9Ni钢焊接材料和焊接技巧
9Ni钢是1944年开发的W（Ni）≈9%的中合金钢，由美国国际镍公司的产品研究实验室研制成功，它是一种低碳调质钢，组织为马氏体加贝氏体。
这种钢材在极低温度下具有良好的韧性和高强度，而且与奥氏体不锈钢和铝合金相比具有热胀系数小，经济性好，使用温度最低可达-196℃, 自1960年通过研究证明不进行焊后消除应力热处理亦可安全使用以来，9Ni钢就成为用于制造大型LNG储罐的主要材料之一，最低使用温度可达-196℃，其强度高、低温韧性优异、焊接性能良好，是深冷环境下使用的韧性最好的材料。
9Ni钢热处理方式有双正火+回火（NNT）、淬火+回火（QT）、两相区淬火+回火（IHT）。在回火处理时，C、Ni、Mn等元素向弥散分布于基体内的奥氏体扩散，合格的钢板金相中含有5%~15%的稳定残余奥氏体组织（逆转奥氏体）, 该奥氏体非常稳定，在-196℃也不发生马氏体相变，并呈弥散分布，使9Ni钢在-196℃仍具有很好的低温韧性。在影响9Ni钢脆性转变温度的主要因素中，合金元素和杂质含量都与化学成分密切相关。
9Ni钢化学成分设计标准见表1。
9Ni钢的力学性能见表2。
1 9Ni钢焊接材料
LNG储罐中，9Ni钢的焊接主要采用焊条电弧焊（SMAW）与埋弧自动（SAW），环缝采用埋弧自动焊，立缝采用焊条电弧焊。9Ni钢在选择焊接材料时除考虑力学性能外，还应着重考虑其低温韧性、热膨胀系数等，见表3。
9Ni钢焊接材料主要有四种：
（1）w（Ni）=11%的铁素体型：用与9Ni钢成分相同的焊接材料焊接9Ni钢时，焊缝金属的低温韧性很差。
（2）Ni-Cr （如Ni13%~Cr16%）奥氏体不锈钢型：含Ni13%~Cr16%奥氏体不锈钢型焊接材料的强度稍高，但低温韧性较差，线胀系数与9Ni钢存在较大差异。
（3）Fe-Ni基（如含Ni约40%的Ni-Cr-Fe系合金）：低温韧性良好。
（4）Ni基（如含Ni约60%以上的Ni-Cr-Mo 系合金）：低温韧性高、抗冷裂性能好、线膨胀系数与9Ni钢接近、不需要焊前预热和焊后热处理，适合大型结构的野外施工，虽价格昂贵，仍得到了普遍应用。ENiCrMo-6和ENiCrMo-3最常用。ENiCrMo-6焊条中的镍合金与9Ni钢在室温和高温下的线胀系数基本相近，从而避免因不均匀的热胀冷缩造成的热应力。ENiCrMo-6镍合金焊条中含Ni量高达55%~66%，含碳量与9Ni钢相同, 均为低碳型，考虑母材对焊缝金属的稀释作用，仍有足够高的奥氏体组织避免熔合线出现硬脆马氏体带。9Ni钢本身与同等强度水平的其它低合金钢相比有较好的抗裂纹的能力，在低氢情况下一般不会产生冷裂纹。但采用低镍高锰型奥氏体焊条时，因母材的稀释作用，在熔合区会出现高硬度的马氏体带，对氢脆敏感。采用Ni基合金材料焊接，使熔合区基本上不出现高硬度马氏体带, 有利于避免冷裂纹的产生。由此可见，ENiCrMo-6镍合金焊条的使用可提供降低9Ni钢焊缝冷、热裂纹倾向的基本条件。同时说明，在严格控制扩散氢含量的条件下，选用ENiCrMo-6镍合金焊条可基本避免9Ni钢的焊接冷、热裂纹倾向。
2. 9Ni钢的焊接工艺要点
焊接9Ni钢主要问题是保证焊接接头的低温韧性、防止焊接裂纹、防止电弧磁偏吹等问题, 这与焊接材料的类型、焊接线能量、焊接工艺有关。9Ni钢焊接工艺参数见表4。
(1)焊前尽量不要预热，且层间温度不宜超过100℃ 预热温度与层间温度直接影响焊后的冷却速度，冷却速度越慢，越有助于晶粒长大，从而低温韧性下降。
(2)选择合适的热输入量 热输入量越大，焊接热循环中的高温停留时间就越长，冷却速度就越慢，接头组织的晶粒就越粗大，低温韧性下降。热输入量大之后出现柱状晶会产生偏析，增加热裂纹敏感性。小热输入量将增加焊接道数，能使后续焊道对前一焊道起到回火作用，提高低温韧性。
(3)热裂纹控制 由于对S等杂质含量控制比较严格，热裂纹倾向不是很大。由于应力影响产生的热裂纹主要是弧坑裂纹，采用正确的焊接工艺参数和良好的收弧技术，降低焊接应力，并配合收弧处的适当打磨处理。在埋弧横焊时，如果间隙过大，打底层比较薄，在横向应力作用下极易产生打底裂纹, 因此在埋弧横焊时应当将间隙控制在1.5~2mm。
(4)冷裂纹控制 9Ni钢具有良好的抗冷裂纹能力，但是在高氢的情况下，有一定的冷裂纹敏感性，特别是焊接第一层焊缝时，由于根部附近冷却快，拘束应力较大，如果焊接材料或环境潮湿，很可能出现冷裂纹。因此需要严格控制氢的来源。在施焊过程中严格执行焊接工艺规程，特别是焊条烘干、焊接环境温度、湿度及焊接规范等。新焊条在真空包装开包后如果超过4小时未使用, 就应烘干后再用。当焊接环境湿度超过90%或母材表面结露时，在坡口两侧150mm范围内采用烤把火焰加热去除湿气，以消除氢对焊接质量的影响，避免产生焊接裂纹。
(5)克服磁偏吹 9Ni钢是一种强磁性材料，9Ni钢在加工运输过程中可能被磁化，当用直流焊机焊接时会进一步磁化，导致电弧磁偏吹，影响焊接工艺的稳定性，从而直接影响到接头的质量。在LNG 储罐门洞处由于磁力线更加密集，更易出现磁偏吹现象。减小磁偏吹可通过以下方法：
第一,母材运至现场时要对9Ni钢磁性进行测量，必要时进行消磁处理，将磁感应强度控制在50GS以下，同时选择能防止电弧磁偏吹的焊接材料。
第二,在焊接时应尽量使用交流焊机焊接。
第三,由于碳弧气刨采用直流电焊机，气刨电流通常在500A以上，这样气刨、直流焊机和罐壁之间构成直流外加强磁场，当碳刨结束，罐壁中容易产生较强的剩磁，从而导致焊接电弧磁偏吹。因此尽量用砂轮打磨及清根。
(6)防止熔合不良 焊条熔敷金属熔点比9Ni钢熔点要低100~ 150℃，使母材熔深浅，且由于熔化状态镍基合金的粘稠特性，故容易产生熔合不良，甚至在多道焊的层与层之间产生夹渣等缺陷。增加焊接电流尽管能获得足够熔深但焊缝成形不良，还会造成接头低温冲击韧性下降，因此受到限制。加强层与层、道与道中间各层的清渣打磨工作，防止产生夹渣、熔合不良等缺陷。
3.9Ni钢在LNG储罐焊接实例
某LNG工程一期工程共三台16万立方米储罐，采用混凝土全容式储罐结构，工作温度＜-163℃。内罐全部采用9Ni钢焊接而成。其中壁板高36m，直径80m，板厚度由下往上从27mm 至12mm不等。每台罐储存的液化天然气汽化后可转化成约一亿立方米气体。内罐壁纵缝采用焊条电弧焊，使用林肯Φ3.2mm ENiCrMo-6焊条；环缝采用埋弧自动焊，使用伊萨Φ1.6mm ERNiCrMo-3焊丝。板厚16mm以上纵缝和环缝均采用X型坡口，剩余焊缝采用V型坡口。X型坡口钝边位置略向内侧偏移。纵缝坡口角度两侧都为30°；环缝坡口角度上侧为35°~45°，下侧为10°~20°。根据板厚尽量采用多层多道焊接。
以下焊接参数可作为参考：焊接时先焊外侧焊缝，内侧清根后做PT检测，合格之后再焊内侧焊缝。环缝如采用手动砂轮清根，应注意清根后上侧坡口形状，勿将其打磨成“⌒”形，以免导致未熔合的产生；另应注意清根力度的均匀性，如清根后有深浅不一的地方，一定要用焊条电弧焊将其补焊平齐之后再用埋弧焊焊接。焊接完成后对焊缝100% 目视检查，重点检查是否存在咬边等凹型缺陷。外观检查合格之后做RT检测。山东LNG工程内罐壁板焊接一次合格率达到了99.2%。
4.结语
LNG储罐9Ni钢焊接材料普遍选用镍基焊接材料。材料选用主要考虑低温韧性高、抗冷裂性能好、线膨胀系数与母材相近等。
9Ni钢的焊接工艺要点：
（1）焊前尽量不要预热，且控制好层间温度；
（2）控制热输入量，多层多道焊；
（3）采用正确收弧方式，打磨弧坑；
（4）控制氢的来源，埋弧焊时控制间隙在1.5~2mm；
（5）采用交流电源，采用砂轮打磨；
（6）加强清渣打磨工作。
