9Ni鋼及其焊材的研究與應(yīng)用

  隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,液化天然氣(LNG)用量每年以10%的速度增長,預(yù)計不久的將來,天然氣將成為我國在煤和石油之后的第三大能源。儲存和運(yùn)輸LNG所用低溫9Ni鋼已成為鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)的又一個焦點(diǎn)。

  9Ni鋼取代Ni-Cr不銹鋼已成為建造LNG低溫儲罐的主要材料。9Ni鋼始于美國國際鎳公司的產(chǎn)品研究實驗室,最低使用溫度可達(dá)-196℃。第一臺9Ni鋼儲罐于1952年在美國率先投入使用。1980年,我國從法國引進(jìn)7臺9Ni鋼制作的容積達(dá)1.0×104m3球罐,并于20世紀(jì)80年代末開始進(jìn)行LNG裝置的實踐。2004年,我國首個大型低溫液化氣項目(廣東LNG工程)共有3臺大型儲罐,單臺容積1.6×104m3。到目前為止,中石油、中石化和中海油已建成或在建的大型低溫LNG儲罐有20多臺。因9Ni鋼具有良好的焊接性能及優(yōu)良的低溫韌性,成為國際上低溫設(shè)備領(lǐng)域使用廣泛的鋼種,我國也在逐步實現(xiàn)9Ni鋼的國產(chǎn)化。從2008年開始,在國家發(fā)改委等部門支持下,鞍鋼、南鋼及太鋼等國內(nèi)鋼鐵企業(yè)陸續(xù)成功研發(fā)出國產(chǎn)低溫9Ni鋼,打破了9Ni鋼長期進(jìn)口現(xiàn)象,加速了我國LNG工業(yè)的發(fā)展。

  9Ni鋼的低溫力學(xué)性能主要決定于其化學(xué)成分,尤其是C和N的含量。此外,9Ni鋼的韌性還取決于鋼的純凈度和微觀組織。較低的碳含量可使回火時馬氏體中碳化物的析出減少,提高低溫韌性,而碳含量過高則會使焊接性能和冷脆性能顯著惡化。9Ni鋼中添加Ni,可增強(qiáng)基體的交叉滑移能力,減少間隙原子與位錯的交互作用,可降低Ac3點(diǎn)、細(xì)化晶粒、降低脆性轉(zhuǎn)變溫度,使材料的低溫韌性得到明顯改善。

  目前,9Ni鋼有三種主要熱處理工藝:

  1)NNT處理,第一次正火加熱至900℃空冷,第二次正火加熱至790℃空冷,然后在550~580℃回火后急冷,處理后的組織為回火馬氏體與貝氏體。

  2)QT處理,在800℃水淬或油淬,然后550~580℃回火,處理后的組織為低碳馬氏體。

  3)IHT處理,即α+γ雙相區(qū)淬火+回火,通常800℃水淬+670℃水淬,然后經(jīng)550~580℃回火,處理后的組織為低碳馬氏體。

  研究結(jié)果表明

 ?。?)9Ni鋼的三種熱處理工藝后,9Ni鋼低溫韌性由低到高分別是NNT<QT<IHT,是由于逆轉(zhuǎn)奧氏體分布和數(shù)量不同,使得IHT比QT的低溫韌性高。

 ?。?)9Ni鋼焊接用CHNiCrMo-6,CHF205/CHW-NiCrMo-3和CHF206/CHW-NiCrMo-4,焊接工藝性能良好,力學(xué)性能優(yōu)異,且價格便宜,為工業(yè)和工程材料生產(chǎn)帶來巨大前景。

  (3)9Ni鋼焊接過程中容易出現(xiàn)的問題主要包括熱裂紋、冷裂紋、電弧磁偏吹和低溫韌性四種,其中熱裂紋缺陷比較突出,需要重點(diǎn)控制。

  (4)9Ni鋼具有良好的焊接工藝性能,選用合適的焊接工藝措施,就可以避免焊接冷、熱裂紋及焊后低溫韌性的下降。