摘 要

随着能源危机和环境恶化问题日益严重，人们对可再生能源、清洁能源的开发越来越重视，天然气作为清洁的能源燃料得到了快速的发展。由于地球上石油和煤炭储量越来越少，而液化天然气（liquefied natural gas,简称LNG)具有热值高，污染小等优点，逐渐成为能源发展的重点。天然气中的最主要成分是甲烷，沸点大约—162.5℃，其储存条件相对比较苛刻，通常情况下储存在低温容器中运输使用。9%Ni钢在低温环境下具有优良的耐腐蚀性和冲击韧性，而且使用成本不高，逐渐成为大型LNG储罐用的主要材料。尽管9%Ni钢材料本身具有良好的低温性能，但是在焊接热循环的影响下，材料的冶金和力学性能会发生变化，从而影响焊接接头的综合力学性能，所以9%Ni钢的焊接技术显得十分重要。

本文主要通过显微组织观察，电子探针分析和硬度测试等试验研究分析9%Ni钢焊接接头的组织特点和力学性能，找出焊接接头中的薄弱环节并且总结了9%Ni钢焊接最合适的焊接工艺和焊接规范参数。

研究结果表明：9%Ni钢焊接接头中熔合区和过热区是最薄弱的环节，热影响区硬度高于母材高于焊缝金属；焊缝金属和母材的化学成分组成有较大差异；9%Ni钢的焊接工艺要点包括：1.焊前不宜预热，且层间温度不能超过100℃；2.要选择小的焊接线能量，和多层多道焊；3.选用交流电源和砂轮打磨；

关键字：9%Ni钢；焊接特性；焊接工艺；组织；力学性能；线扫描

Abstract

With the energy crisis and the growing problem of environmental degradation,it is renewable energy, more and more emphasis on clean energy development, natural gas as a clean energy fuel has been rapidly developed. Because of the decreasing fossil oil and coal reserves, the liquefied natural gas which has high calorific value and low pollution Gradually becomes the focus of energy development. The main composition of natural gas is methane, the boiling point is about -162.5 ℃. Its storage conditions are relatively strict, usually stored in the low temperature storage tank for transportation or usage. 9% Ni steel under low temperature environment with excellent corrosion resistance and impact toughness, and the cost is not high, gradually becomes the main material of large LNG storage tank . Although 9% Ni steel material itself has good low temperature performance, under the influence of welding thermal cycle, material of metallurgical and mechanical properties will change, which affects the comprehensive mechanics performance of the welded joint. So 9% Ni steel welding technology is very important.

This paper mainly through the microstructure observation, electron probe analysis and hardness testing and so on experimental study on the analysis of 9% Ni steel welded joint structure characteristics and mechanical properties. Point out the weak links in welded joint and summarizes the most appropriate welding process and welding specification parameters of the 9% Ni steel welding.

The results prove that the fusion zone and overheated zone is the weakest link in 9% Ni steel welded joint. As for hardness Heat affected zone is higher than the parent metal ,and the parent metal is higher than the weld metal. The chemical composition of weld metal and base composition have big difference. The main points of 9% Ni steel welding procedure including: 1.Unfavorable preheating before welding, and the interlayer temperature should not exceed 100 ℃; 2.Choose small welding line-energy, and multi-layer and multi-pass welding; 3.Choose the ac power and the grinding wheel grinding.

Key word：9% Ni steel; Welding characteristics; Welding performance; Microstructure; Mechanical property; Line scanning

目 录

中文摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 国内外9%Ni钢的发展和研究现状 2

1.3 9%Ni钢焊接接头分析的目的及意义 2

1.4 实验内容 2

第2章 9%Ni钢的焊接特性 4

2.1 9%Ni钢的组织和化学成分特点 4

2.1.1 9%Ni钢的组织与其热处理 4

2.1.2 9%Ni钢的化学成分特点 4

2.2 9%Ni钢的焊接材料 6

2.3 9%Ni钢的焊接工艺 7

2.4 9%Ni钢焊接接头的组织与性能 7

第3章 9%Ni钢焊接接头分析 9

3.1 9%Ni钢焊接接头的制备 9

3.1.1 试验材料和焊接工艺 9

3.1.2 熔敷金属化学成分及力学性能 9

3.2 9%Ni钢焊接接头的金相组织分析 10

3.2.1 9%Ni钢焊接接头金相试样的制备 10

3.2.2 母材金相组织分析 10

3.2.3 焊缝金相组织分析 11

3.2.4 热影响区金相组织分析 12

3.3 9%Ni钢焊接接头硬度测试与分析 14

3.4 9%Ni钢焊接接头线扫描分析 15

第4章 结论和建议 16

4.1 论文结论 16

4.2 存在的问题和建议 16

参考文献 17

致谢 18

第1章 绪论

1.1 选题背景

随着全世界经济和科技的迅速发展以及能源危机和环境恶化问题的日益严重，人们对可再生能源、清洁能源的关注和需求也日渐提高。由于地球上石油和煤炭储量越来越少，而液化天然气（liquefied natural gas,简称LNG)具有热值高，污染小等优点，逐渐成为能源发展的重点。随着全球范围内重要的天然气基础设施建设逐渐完善并开始运行，天然气的消费量在全球的能源结构中占的比例持续增长。自二十一世纪初国家确立发展清洁能源战略，中国即成为天然气装置发展最快的国家之一。

天然气资源主要储存在中东、北非等地区，而主要消费国家在欧洲，美洲和亚太地区。由于液化天然气在全球范围内的分布不均衡，它的储存技术和运输势必越来越受到人们的重视。天然气的主要成分是甲烷，经过净化和液化处理即为液化天然气LNG，沸点约—162.5℃，其储存条件相对比较苛刻，运输也不方便，通常情况下储存在低温储罐中运输使用。用来储存或输送液态氨气、液态氧气、液态氮气以及液化石油气并且在低温环境下服役的设备就称之为低温容器。而用来制造这些设备所用的钢统称为低温钢，其正常工作的温度常常在-20℃至-253℃以下，所以，低温钢需要有优良的抗低温脆性。低温钢有多种分类方式，按照工作温度可分为-10℃至-40℃、-50℃至-90℃、-100℃至-120℃、-196℃至-273℃等几个等级；按照合金元素来分可分为高合金奥氏体型、中合金马氏体低碳型和低合金铁素体型；按照热处理方式可分为调质型和非调质型；根据有无Ni、Cr可分为含镍铬型和无镍铬型；前者主要有0.5%Ni、1.5%Ni、2.5%Ni、3.5%Ni、5%Ni和9%Ni钢，后者包括09MnTiCuRe、06MnNb、06AlNbCuN和09Mn2V等等。按照晶格类型又可分为面心立方型和体心立方型。

要在LNG沸点以下仍然具有较高的强度和良好的韧性，LNG储罐的制造难度远远大于常温下的其他压力容器。最早的LNG储罐曾使用低温材料铝合金来制作。1944年，美国国际镍公司产品研究实验室成功研制出含镍量为8.5%-9.5%的-196℃级别Fe-Ni系低碳马氏体型超低温钢，由于其具有合金成分少、价格便宜、许用应力大、热膨胀率小等优点，且在低温环境下有良好的韧性和耐腐蚀性，9%Ni钢基本取代了镍铬不锈钢，逐渐成为大型LNG储罐建造使用的主要材料。大型LNG储罐一般都是现场安装，需要大量的焊接才能完成，尽管9%Ni钢材料本身具有良好的低温性能，但是在焊接热循环的影响下，材料的冶金和力学性能会发生变化，从而影响焊接接头的综合力学性能。焊接接头的性能直接决定着储罐的施工质量以及安全可靠性，所以9%Ni钢的焊接技术显得十分重要。对9%Ni钢焊接接头进行分析，是研究其焊接性能和焊接工艺的重要内容。