LNG儲罐用鋼06Ni9DR焊接接頭彎曲試驗斷裂失效分析

李冬毓,王嘉睿,孫萬田

(1.中石化 第五建設有限公司,南京 210048;2.蘭州理工大學,蘭州 730050)

0 引言

近年來,隨著我國能源工業的快速發展,液化天然氣(簡稱LNG)基礎設施建設也得到迅猛發展,一些鋼廠研發的06Ni9DR鋼被用于LNG貯罐的內壁,該材料最低使用溫度可達到-196 ℃,具有良好的耐低溫韌性[1-4]。在對某LNG貯罐的06Ni9DR鋼板進行焊接工藝評定時,按照相關標準及技術文件規定厚度10 mm以下規格的彎曲試驗是進行橫向彎曲,而10 mm以上規格進行側向彎曲。在工藝評定試驗時,發現厚度10 mm以下規格的橫向彎曲試樣易出現開裂,而這種情況在進行側向彎曲試驗時很少出現。為了查找失效的原因,本文研究不同熱輸入對厚度5,10 mm兩種規格的06Ni9DR鋼板焊接接頭綜合力學性能及微觀組織的影響,從中查找橫向彎曲試樣失效的原因,為保障LNG儲罐的焊接質量提供參考。

1 試驗情況

1.1 試驗材料

試驗材料為厚度5 mm和10 mm的06Ni9DR鋼板,供貨狀態為淬火(770～830 ℃)+回火(550～600 ℃)。母材顯微組織為回火馬氏體(見圖1),其主要化學成分及力學性能分別如表1、表2所示。

表1 06Ni9DR鋼板化學成分

表2 06Ni9DR鋼板力學性能

圖1 06Ni9DR鋼試板母材金相組織

1.2 試驗方案

制定的試驗方案如表3所示。采用手工焊條電弧焊接方法,焊接材料為鎳基焊條ENiCrMo-6,規格為?3.2 mm,其化學成分見表4。坡口形式為45°單V形。熱輸入分為4組進行焊接。

表3 制定的試驗方案

依據GB/T 228—2021《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》規定,采用CMT5305微機控制電子萬能試驗機,對試樣進行室溫拉伸性能測定。

依據GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲及壓扁試驗》規定,采用WAW-500C微機控制電液伺服萬能試驗機,對試件進行180°彎曲試驗。

依據GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》,采用NI500C擺錘式沖擊試驗機,對焊縫和熱影響區進行-196 ℃夏比V形缺口沖擊試驗,沖擊試樣尺寸可根據壁厚加工成55 mm×10 mm×2.5 mm和55 mm×10 mm×7.5 mm兩種。

2 試驗結果與討論

2.1 拉伸試驗

拉伸檢測結果如表5所示?？梢钥闯?試樣SY-2-1,SY-2-2抗拉強度沒有達到母材標準要求的最低值(680 MPa),其他試樣均合格。

表5 拉伸檢測結果

2.2 彎曲試驗

彎曲試驗結果如表6所示?？梢钥闯?多數試樣彎曲到180°后未出現任何尺寸的裂紋,焊接接頭表現出了極好的塑性,但開裂的2個試件宏觀看屬于失塑性脆斷(見圖2),焊接接頭瞬間失去塑性會給LNG儲罐帶來安全隱患。觀察WQ-2-2彎曲試樣斷口,發現里面有肉眼可見的較大孔洞,直徑幾乎可達到1 mm;而WQ-3-2是沿著熔合線的焊趾處開裂,仔細觀察會發現焊趾處有輕微的咬邊,初步分析斷裂應該是與這些缺陷有關。

圖2 斷裂彎曲試樣

2.3 沖擊試驗

沖擊試驗結果如表7所示?？梢钥闯?熱輸入控制在12.5～26.6 kJ/cm范圍內試件焊縫及熱影響區的沖擊韌性比較接近,轉化成標準試樣(55 mm×10 mm×10 mm)沖擊吸收能量進行對比,均大于41 J,符合對LNG儲罐低溫韌性的技術要求。

表7 沖擊試驗結果

2.4 金相分析

制備了SY-1,SY-2,SY-3三個焊接接頭試樣進行金相分析,查找引起開裂的原因。低倍下觀察,3個焊縫組織內分布較多白色夾雜物,較小夾雜物星狀遍布焊縫,有些較大夾雜物呈不規則顆粒狀,如圖3所示。

圖3 焊接接頭宏觀金相組織

微觀下觀察焊縫區組織,可清晰看到焊縫組織為奧氏體柱狀晶結構,且組織中為胞狀晶和胞狀樹枝晶[5-6],但在SY-2組織中觀察到有較大夾雜物,如圖4所示。觀察熱影響區為板條馬氏體組織(見圖5),結構均勻未粗化,不同熱輸入焊接接頭熱影響區組織無明顯差別。說明并不是熱輸入導致了組織結構惡化引起的斷裂。

圖4 焊縫微觀金相組織

圖5 熱影響區微觀金相組織

2.5 SEM及EDS分析

對斷裂彎曲試樣斷口進行掃描電鏡SEM組織分析及能譜EDS分析,分別如圖6、圖7所示。

圖7 夾雜物電子照片及EDS分析

在低倍顯微鏡下觀察,斷口屬于脆性斷裂,上面有較大孔洞和較多夾雜物。選擇典型夾雜物進行EDS分析,發現雜夾物富含Ca,F,O。ENiCrMo-6屬于堿性焊條,焊條主要相為CaCO3,CaF2,SiO2[7],說明夾雜物來源于焊條的藥皮。高倍數顯微鏡下觀察,斷口有較多細小的韌窩,韌窩中有不規則的顆粒狀第二相析出物,由于9Ni鋼材為高鎳基型,碳元素可以通過固溶強化作用和析出碳化物作為第二相強化的方式來有效提高奧氏體焊縫的強度和低溫韌性[8-9]。

通過此次試驗,對該鎳基合金焊條有了進一步了解。與碳鋼、奧氏體不銹鋼等焊條相比,鎳基焊條熔化后,黏稠度高、流動性差、脫渣性能也較差[10-11],更易產生夾渣、未熔合以及咬邊等缺陷。如果焊層間清理不徹底,或者焊工對鎳基合金焊材焊接操作特點掌握不熟練,每層熔池填充形狀不利于焊渣的清理時,都易產生夾渣缺陷,建議焊接前應篩選操作技能水平較高、有鎳基合金焊材焊接經驗的焊工,且應進行崗前培訓與實操技能考試。通過試驗,發現采用較小的熱輸入焊接時,夾渣缺陷產生的機率會更高,這些較小夾渣對焊縫組織的抗拉強度、塑性,以及低溫沖擊性能影響并不明顯,但較大夾渣會嚴重惡化焊接接頭的塑性。為了保障LNG貯罐焊接質量,須采用較大的坡口角度,以便于焊條的擺動,適當延長坡口兩邊緣的停留時間,以避免咬邊缺陷的產生;采用合理的熱輸入范圍,更有利于熔渣上浮,而不宜過度強調采用較小熱輸入進行焊接;控制熔沲形狀呈平緩的凹形,防止產生夾溝,且層間打磨清理應徹底等。按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》進行彎曲試驗時,當試樣母材與焊縫金屬之間的彎曲有顯著差別時,可采用縱向彎曲代替橫向彎曲,通過與設計方溝通確認,改為用縱向彎曲代替橫向彎曲,后續縱向彎曲試驗均合格。這種斷裂情況很少在側向彎曲和縱向彎曲時出現的原因,與側向和縱向彎曲不存在輕微咬邊有關?？梢?對于LNG貯罐焊接外觀質量檢查,應嚴格控制不得出現咬邊缺陷。

3 結論

(1)采用ENiCrMo-6焊條焊接06Ni9DR鋼板,熱輸入控制在12.5～26.6 kJ/cm范圍內,焊接接頭的焊縫、熱影響區組織結構相似,組織均具有較好的強度、塑性以及低溫沖擊韌性。但采用較小熱輸入焊接,更易產生夾渣、咬邊等缺陷。

(2)在工程中,當采用鎳基合金焊條焊接時,應選擇脫渣性能優良的焊材,采用合理的熱輸入范圍,不可過度強調以較小熱輸入進行焊接,嚴格進行層間清理,不得出現咬邊缺陷,才能保障LNG儲罐的焊接質量。