• / 66
  • 下载费用:30 积分  

大型LNG储罐用9Ni钢焊接工艺与机理研究

关 键 词:
大型 LNG 储罐用 Ni 焊接 工艺 机理 研究
资源描述:
硕士学位论文 大型 LNG 储罐用 9Ni 钢焊接工艺与机理研究 REASEARCH ON WELDING PROCESS AND MECHANISM OF 9Ni STEEL FOR LARGE LNG STORAGE TANK 郑立娟郑立娟 2010 年年 10 月月 国内图书分类号:TG454 学校代码:10213 国际图书分类号:621.791.1 密级:公开 工学硕士学位论文 大型 LNG 储罐用 9Ni 钢焊接工艺与机理研究 硕 士 研 究 生:郑立娟 导 师:冯吉才教授 申请学位:工学硕士 学科:材料加工工程 所 在 单 位:材料科学与工程学院 答 辩 日 期:2010 年 10 月 授予学位单位:哈尔滨工业大学 Classified Index: TG454 U.D.C: 621.791.1 Dissertation for the Master Degree in Engineering REASEARCH ON WELDING PROCESS AND MECHANISM OF 9Ni STEEL FOR LARGE LNG STORAGE TANK Candidate: Zheng Lijuan Supervisor: Prof. Feng Jicai Academic Degree Applied for: Master of Engineering Speciality: Materials Processing Engineering Affiliation: School of Materials Science and Engineering Date of Defence: Oct, 2010 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 本文针对大型液化天然气(LNG)储罐对 9Ni 钢的焊接需求,系统研究了 9Ni 钢的焊条电弧焊(SMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)和埋弧焊(SAW)的焊接工艺 与机理。利用光学显微镜、扫描电镜及能谱分析、强度测试和硬度测试等方法,分 别研究了 9Ni 钢焊接接头的界面显微组织和力学性能。通过研究工艺参数对接头微 观组织和力学性能的影响, 优化了焊接工艺, 阐明了接头不同特征区域的断口特性。 通过对比分析三种焊接方法在大型 LNG 储罐生产中的适用性,确定底板和壁板不 同位置焊缝需要选择的最佳焊接方法。 选择 Freezal Ni9 焊条可以实现 9Ni 钢的 SMAW 焊接,接头焊缝区包括柱状晶 和晶间碳化物析出物,热影响区主要由马氏体组成。焊接工艺参数的影响本质是由 于焊接热输入不同,平焊、横焊和立焊三种焊接方式得到接头抗拉强度基本相当, 其中平焊方式可以得到最高强度 739MPa,平焊接头的弯曲性能最好,在 120弯曲 时没有出现裂纹,横焊和立焊接头热影响区和熔合区硬度和脆性较大,三种焊接方 式低温冲击性能相当,断口主要呈现出韧性断裂特性。 采用NERTAL625焊丝可以成功实现9Ni钢的GTAW焊接,接头热影响区可分为 过热区、完全正火区及不完全正火区三部分,各部分主要组织均为板条状马氏体; 焊缝主要由粗大的柱状奥氏体晶粒构成,晶粒间隙有偏析相存在。当焊接位置发生 改变时,焊缝微观组织均由固溶体+偏析相组成,但平焊及立焊时焊缝偏析相含量 比横焊位置时高。性能测试结果表明:热影响区低温韧性高于焊缝处,焊缝屈服强 度最高为692MPa,抗拉强度最高为740MPa,焊缝及热影响区处断裂形式均为韧性 断裂。 采用ENiCrMo6焊条和ERNiCrMo4焊丝成功实现了9Ni钢的SMAW辅助SAW焊 接,接头热影响区和熔合区的组织特征与采用GTAW方法时基本类似;焊缝及热影 响区-196低温冲击冲击功分别可达124.7J及225.3J,接头焊缝处平均屈服强度为 690.5MPa,平均抗拉强度为732MPa,所有性能均可以满足标准要求,断口分析结 果表明接头焊缝及热影响区断口均为韧性断裂。 对比分析上述三种焊接方法得到的研究结果可知:大型LNG储罐的现场焊接方 法最好采用以上三种方法的组合, 其中, 底板的平位置焊缝最好采用SMAW或GTAW 方法;壁板的横位置焊缝最好采用SAW方法;壁板的立位置焊缝最好采用SMAW或 GTAW方法的多层多道焊;而底板与壁板的接缝是平角缝,最好采用SAW方法。 关键词:9Ni 钢;焊接方法;界面结构;力学性能 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract Based on the welding requirement of large liquid natural gas (LNG) storage tank, the welding process and mechanism of shielded metal arc welding (SMAW), gas tungsten arc welding (GTAW) and submerged arc welding (SAW) of 9Ni steel was systematically investigated. The interfacial microstructure and mechanical properties was studied by means of optical microscope, scanning electron microscope coupled with energy dispersive x-ray detector, strength tests and hardness tests. According to the investigation on the effect of welding parameters on the microstructure and mechanical properties of joint, the welding parameters was optimized. The characteristic of fracture in different distinctive region was introduced. By comparative analyzing the applicability of three welding methods in production of large LNG storage tank, the most suitable welding method for different position in floor and wall plate was determined. The SMAW welding of 9Ni steel was realized using Freezal Ni9 electrode. The welding seam consisted of columnar crystal and intergranular carbides prepeciates. The heat effect zone was mainly composed of martensite lath. The effect of welding parameters essential derived from welding heat input. The tensile strength of joint obtained by flat welding, horizontal welding and vertical welding was similar. The joining using flat welding reached the highest strength 739MPa and presented the best bending properties. The hardness and brittleness of joint with horizontal and vertical welding was relative higher. The impacts properties in low temperature using three welding position were similar. The fracture mainly showed the ductile characteristic. The GTAW welding of 9Ni steel was successfully carried out using NERTAL625 welding wire. The heat effect zone was divied overheating zone, complete normalize zone and incomplete normalize zone. The main microstructure in every part was martensite lath. The welding seam was mainly composed of columnar austenite grains. The segregation phases existed between the austenite grains. When the welding position was changed, the microstructure of welding seam still consisited of solid solution and segregation phases. However, the compostion of segregation phases in the welding seam using flat and vertical welding was higher than that using horizontal welding. The test results of properties showed that the low temperature ductility in heat effect zone was higher than that in welding seam. The highest yield and tensile strength of welding seam reached 692MPa and 740MPa, respectively. All fracture in welding seam and heat effect zone presented ductile characteristic. The ENiCrMo6 electrode and ERNiCrMo4 welding wires were applied to achieve the SMAW assisted SAW welding of 9Ni steel. The microstructural characteristics in the 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - heat effect zone and fusion zone were similar with that using GTAW method. The low temperature ballistic works in welding seam and heat effect zone reached 124.7J and 225.3J, respectively. The average yield and tensile strength of welding seam was 690.5MPa and 732MPa, respectively. All properties fit the requirement of welding standards. The analyses of fracture showed that all fracture in welding seam and heat effect zone was ductile fracture. From comparative analyses of the results using the above three welding methods, it was confirmed that the combination of above three methods was suitable for the actual welding of lage LNG storage tank. The best method for flat welding of floor was SMAW or GTAW method. The SAW method was good choice for horizontal positon welding of wall. The multilayer and multiple welding of SMAW and GTAW method can be applied for vertical position welding of wall. The conection seam between floor and wall was flat fillet welding seam, where the SAW method was most suitable for this position. Keywords: 9Ni steel, Welding method, Interfacal microstructure, Mechanical properties 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要.............................................................................................................................I Abstract...............................................................................................................................II 第 1 章 绪 论.................................................................................................................... 1 1.1 课题背景.................................................................................................................. 1 1.2 9Ni 钢材料性能研究现状 ....................................................................................... 1 1.3 9Ni 钢焊接技术研究现状 ....................................................................................... 3 1.3.1 9Ni 钢焊接材料研究现状................................................................................ 3 1.3.2 9Ni 钢焊接方法研究现状................................................................................ 4 1.3.3 9Ni 钢焊接工艺研究现状................................................................................ 5 1.3.4 9Ni 钢焊接检测研究现状................................................................................ 6 1.4 本课题的研究内容.................................................................................................. 7 第 2 章 试验材料、设备及方法...................................................................................... 9 2.1 试验材料.................................................................................................................. 9 2.2 试验设备及过程...................................................................................................... 9 2.3 微观组织分析及力学性能测试............................................................................ 11 2.3.1 微观分析........................................................................................................ 11 2.3.2 力学性能测试................................................................................................ 12 第 3 章 9Ni 钢的 SMAW 焊接接头组织与工艺研究................................................... 13 3.1 引言........................................................................................................................ 13 3.2 焊条优选分析........................................................................................................ 13 3.3 接头典型界面结构分析........................................................................................ 14 3.4 工艺参数对界面结构的影响................................................................................ 18 3.4.1 焊接电流的影响............................................................................................ 18 3.4.2 焊接速度的影响............................................................................................ 19 3.5 接头力学性能分析................................................................................................ 19 3.5.1 强度测试结果................................................................................................ 20 3.5.2 断口分析结果................................................................................................ 21 3.6 本章小结................................................................................................................ 24 第 4 章 9Ni 钢的 GTAW 焊接工艺及机理分析............................................................ 26 4.1 引言........................................................................................................................ 26 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4.2 9Ni 钢的 GTAW 焊接工艺.................................................................................... 26 4.2.1 平焊位置时的 GTAW 焊接工艺................................................................... 26 4.2.2 横焊位置时的 GTAW 焊接工艺................................................................... 27 4.2.3 立向上焊时的 GTAW 焊接试验工艺........................................................... 28 4.3 GTAW 接头组织分析............................................................................................ 29 4.3.1 热影响区组织分析........................................................................................ 29 4.3.2 熔合区组织分析............................................................................................ 30 4.3.3 焊缝组织分析................................................................................................ 31 4.3.4 焊接位置对接头组织影响............................................................................ 33 4.4 GTAW 接头力学性能............................................................................................ 35 4.4.1 接头的低温韧性............................................................................................ 35 4.4.2 接头的显微硬度分析.................................................................................... 36 4.4.3 接头的屈服强度及抗拉强度分析................................................................ 37 4.4.4 接头焊缝的断口分析..................................................................................... 38 4.4.5 接头热影响区的断口分析............................................................................ 40 4.5 本章小结................................................................................................................ 40 第 5 章 9Ni 钢的 SAW 焊接工艺及机理分析............................................................... 42 5.1 引言........................................................................................................................ 42 5.2 9Ni 钢的 SAW 工艺试验....................................................................................... 42 5.3 SAW 接头组织分析............................................................................................... 43 5.3.1 热影响区组织分析........................................................................................ 43 5.3.2 熔合区组织分析............................................................................................ 45 5.3.3 焊缝组织分析................................................................................................ 45 5.4 SAW 接头力学性能............................................................................................... 45 5.4.1 接头的低温韧性............................................................................................ 45 5.4.2 接头显微硬度分析........................................................................................ 46 5.4.3 接头屈服强度及抗拉强度分析.................................................................... 47 5.4.4 SAW 接头断口分析........................................................................................ 47 5.5 各类焊接方法在现场应用的技术可行性............................................................ 48 5.5.1 焊接方法工作环境适应性评估..................................................................... 48 5.5.2 焊接位置对焊接方法的适应性分析............................................................. 49 5.6 本章小结................................................................................................................ 50 结 论.............................................................................................................................. 51 参考文献.......................................................................................................................... 52 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.................................................................. 55 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.................................................................. 55 致 谢.............................................................................................................................. 56 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景 近年来,世界天然气产量和消费量呈持续增长趋势。产量以年 20速度增长, 市场对液化天然气的需求每年以 4%的速度递增,从今后我国经济和社会发展看, 加快天然气的开发利用,对改善能源结构,保护生态环境,提高人民生活质量,具 有十分重要的战略意义1。 LNG (Liquefied natural gas)贸易是天然气国际贸易的一个 重要方面。LNG 工业将是未来天然气工业重要组成部分,LNG 在我国的应用必将 开始一个新的阶段2,3。 LNG 工业链是非常庞大的,主要包括天然气液化、储存、运输、接收终端、气 化站等4。大型 LNG 储罐是 LNG 接收站的核心设备,目前,世界上的 LNG 储罐 以 10 万 m3以上为主,其设计标准和形式与以往的大型立式储油罐不同,因此安装 技术差别很大。它采用的是外层全封闭混凝土,内层为 9Ni 低温钢、中间保冷层的 复杂结构,制造标准要求高,其安装中的罐顶提升技术、现场焊接技术、内壁安装 等关键技术掌握在世界上有实力的大公司手中,并处于保密状态,国内同行业刚刚 起步,因此大型 LNG 储罐 9 镍钢焊接技术研究已经成为国内焊接界的热门课题之 一5, 6。 本文针对 9Ni 钢的焊接方法和工艺进行深入研究,为大型 LNG 建造技术国产 化和建造标准国产化奠定良好的技术基础,对实现大型 LNG 储罐的国产化建造, 节约国家资金具有重要的理论意义和实用价值。 1.2 9Ni 钢材料性能研究现状 9Ni 钢是目前国内为缓解能源压力,建设液化天然气储罐所必须国产化的重要 基础原材料, 国内首台 9Ni 钢制大型低温储罐于 1995 年 12 月由扬子石化公司引进, 该项目由德国林德公司设计、供料,中国石化第二建设公司负责施工7。关于 9Ni 钢的设计与性能研究是材料领域研究的热点问题,研究重点集中在 9Ni 钢的成分设 计、组织控制和低温韧化机制等方面。 孟祥敏等人8-10对 9Ni 钢合金的显微结构进行了观察,通过透射电镜和高分辨 电镜分析手段,发现 9Ni 钢经过 800奥氏体化后淬火并回火处理的显微组织与低 碳钢中马氏体组织相仿,一个奥氏体晶粒内往往出现不止一个马氏体束,在对同一 马氏体束内相邻马氏体片的取向关系进行观察时,发现经常出现有固定取向差的马 氏体片存在。在不同热处理条件下的 9Ni 钢合金样品中,两马氏体片的110M 取向 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 间普遍存在着 5.3的对称小角度晶界。马氏体间的界面为半共格的规则界面,由台 阶和位错组成。9Ni 钢中的渗碳体含量很少,在晶界合和晶粒内部都可能析出,大 多数渗碳体是颗粒状的,少数为棒状,多数渗碳体与马氏体之间满足 Bagaryaskii 关系。 9Ni 钢在-196超低温下仍然具体良好的强韧性匹配,为此其低温韧化机制是 研究领域重点关注的问题之一。目前对于 9Ni 钢的低温韧化机制一直存在争论,但 绝大多数研究者认为逆转变奥氏体对低温韧性的提高起到了主要作用,逆转变奥氏 体作为一种中间净化剂,有助于洁净柔软的马氏体生成,同时有助于马氏体中不生 成连续网状组织。 李锋等人11利用透射电镜观察了9Ni钢中逆转变奥氏体的分布及形态, 如图1-1 所示,并用 X 射线测定了逆转变奥氏体的含量,当温度低于 540回火时,试样中 没有逆转变奥氏体生成;在 540以上随回火温度的升高,试样中逆转变奥氏体数 量增加;回火温度达到 600时逆转变奥氏体量达到最大值。9Ni 钢中的逆转变奥 氏体在低温下并非都稳定,只有在低温下稳定的逆转变奥氏体对低温韧性有贡献, 低温稳定的逆转变奥氏体
展开阅读全文
论文查重
  维思文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:大型LNG储罐用9Ni钢焊接工艺与机理研究
链接地址:https://www.vswenku.com/p-1058673.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服 - 联系我们

copyright@ 2012-2020 vswenku网站版权所有

经营许可证编号:苏ICP备18070066号



收起
展开