低温LNGタンクで一般的に使用される材料は、9%Ni鋼、5%Ni鋼、一部のオーステナイト系ステンレス鋼種です。9%Ni鋼はASTM A353およびA553に規定されており、高強度、優れた低温靭性、容易な加工、優れた溶接性能を特徴とし、LNG貯蔵タンクおよび船舶に広く使用されている。その最低使用温度は196℃に達することができ、極低温環境で使用される最高の靭性鋼板材料である。

9Ni鋼板は、その低温靭性を最大限に引き出すために、通常、焼入れ・焼戻し処理、あるいは2回の焼ならし・加熱処理が行われる。しかし、溶接金属は熱処理ができないため、溶接継手の低温靭性をいかに確保するか、溶接割れの防止、アーク磁気バイアスブローの防止などが溶接工が直面する問題で、溶接材料の種類、溶接線エネルギー、溶接工程によって異なります。溶接の実務では、9Ni LNG鋼タンクの溶接には一般にニッケル系の溶接材料が使用され、その主なものは以下の通りです。

1、フェライト系ステンレス鋼W（Ni）＝11%。9Ni鋼を同じ溶接材料で溶接した場合、溶接金属の低温靭性が劣る。

2、オーステナイト系ステンレス鋼Ni-Cr合金（Ni13%~Cr16%）。強度はフェライト鋼より若干高いが、低温靭性、線膨張係数は9Ni鋼と大きな差があり、劣る。

3、Ni合金（Niを40%程度含むNi-Cr-Fe合金、Niを60%程度以上含むNi-Cr-Mo合金）である。ニッケル合金溶接材料は、良好な低温靭性と良好な耐低温割れ性を有し、例えば、溶接ワイヤEnNiCrMo-6や EnNiCrMo-3線膨張係数が9Ni鋼に近く、溶接前・溶接後の熱処理が不要で、特に屋外での施工に適しています。

ENiCrMo-3 やENiCrMo-6溶接ワイヤと9Ni鋼は低炭素鋼の一種で、常温と高温で炭素量や線膨張係数が基本的に同じであるため、熱膨張や冷収縮による熱応力を回避することができます。9Ni鋼は、同じ強度の他の低合金鋼と比較して、耐割れ性に優れ、低水素条件下ではほとんど冷間割れが発生しない。しかし、低ニッケル、高マンガンオーステナイト電極を使用すると、融合領域での母材の希釈により、高硬度のマルテンサイト帯が出現し、水素脆化の影響を受けやすい。しかし、Ni基合金材料は、基本的に融合領域における高硬度マルテンサイト帯の発生を避けることができ、9Ni鋼溶接の冷間および熱間クラックの傾向を回避することができます。

LNG貯蔵タンクの9Ni鋼の溶接方法は、主にSMAWとSAWである。円形シームはサブマージアーク溶接で、垂直シームはアーク溶接でカバーされる。9Ni鋼の溶接時に、低温割れ、高温割れ、低温靭性低下、アーク磁気バイアス吹きなどの問題を回避するために、以下のような管理策を講じることで、理想的な効果が得られる。

  • 溶接前に必要な準備

溶接前に有機溶液を使用するか、研磨して溶接溝の表面をきれいにする；温度が5℃より低い場合、溶接前に母材を予熱する；溶接ワイヤーは厳格な要求に従って保管し、長い時間空気にさらさないようにする。溶接前に予熱しないようにし、層間の温度は100℃を超えないようにする。予熱温度と層間温度は、溶接後の冷却速度に直接影響する。冷却速度が遅いほど粒成長が助長されるため、低温靭性が低下する。

  • ラインエネルギーの厳密な管理

入熱が小さい溶接は、一般に0.7〜3.0kJ/mm以内に制御される。入熱が大きいと溶接熱サイクルの滞留時間が長くなり、接合部の組織粒子が粗くなるため、熱亀裂感受性が高くなり、低温靭性が低下することにつながる。入熱が小さいと、溶接パスが増えるので、後続の溶接パスが前の溶接パスの焼戻しを奏で、低温靭性が向上する。

  • 磁気の偏りを低減

9Ni鋼は強磁性材料であり、加工や輸送の過程で磁化される可能性があります。DC溶接機は磁化をさらに加速させる可能性があり、その結果、アークの磁気偏向が吹き、溶接継手の品質に影響を与えます。特に、LNG貯蔵タンクの出入り口の磁場線がより密になると、磁気偏向がより吹き出します。このような場合、次のような方法で対処することができます。

(1) 9Ni鋼の磁性を測定し、必要に応じて脱磁し、磁気誘導強度を50GS以下に制御し、EnNiCrMo-6、EnNiCrMo-3ワイヤなどアーク磁気偏向吹きを防止できる溶接材料を選定する。

(2) 溶接中は、できるだけ交流溶接機を使用すること。

(3) 研磨砥石を使用する。カーボンアークガウジングは直流溶接機を採用しており、そのエアガウジング電流は通常500A以上であるため、エアガウジング、直流溶接機、タンク壁の間に外部直流強化磁界が形成される。カーボンアークガウジングが終了すると、タンク壁面に強い残留磁気が発生しやすくなり、溶接アークの磁気偏向につながる。