超低碳9Ni钢焊接接头低温韧性研究

摘要

近年来，中国大力推进、实施清洁能源战略，作为低成本的天然气储运方法液化天然气工业正以迅猛的速度递增，对制造LNG贮罐罐体的关键材料镍系低温用9Ni钢及焊接技术提出了巨大需求。然而这一材料及其装焊技术主要依赖于进口，这对LNG工业的发展已经形成很大制约，同时对国家的能源安全保障也极为不利。因此，掌握低温9Ni钢及焊接技术，推动LNG设备的国产化进程是我国能源项目发展的迫切需要。其中，9Ni钢作为LNG储罐内壁用材料，直接与冷冻LNG接触、长期服役于-162℃的低温环境，因此，为保障焊接低温容器的安全，对9Ni钢的焊接接头低温韧性进行研究有着重要的工程意义。 针对新研制的国产超低碳9Ni钢板，在分析了其有关焊接性能的基础上，根据GB2358和BS7448标准，采用MTS809材料测试系统分别对9Ni钢焊接接头的热影响区、熔合区和焊缝进行了裂纹张开位移试验，同时在测试过程中，通过HIROX长焦距显微镜实时观察了CTOD试样裂纹尖端扩展情况；在此基础上，对计算CTOD的Wells公式进行了讨论并提出了新的修正公式。为表征9Ni钢焊接接头在低温下钝缺口的快速断裂，根据EN875和GB/T229标准，采用JBD-300C超低温冲击试验机对9Ni钢焊接接头的不同区域、不同焊缝百分比的试样进行了系列低温Charpy冲击试验。采用扫描电镜和能谱仪对试样断口形貌与微区成分进行扫描与分析。为探讨低温断裂韧性与组织结构之间的关系，采用MM6显微镜对9Ni钢接头的微观组织和晶粒度进行了观察和测量。 试验结果表明，国产超低碳9Ni钢焊接接头低温断裂韧性达到了ASME和BS7777标准有关要求。CTOD试验和低温Charpy冲击试验结果都显示了熔合区为断裂韧性最低区域，焊缝区次之，热影响区韧性最高。从Charpy V型缺口处焊缝所占不同比例接头试样的低温冲击结果来看，焊缝含量越高，冲击韧性就越低。接头微观组织观察表明：熔合区与过热区组织多为粗大的板条状马氏体，晶粒度较粗大；正火区为细小的板条马氏体和一定数量的逆转奥氏体，晶粒度细小。热影响区的低温冲击功随着与熔合区距离不断增大而逐渐提高，晶粒度随着距离的增加而逐渐减小。从低温接头断口形貌来看，其断裂方式为韧性撕裂，伴随着大量的韧窝和第二相粒子。能谱分析显示在接头的熔合线附近存在着大量的元素扩散，即熔合线附近存在S及杂质元素的偏析，导致熔合区各处的成分不均匀，所以熔合区是接头中断裂韧性最低区域的这一结论便得到证实。

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致谢

第一章前言

1.1 LNG工业概述

1.1.1 LNG发展的动力

1.1.2 LNG的运输

1.2 LNG设备运行的安全

1.2.1 LNG储罐用钢的选择

1.2.2低温下接头脆化

1.3本章小结

第二章9Ni钢焊接性及其低温韧性

2.1 9Ni钢及其焊接概述

2.1.1 9Ni钢的热处理

2.1.2 9Ni钢常用焊接方法

2.1.3 9Ni钢常用焊接材料

2.1.4 9Ni钢的焊接性

2.2 9Ni钢低温韧性的表征

2.2.1裂纹张开位移(CTOD)

2.2.2低温charpy冲击试验方法

2.2.3低温韧性测试方法的比较

2.3 9Ni钢低温韧性机理

2.3.1 9Ni钢的冶金因素

2.3.2逆转奥氏体的作用

2.3.3马氏体基体的作用

2.3.4形变诱导马氏体的作用

2.3.5合金元素的作用

2.4 本文研究的目的、意义及内容

第三章试验材料及试板焊接方法

3.1 9Ni钢的成分及力学性能

3.1.1 9Ni钢的板材成分

3.1.2试验材料的力学性能

3.2焊接材料的选择[33-36]

3.3试板焊接

3.3.1板料尺寸

3.3.2焊接方法

3.3.3焊接设备

3.4焊接工艺参数

3.4.1接头的坡口形式

3.4.2焊接工艺参数

3.4.3焊接注意问题[38]

3.5本章小结

第四章 9Ni钢焊接接头低温韧性的测试方法及设备

4.1裂纹张开位移测试

4.1.1试样的制备

4.1.2裂纹位置的确定

4.1.3试样的机械缺口加工

4.1.4试验的主要设备

4.1.5预制裂纹的载荷计算

4.1.6试验疲劳裂纹的预制

4.1.7裂纹张开位移试验步骤

4.2 Charpy低温冲击试验

4.2.1试样的制备

4.2.2试样缺口位置

4.2.3试验的设备

4.2.4试验的过程

4.3本章小结

第五章试验结果及分析

5.1裂纹尖端张开位移试验结果及分析

5.1.1裂纹张开位移计算方法

5.1.2接头裂纹张开位移结果及分析

5.1.3焊接接头裂纹张开位移过程中实时观察及分析

5.1.4试样裂纹分析

5.2 Wells计算公式的修正

5.2.1转动因子的原始计算模型

5.2.2转动因子的改进计算模型

5.2.3 Wells修正公式的计算

5.3低温冲击试验结果及分析

5.3.1低温冲击试验结果及检验

5.3.2冲击实验的结果分析

5.4接头金相组织和性能分析

5.4.1 9Ni钢接头金相制备

5.4.2接头组织观察

5.5接头低温冲击断口扫描及能谱分析

5.5.1断口扫描分析

5.5.2能谱分析

5.6本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文