專利名稱：：縫焊36Ni-Fe合金結構及其制造和使用方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及焊接鋼及其制造方法，這種焊接鋼用于存儲容器、管道和其它設備。更具體地，這種焊接鋼，包括焊縫本身，由具有低熱膨脹系數的鐵鎳合金形成。這種焊接鋼可以用于形成適于運輸和/或存儲低溫物質一一例如液化天然氣(LNG)——的結構。
背景技術：
：在諸如油和氣的各種行業(yè)中，需要在低溫條件下存儲和運輸物質，其中，物質可能是從氣態(tài)冷卻并且液化而來。例如，需要在低溫條件下一一例如從-110。C到大約-170r的溫度范圍——并且壓力在從大約大氣壓到大約6000kPa的寬范圍內存儲和運輸LNG的容器。還需要在低溫下安全經濟地存儲和運輸其它壓縮流體一一例如，氧氣、氮氣、氦氣、氫氣、氬氣、氖氣、氟、空氣、甲烷、乙烷、丙烷一一的容器。當選擇材料以存儲或者運輸低溫物質時，存在許多挑戰(zhàn)。所選擇的材料必須保持足夠的延展性和拉伸強度，以避免在低溫條件下失效。易于延展的材料是優(yōu)選的，因為在過大的應力下它們會變形，而脆性材料則破碎。許多材料隨著溫度降低從易于g過渡到易于破碎，使得它們不適于低溫應用。同時，材料必須還具有低的熱膨脹系數(CTE)。CTE確定了材料隨著溫度降低的收縮量。這種收縮在低溫結構內部產生熱應力并且改變它的幾何外形；所以較低的CTE可以減少這種效應。尤其是，低溫管經常需要將管巻成環(huán)狀，以阻礙管中的流動作為代價來緩解由于高CTE導致的熱應力。通常，低溫結構優(yōu)選使用金屬，因為它們在低溫下具有高的機械強度和延展性。盡管許多金屬在低溫下易碎，但是具有面心立方晶體結構(fcc)的金屬一一例如，鋁、銅、鎳及其合金一一是易于g的。包括按重量計35-50%的鎳的鎳鐵合金由于其低的CTE是優(yōu)選的fcc金屬。有時稱作FeNi36并通常由ImphyAlloys公司在商標"Invar"下出售的36%Ni-Fe合金由于其特別4氐的CTE是優(yōu)選的。使用金屬加工低溫結構也會產生獨特的困難。希望生產出整體具有一致的材料特性的結構。尤其是，希望低溫結構具有一致的機械強度和熱膨脹特性。如果結構不具有一致的機械強度，斷裂將可能首先發(fā)生在機械強度較小的區(qū)域，而機械強度較大的區(qū)域則能夠承受此時的應力。同時，不均勻的熱膨脹行為在低溫條件下產生額外的應力。當結構的一個區(qū)域由于較高的CTE而具有較大的收縮時，沿著高低CTE之間的邊界產生額外的應力，這會導致機械失效。這種現象通常稱作"CTE失配"。為避免機械強度和CTE的不一致(variance)，金屬低溫結構經常由單個模具或者坯件形成，以獲得均勻的材料特性。例如，金屬管可以由單個鋼坯通過首先將該鋼坯加熱到大約1000'C并然后使用曼內斯曼式穿孔方法沿該鋼坯的軸線穿一縱向孔而形成。然后，通過一系列的擠壓和熱/冷尺寸成形(sizing)方法將壁厚和直徑形成期望的幾何尺寸。對于低溫結構，這種獲取均勻機械強度和CTE的工藝是有效的，然而，由于經濟性和尺寸上的考慮，它們的使用受到限制。通常，由于高溫和需要進一步的擠壓和尺寸成形，形成坯件或者模具比其它技術更昂貴。并且，成形結構的整體尺寸受到模具體積或者待加工坯件體積的限制。由于當前通過鑄造、鍛造或者其它任何方法制造的模具或者坯件的體積有限，由單個模具或者坯件形成超過特定尺寸的金屬低溫結構是不實際的。運輸限制也約束了由單個模具或坯件形成的結構的尺寸。作為由單個模具或坯件形成金屬低溫結構的替代，可使用焊接工藝來形成結構，其中，材料沿著接縫連接在一起。典型的焊接工藝涉及沿著接縫應用一些能源，以形成材料熔池，材料熔池在冷卻時聚結并形成密閉接頭。有許多能源可以用于焊接低溫結構，包括氣體焰、電弧、激光、電子束、摩擦和超聲波。通常沿著接縫添加填料，以幫助基體材料/母材的焊接。填料在焊接過程中熔化，并且聚結成為沿著接頭接縫固化的焊道(weldbead)的一部分。填料通常用來改進各種焊接特性。例如，可以通過選擇一種填料使得焊縫的機械強度超過基體材料的機械強度，以確保沿著焊縫不會發(fā)生機械失效。低溫結構使用焊接技術的一個例子是生產管。管可以通過使用高速巻繞成型機床首先把金屬板成型為具有規(guī)定直徑、長度和縱向接縫區(qū)域的管狀形狀制成。然后，根據管道和低溫工業(yè)標準要求，使用機械強度大于基體材料的金屬填料利用氣體保護鴒極電弧焊技術一一也稱作鴒極惰性氣體保護焊(TIG)—一進行焊接。焊接技術經常優(yōu)選用于生產低溫結構，這是因為，與形成坯件或者模具相比，焊接技術可以生產更大的結構并且更經濟。取代形成坯件或者模具，原材料可以是通過低成本連鑄形成的金屬板。如果需要，焊接工藝允許連接多個金屬板。因此，所制造的結構的尺寸不會受到原材料的限制，在一些例子中，為避免運輸限制，可以在現場制造。此外，焊接工藝本身也比擠壓和/或熱加工和冷加工中的一種更經濟。盡管有這些優(yōu)點，焊接技術用于生產低溫結構依然受到限制，因為它們會固有地產生不均勻的材料特性。由于焊接過程會沿著接縫產生不同的微結構，焊縫通常具有不同的機械特性。典型地，使用與基體金屬匹配的填料進行焊接會沿著接縫產生較大的晶粒尺寸，這會導致焊縫的機械強度較低，易于引起失效。為避免沿著焊縫出現失效，經常使用機械強度較高的填料來使得焊縫強度高于基體材料強度。然而，用于焊接36%Ni-Fe合金的強度較高的填料通常比基體材料具有更大的CTE(為獲取更高強度而添加合金)，這導致CTE失配從而在低溫條件下可能導致失效。所以，當前存在著對改進的縫焊36%Ni-Fe合金結構及其制造和使用方法的持續(xù)需求。
發(fā)明內容本發(fā)明涉及一種結構焊接工藝，該結構的焊縫和基體材料具有相似的熱膨脹系數。更具體地，本發(fā)明涉及用36%M-Fe合金制造結構——例如，用于諸如運輸、輸送或者存儲低溫液體的低溫應用領域中的管的結構一一的新方法。在一個實施例中，一種結構焊接方法包括(l)形成具有期望壁厚、長度和接縫區(qū)域的結構，(2)使用36%Ni-Fe合金沿著接縫區(qū)域對結構進行焊接，多余的焊接合金留在接縫區(qū)域作為焊道的一部分，(3)加工硬化焊道(例如，冷加工)，使接縫區(qū)域的厚度與結構的期望壁厚近似相同，(4)熱處理接縫區(qū)域。完成熱處理后，接縫區(qū)域內部的晶粒尺寸與結構的其它部分處的相似。這種結構適用于低溫應用和低溫條件。在另一實施例中，管包括(1)具有預定壁厚和長度的管狀體部，和(2)沿著管狀體部的長度延伸的焊縫。管狀體部和焊縫由36。/。Ni-Fe合金制成并且具有基本相同的晶粒尺寸。這種管適用于低溫應用和低溫條件。參照以下的詳細說明和例子，本發(fā)明的這些和其它實施例、特征和優(yōu)點會變得更清楚。下面將參照附圖進一步詳細說明本發(fā)明，其中圖l是不同成分Ni-Fe合金的熱膨脹系數的曲線圖；圖2是根據本發(fā)明的工藝步驟的流程圖；圖3a-圖3b是根據本發(fā)明的不同焊^^頭的透視圖。具體實施例方式本發(fā)明涉及36%Ni-Fe合金的焊接，這可以形成適用于低溫條件下的結構(例如，管)。36%Ni-Fe合金非常適于用于低溫結構，這是因為，它在低溫下易于a并且對于Ni-Fe合金而言這種成分產生的CTE最小，非常低。參照圖l，示出CTE隨M-Fe合金成分變化的曲線圖。從圖1中可以清楚地看出，在496'C處存在一個明顯的CTE最小值，大約是1.3xIO-6'C-1,對應于36。/。Ni-Fe合金。這大約是典型不銹鋼的CTE的1/10。這里所用的36。/。Ni-Fe合金是由整體結合在本文中作為參考的ASTMF1684或者ASTMA333/A333M規(guī)范定義的。在實施例中，36%Ni-Fe合金包括36%的M以及余量Fe和在ASTM規(guī)范中所述量的微量元素。在一個實施例中，36%Ni-Fe合金包括在ASTMF1684中所述的合金UNSNo.K93603。在一個實施例中，36%Ni-Fe合金包括在ASTMA333/A333M中所述的合金Grade11。在一個實施例中，36%Ni-Fe合金包括在表1中所述的一種或者多種合金。在一個實施例中，36%Ni-Fe合金包括具有如在圖1的曲線圖中所示的最小CTE的合金。所有元素應理解為按照重量百分比給出。表l:ASTMF1684<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>法制造的一個或者多個金屬板。在實施例中，所述板還具有在規(guī)范ASTMF1684或者ASTMA333/A333M中所述的特征?？梢詫饘侔暹M行進一步處理，以獲得期望的特性，例如光滑度、抗腐蝕等等。所述板優(yōu)選基本上具有均勻的微結構，以便確保在初始材料內部具有一致的機械特性?，F在參照圖2，示出根據本發(fā)明的工藝步驟200的流程圖。如上所述，焊接前，可以首先對初始材料進行本領域內已知的各種金屬加工處理，以形成期望的幾何形狀210?？梢允褂酶鞣N技術一一包括鉆削、車削、攻絲、切削、磨削或其它本領域內已知的方法一一對初始材料進行加工。此外，初始材料可以通過鍛造、軋制、擠壓、旋壓、彎曲或其它任何本領域內已知的技術形成。例如，可以對板材進行熱軋或者冷軋形成管狀，以制造管。在一些實施例中，然后可以使用機加工技術使管的邊緣變薄。一旦獲得了期望的幾何形狀，就可以使用焊接技術例如，焊條電弧焊/手工電弧焊(shieldedmetalarc)、氣體保護鴒極電弧焊或者鴒極惰性氣體保護焊(TIG)、氣體保護熔化極電弧焊或者熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、等離子弧焊、電子束焊、氧乙炔焰焊接、點焊、縫焊/滾焊、凸焊、閃光焊或其它任何本領域內已知的技術一一焊接至少一條接縫220。任何接頭類型都可以用于焊接。例如，可以使用如圖3a所示的對接接頭或者如圖3b所示的單V形預制接頭。其它合適的接頭型式包括角接接頭、端接接頭、雙V形預制接頭、單U形接頭和雙U形接頭。例如，如圖3b所示，單V形預制接頭包括兩個錐面，這兩個錐面沿著接縫的軸線交于一點，以形成V形。接頭幾何形狀處的空隙用于容納焊接過程中添加的填料，以形成焊道，焊道故意做得比基體材料厚一些，以l更將來允許冷卻收縮?？梢允褂门c36%Ni-Fe合金基體材料具有完全相同或者大致相同成分的填料材料來填充各種類型接頭形成的空隙。對填料和基體材料材料進行匹配可以確保焊縫和基體材料具有完全相同或者大致相同的CTE，并避免CTE失配。在一個實施例中，使用36%Ni-Fe合金填料通過氣體鴒極電弧焊在由36%Ni-Fe板材形成的單V形接頭內形成焊道。焊縫固化后，對焊縫進行加工硬化處理230，例如冷軋、輾平(planishing)或者其它任何本領域內已知的方法，以便對焊縫進行冷加工。無意受到理論限制，^目信加工硬化處理230提高了位錯密度和/或向材料中增加了用于在隨后的熱處理和退火處理中的晶粒細化的激發(fā)能量。金屬的屈服機理涉及位錯運動。增加位錯密度會阻礙晶粒運動，這是因為位錯可能相互交叉形成"割階"。由于屈服機理受到阻礙，焊縫的屈服強度得到提高。在一個實施例中，通過輾平焊縫使焊縫厚度減小來對焊縫進行加工硬化。經輾平后的焊縫厚度可減小大約20%到大約60%，作為選擇，可減小大約20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%或60%。在一個實施例中，輾平焊縫，使得焊道具有與基體材料相似(例如，大約相同或基本相同)的厚度。對焊縫或者整個結構進行熱處理或者退火處理240,以侵z使焊縫中的晶粒尺寸減小到與基體材料的相似(例如，大約相同或基本相同)。在一個實施例中，焊縫中的平均晶粒尺寸偏離基體材料中的平均晶粒尺寸10%或者以下。無意受到理論限制，樹目信晶粒尺寸的減小會導致更多的晶粒邊界，更多的晶粒邊界會阻礙導致屈服的位錯運動，從而屈服強度提高。并且，由于使材料破碎所需的應力大小與晶粒尺寸成反比，因此熱處理工藝使得材料的極限抗拉強度提高。熱處理工藝240結束后，焊道的強度會等于或者超過基體材料的強度。例如，焊道和基體材料的強度都會超過應用規(guī)范一一例如，本文中所公開的ASTM規(guī)范——中所給出的最小抗拉強度。在一個實施例中，在可以有效細化晶粒尺寸的條件下，對焊縫本身局部加熱或者對整個結構加熱，以獲得容許)^艮的一致的晶粒結構，以使焊縫或接縫區(qū)域或其結合再結晶。合適的熱處理條件包括以足夠或有效的時間和溫度加熱焊縫和/或整個結構以使得焊縫和/或接縫區(qū)域經歷那些變化(例如，再結晶、晶粒尺寸細化/一致化等)。在一個實施例中，將焊縫和/或整個結構加熱到760到870°C(1400到1600T)足夠或有效的時間，以經歷那些變化(例如，再結晶、晶粒尺寸細化/一致化等)。焊縫或整個結構可以進行多個熱處理循環(huán)。熱處理后，可以對焊縫或整個結構進行所期望的各種中間和/或最終加工，包括噴射處理、清洗和酸洗。例如，在一些情況下，可能希望利用超聲波檢查焊縫。同樣地，在一些情況下，可以對結構進行噴射處理或者化學酸洗來去除氧化物沉積。也可以選擇對制造好的結構進行涂層。由于整個焊縫和基體材料具有相似的成分和晶粒結構，因此使用標準焊接技術會產生大致一致的機械強度和熱膨脹特性。結構的機械強度應該足以適合在低溫條件下工作，可用屈服強度、極限抗拉強度和韌度來測量。極限抗拉強度可以用標準拉伸試驗技術進行測量，例如，整體結合在本文中作為參考的ASTM標準E8-04中的"用于金屬材料拉伸試驗的標準試驗方法"所規(guī)定的技術。在一個實施例中，結構的基體材料和焊縫在室溫下的極限抗拉強度等于或者大于58ksi，或者等于或大于60ksi，或者等于或大于65ksi。屈服強度可以用標準拉伸試驗技術進行試驗，例如，在ASTM標準E8-04中的"用于金屬材料拉伸試驗的標準試驗方法，，所規(guī)定的技術。在一個優(yōu)選的實施例中，結構的基體材料和焊縫在室溫下的屈服強度等于或者大于30ksi,或者等于或大于3333ksi,或者等于或大于35ksi。本發(fā)明可以用來制造工業(yè)過程中使用的任何結構，例如像那些在低溫條件下工作的需要低CTE的結構。特別是，本發(fā)明適于制造用于存儲、輸送和運輸液化氣體的結構，這些氣體包括但不限于氮氣、氧氣、氦氣、氫氣、氖氣、氟、氬氣、曱烷、空氣、丙烷(LP)和天然氣(LNG)。在一個實施例中，本文所述的結構可以用于LNG工藝。一些合適的氣體液化工藝和有關i殳備和結構的例子在美國專利申請^^開No.20030005698和美國專利No.7,074,322;7,047,764;7，127，914;6,722,157;6,658,8921;6,647,744;6,250,105;6，158，240;6,125,653;6,070,429;6,023,942;5,724,833;5,651,270;5,600,969;5,611,216;5，473，900;4,698,080;4,548,629;4，430，103;4,225,329;4,195,979和4,172,7111，每一個都被完整地結合在本文中作為參考。可以使用本發(fā)明實施的結構包括在管道中通常使用的幾何形狀一一例如，管狀形狀或者彎管接頭一一或者在存儲容器中使用的幾何形狀一一例如，帶有盤形的、橢圓形的或平的底部的球或者圓柱。這些管和存儲容器可以用于在岸或者離岸液化、運輸、存儲或者再氣化設施，包括諸如平臺、船塢和油船的海洋設施。在所選擇的任何結構中，應該理解為該結構包括期望的壁厚、長度和接縫區(qū)域。本發(fā)明特別適合于生產管，可以容易地使板形成管狀結構，該管狀結構包含有易于輾平的線性接縫。當圖示并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例后，本領域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神或教導下可以對這些實施例進行修改。本文所述的實施例僅是示例性的，而非限制性的。系統(tǒng)和設施的許多變型和修改是可能的并且都在本發(fā)明的范圍內。例如，本發(fā)明并不想囿于任何特定的幾何形狀，并且可以用于制造在低溫條件下工作的任何結構。因此，保護范圍不限于本文所述的實施例，而僅受到所附的權利要求的限制，權利要求的范圍應該包括權利要求的主題的所有等同物。特別是，除非特別明確指明順序，權利要求中所述的步驟并非有意要求按照任何特定的順序進行或者某一步驟必須在另一步驟開始前完成。權利要求1.一種結構焊接方法，包括形成具有期望壁厚、長度和接縫區(qū)域的結構，其中，該結構由36％Ni-Fe合金基體材料制成；使用36％Ni-Fe合金填料沿著接縫區(qū)域對所述結構進行焊接，多余的焊接增強部留在接縫區(qū)域作為焊道的一部分；對焊道進行冷加工，使接縫區(qū)域的厚度減?。灰约霸谟行е陆涌p區(qū)域具有大約等于或者大于基體材料的極限抗拉強度、屈服強度或者兼具兩者的條件下，對接縫區(qū)域進行熱處理。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，接縫區(qū)域和基體材料具有等于或者大于58ksi的極限抗拉強度。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，接縫區(qū)域和基體材料具有等于或者大于30ksi的屈服強度。4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，接縫區(qū)域和基體材料具有大約相等的熱膨脹系數。5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，接縫區(qū)域和基體材料具有大約相等的晶粒尺寸。6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，熱處理在溫度范圍從大約1400T到大約1600下的溫度下進行有效使接縫區(qū)域再結晶的一段時間。7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，冷加工后，接縫區(qū)域的厚度在從大約20%到大約80%的范圍內減小。8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，冷加工后，接縫區(qū)域的厚度與所述結構的期望壁厚基;^目同。9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，使用鴒極惰性氣體焊接方法進行所述焊接。10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，接縫區(qū)域由單V形預制接頭形成。11.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成結構的步驟還包括對板進行成形，以形成接縫區(qū)域。12.根據權利要求ll所述的方法，其特征在于，所述結構是適用于低溫工作的管或者存儲容器。13.—種結構焊接方法，包括形成具有期望壁厚、長度和接縫區(qū)域的結構，其中，該結構由36%Ni-Fe合金基體材料制成；使用36%Ni-Fe合金填料沿著接縫區(qū)域對所述結構進行焊接，多余的焊接增強部留在接縫區(qū)域作為焊道的一部分；對焊道進行冷加工，使接縫區(qū)域的厚度減?。灰约霸谟行е陆涌p區(qū)域再結晶的條件下，對接縫區(qū)域進行熱處理。14.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，再結晶后，接縫區(qū)域和基體材料具有大約相等的晶粒尺寸。15.—種具有至少一個焊縫區(qū)域的結構，其特征在于，該結構和該焊縫區(qū)域由36%M-Fe制成，并且該結構和該焊縫區(qū)域具有大約相等的熱膨脹系數。16.根據權利要求15所述的結構，其特征在于，該結構和該焊縫區(qū)域具有等于或大于58ksi的極限抗拉強度、等于或者大于30ksi的屈服強度或者兼具兩者。17.根據權利要求15所述的結構，其特征在于，該結構包括適用于在低溫條件下工作的管或者存儲容器。18.—種具有至少一個焊縫區(qū)域的結構，其特征在于，該結構和該焊縫區(qū)域由36V。M-Fe合金制成，并且具有大約相等的晶粒尺寸。19.根據權利要求18所述的結構，其特征在于，該結構和該焊縫區(qū)域具有大約相等的熱膨脹系數。20.—種具有至少一個焊縫區(qū)域的結構，其特征在于，該結構和該焊縫區(qū)域由36%Ni-Fe合金制成，并且具有等于或者大于58ksi的極限抗拉強度、等于或者大于30ksi的屈服強度或者兼具兩者。全文摘要本申請涉及一種由36％Ni-Fe合金鋼制成的焊接結構及其制造方法，這種焊接結構用于存儲容器、管道和其它與低溫物質相關的設備。焊接鋼在焊縫和基體鋼內具有相似的熱膨脹系數。文檔編號C21D8/10GK101678493SQ200880015277公開日2010年3月24日申請日期2008年4月4日優(yōu)先權日2007年5月9日發(fā)明者S·L·威爾遜申請人:科諾科菲利浦公司