围内,具有优良的平焊、平角焊、立向上角焊工艺性能。

(2)通过合理的渣系选择与配方设计,在焊接热输入10.2~16.9 kJ/cm范围内,CHS027LT焊条熔敷金属理化性能均满足技术要求;三批次定型焊条产品表现出稳定的力学性能。

(3)CHS027LT焊条熔敷金属微观组织为奥氏体+少量铁素体组织。

参考文献

[1] 丁文斌, 刘维, 张姝妍.LNG储罐专用5083铝合金焊接工艺试验研究[J].中国造船, 2009, 50(S):550-559.

[2] 张耀光, 刘桂春, 刘锴, 等.液化天然气船舶(LNG船)制造国内外进展[J].海洋经济, 2012, 2(6):7-13.

[3] 张超, 扬帆, 屈长龙.LNG储罐大型化及国产化发展趋势分析[J].中国造船, 2014, 55(S1):133-140.

[4] 王晓军, 吴建英, 薛洲, 等.LNG全容罐5083铝合金吊顶焊接施工技术[J].焊接技术, 2011, 40(2):23-25.

[5] 张文钺.焊接冶金学(基本原理)[M].北京:机械工业出版社, 2003.

[6] 吴树雄, 尹士科, 李春范.金属焊接材料手册[M].北京:化学工业出版社, 2008.

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