缝焊３６Ｎｉ－Ｆｅ合金结构及其制造和使用方法技术

本申请涉及一种由３６％Ｎｉ－Ｆｅ合金钢制成的焊接结构及其制造方法，这种焊接结构用于存储容器、管道和其它与低温物质相关的设备。焊接钢在焊缝和基体钢内具有相似的热膨胀系数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及焊接钢及其制造方法，这种焊接钢用于存储容器、管道和 其它设备。更具体地，这种焊接钢，包括焊缝本身，由具有低热膨胀系数 的铁镍合金形成。这种焊接钢可以用于形成适于运输和/或存储低温物 质一一例如液化天然气(LNG)——的结构。
技术介绍
在诸如油和气的各种行业中，需要在低温条件下存储和运输物质，其 中，物质可能是从气态冷却并且液化而来。例如，需要在低温条件下一一 例如从-110。C到大约-170r的温度范围——并且压力在从大约大气压到大 约6000kPa的宽范围内存储和运输LNG的容器。还需要在低温下安全经 济地存储和运输其它压缩流体一一例如，氧气、氮气、氦气、氢气、氩气、 氖气、氟、空气、甲烷、乙烷、丙烷一一的容器。当选择材料以存储或者运输低温物质时，存在许多挑战。所选择的材 料必须保持足够的延展性和拉伸强度，以避免在低温条件下失效。易于延 展的材料是优选的，因为在过大的应力下它们会变形，而脆性材料则破碎。 许多材料随着温度降低从易于g过渡到易于破碎，使得它们不适于低温应用。同时，材料必须还具有低的热膨胀系数(CTE) 。 CTE确定了材料 随着温度降低的收缩量。这种收缩在低温结构内部产生热应力并且改变它 的几何外形；所以较低的CTE可以减少这种效应。尤其是，低温管经常需 要将管巻成环状，以阻碍管中的流动作为代价来緩解由于高CTE导致的热 应力。通常，低温结构优选使用金属，因为它们在低温下具有高的机械强度 和延展性。尽管许多金属在低温下易碎，但是具有面心立方晶体结构(fcc) 的金属一一例如，铝、铜、镍及其合金一一是易于g的。包括按重量计 35-50%的镍的镍铁合金由于其低的CTE是优选的fcc金属。有时称作 FeNi36并通常由Imphy Alloys公司在商标Invar下出售的36%Ni-Fe 合金由于其特别4氐的CTE是优选的。使用金属加工低温结构也会产生独特的困难。希望生产出整体具有一 致的材料特性的结构。尤其是，希望低温结构具有一致的机械强度和热膨 胀特性。如果结构不具有一致的机械强度，断裂将可能首先发生在机械强 度较小的区域，而机械强度较大的区域则能够承受此时的应力。同时，不 均匀的热膨胀行为在低温条件下产生额外的应力。当结构的一个区域由于 较高的CTE而具有较大的收缩时，沿着高低CTE之间的边界产生额外的 应力，这会导致机械失效。这种现象通常称作CTE失配。为避免机械强度和CTE的不一致(variance)，金属低温结构经常由 单个模具或者坯件形成，以获得均匀的材料特性。例如，金属管可以由单 个钢坯通过首先将该钢坯加热到大约1000'C并然后使用曼内斯曼式穿孔 方法沿该钢坯的轴线穿一纵向孔而形成。然后，通过一系列的挤压和热/ 冷尺寸成形(sizing)方法将壁厚和直径形成期望的几何尺寸。对于低温结 构，这种获取均匀机械强度和CTE的工艺是有效的，然而，由于经济性和 尺寸上的考虑，它们的使用受到限制。通常，由于高温和需要进一步的挤 压和尺寸成形，形成坯件或者模具比其它技术更昂贵。并且，成形结构的 整体尺寸受到模具体积或者待加工坯件体积的限制。由于当前通过铸造、 锻造或者其它任何方法制造的模具或者坯件的体积有限，由单个模具或者坯件形成超过特定尺寸的金属低温结构是不实际的。运输限制也约束了由 单个模具或坯件形成的结构的尺寸。作为由单个模具或坯件形成金属低温结构的替代，可使用焊接工艺来 形成结构，其中，材料沿着接缝连接在一起。典型的焊接工艺涉及沿着接 缝应用一些能源，以形成材料熔池，材料熔池在冷却时聚结并形成密闭接 头。有许多能源可以用于焊接低温结构，包括气体焰、电弧、激光、电子 束、摩擦和超声波。通常沿着接缝添加填料，以帮助基体材料/母材的焊接。填料在焊接过程中熔化，并且聚结成为沿着接头接缝固化的焊道(weld bead)的一部分。 填料通常用来改进各种焊接特性。例如，可以通过选择一种填料使得焊缝 的机械强度超过基体材料的机械强度，以确保沿着焊缝不会发生机械失效。低温结构使用焊接技术的一个例子是生产管。管可以通过使用高速巻 绕成型机床首先把金属板成型为具有规定直径、长度和纵向接缝区域的管 状形状制成。然后，根据管道和低温工业标准要求，使用机械强度大于基 体材料的金属填料利用气体保护鴒极电弧焊技术一一也称作鴒极惰性气体 保护焊(TIG ) —一进行焊接。焊接技术经常优选用于生产低温结构，这是因为，与形成坯件或者模 具相比，焊接技术可以生产更大的结构并且更经济。取代形成坯件或者模 具，原材料可以是通过低成本连铸形成的金属板。如果需要，焊接工艺允 许连接多个金属板。因此，所制造的结构的尺寸不会受到原材料的限制， 在一些例子中，为避免运输限制，可以在现场制造。此外，焊接工艺本身 也比挤压和/或热加工和冷加工中的一种更经济。尽管有这些优点，焊接技术用于生产低温结构依然受到限制，因为它 们会固有地产生不均匀的材料特性。由于焊接过程会沿着接缝产生不同的 微结构，焊缝通常具有不同的机械特性。典型地，使用与基体金属匹配的 填料进行焊接会沿着接缝产生较大的晶粒尺寸，这会导致焊缝的机械强度 较低，易于引起失效。为避免沿着焊缝出现失效，经常使用机械强度较高 的填料来使得焊缝强度高于基体材料强度。然而，用于焊接36%Ni-Fe合金的强度较高的填料通常比基体材料具有更大的CTE (为获取更高强度而添加合金)，这导致CTE失配从而在低温条件下可能导致失效。所以，当前存在着对改进的缝焊36%Ni-Fe合金结构及其制造和使用方法的持续需求。
技术实现思路
本专利技术涉及一种结构焊接工艺，该结构的焊缝和基体材料具有相似的热膨胀系数。更具体地，本专利技术涉及用36%M-Fe合金制造结构——例如，用于诸如运输、输送或者存储低温液体的低温应用领域中的管的结构一一的新方法。在一个实施例中， 一种结构焊接方法包括(l)形成具有期望壁厚、长度和接缝区域的结构，(2)使用36%Ni-Fe合金沿着接缝区域对结构进行焊接，多余的焊接合金留在接缝区域作为焊道的一部分，(3)加工硬化焊道(例如，冷加工)，使接缝区域的厚度与结构的期望壁厚近似相同，(4)热处理接缝区域。完成热处理后，接缝区域内部的晶粒尺寸与结构的其它部分处的相似。这种结构适用于低温应用和低温条件。在另一实施例中，管包括(1)具有预定壁厚和长度的管状体部，和(2)沿着管状体部的长度延伸的焊缝。管状体部和焊缝由36。/。Ni-Fe合金制成并且具有基本相同的晶粒尺寸。这种管适用于低温应用和低温条件。参照以下的详细说明和例子，本专利技术的这些和其它实施例、特征和优点会变得更清楚。附图说明下面将参照附图进一步详细说明本专利技术，其中图l是不同成分Ni-Fe合金的热膨胀系数的曲线图；图2是根据本专利技术的工艺步骤的流程图；图3a-图3b是根据本专利技术的不同焊^^头的透视图。具体实施例方式本专利技术涉及36%Ni-Fe合金的焊接，这可以形成适用于低温条件下的结构(例如，管)。36%Ni-Fe合金非常适于用于低温结构，这是因为，它在低温下易于a并且对于Ni-Fe合金而言这种成分产生的CTE最小，非常低。参照图l，示出CTE随M-Fe合金成分变化的曲线图。从图1中可以清楚地看出，在496'C处存在一个明显的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构焊接方法，包括：　形成具有期望壁厚、长度和接缝区域的结构，其中，该结构由３６％Ｎｉ－Ｆｅ合金基体材料制成；　使用３６％Ｎｉ－Ｆｅ合金填料沿着接缝区域对所述结构进行焊接，多余的焊接增强部留在接缝区域作为焊道的一部分；　 　对焊道进行冷加工，使接缝区域的厚度减小；以及　在有效导致接缝区域具有大约等于或者大于基体材料的极限抗拉强度、屈服强度或者兼具两者的条件下，对接缝区域进行热处理。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-5-9 11/746,3071.一种结构焊接方法，包括形成具有期望壁厚、长度和接缝区域的结构，其中，该结构由36％Ni-Fe合金基体材料制成；使用36％Ni-Fe合金填料沿着接缝区域对所述结构进行焊接，多余的焊接增强部留在接缝区域作为焊道的一部分；对焊道进行冷加工，使接缝区域的厚度减小；以及在有效导致接缝区域具有大约等于或者大于基体材料的极限抗拉强度、屈服强度或者兼具两者的条件下，对接缝区域进行热处理。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接缝区域和基体材料 具有等于或者大于58ksi的极限抗拉强度。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接缝区域和基体材料 具有等于或者大于30ksi的屈服强度。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接缝区域和基体材料 具有大约相等的热膨胀系数。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接缝区域和基体材料 具有大约相等的晶粒尺寸。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热处理在温度范围从 大约1400T到大约1600下的温度下进行有效使接缝区域再结晶的一段时 间。7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷加工后，接缝区域 的厚度在从大约20%到大约80%的范围内减小。8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷加工后，接缝区域 的厚度与所述结构的期望壁厚基;^目同。9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用鴒极惰性气体焊 接方法进行所述焊接。10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接缝区域由单V形预制接头形成。11. 根据权利要求1所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：SL威尔逊，
申请(专利权)人：科诺科菲利浦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]