1CR18NI9TI不銹鋼管的泄漏及控制方案

吳志亞

(無錫交通高等職業技術學校，江蘇 無錫 214151)

0 前言

某食品公司有一段回收管道采用φ154 mm×11 mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼管材，管道壓力約為2 MPa，屬于Ⅱ類壓力容器。此管道在使用過程中在仰焊焊縫處發生泄漏。發生泄漏后，由焊工對泄漏處進行焊補，第一次補焊如圖1所示，焊補后，在旁邊又發生泄漏，重新補焊，結果是被補焊處泄漏更嚴重，如圖2所示。

出現問題后，有人建議將回收管道換為聚乙烯塑料管，但是由于回收管道中的物質是可以回收再利用制成食品的，用聚乙烯塑料管替換不銹鋼管并不適合。如何防止不銹鋼管泄漏的發生呢?發生泄漏后又該采用怎樣的措施進行焊補呢?

圖1 第一次補焊

1 泄漏分析

1.1 材料化學成分及力學性能

我國的1Cr18Ni9Ti相當于美國AISI321、日本(JIS)SUS321、法國(NF)Z10CNT18.10、德國(DIN)X12CrNiTi18.9、前蘇聯(TOCT)12X18H9T。其化學成分和力學性能如表1、表2所示。

圖2 重新補焊

1.2 焊接性能

1Cr18Ni9Ti不銹鋼管具有面心立方晶格結構，在任何溫度下都不發生相變，室溫下塑韌性良好，無淬硬傾向，對氫也不敏感，焊接接頭在焊接狀態下具有較好的塑性和韌性，所以與其他類型的不銹鋼相比其焊接性良好。但在焊接材料選擇不合適或焊接工藝制定不合理時會出現以下主要問題:(1)焊縫及熱影響區熱裂紋敏感性大;(2)接頭產生碳化鉻沉淀析出，耐蝕性下降;(3)接頭中鐵素體含量高時，可能出現475℃脆性或σ相脆化，嚴重影響1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼焊接接頭的質量;(4)1Cr18Ni9Ti不銹鋼熱膨脹率、導電率均與碳鋼及低合金鋼差別較大，且熔池流動性差，成形較差。

表1 1Cr18Ni9Ti鋼的化學成分 %

表2 1Cr18Ni9Ti鋼的力學性能

1.3 接頭腐蝕分析

1Cr18Ni9Ti不銹鋼焊接后會明顯降低接頭耐蝕性。影響最大的是晶間腐蝕和應力腐蝕開裂。

(1)晶間腐蝕。焊接時，焊縫熱影響區在450℃～850℃的敏化溫度區間內停留一定時間后，在奧氏體晶粒邊界上生成大量的碳化鉻(Cr23C6)，造成晶粒表層區域的w(Cr)下降到耐腐蝕所要求的極限值12.5%，即形成貧Cr區，當與腐蝕介質接觸時易被侵蝕，并迅速向縱深發展，晶粒間的聯系和結合被破壞，導致晶間腐蝕，最終破壞焊件［1］。

防止措施:選用含Ti、Nb等穩定劑的奧氏體焊接材料，也可選用超低碳焊材;采用超低碳奧氏體不銹鋼母材;采用焊縫有少量鐵素體組織的填充材料;焊接工藝上選用較小的焊接熱輸入，快速冷卻。

(2)應力腐蝕開裂。金屬在應力和腐蝕性介質共同作用下所發生的腐蝕破壞叫做應力腐蝕開裂。自從不銹鋼的晶間腐蝕在理論與實踐上得到較好解決后，應力腐蝕開裂逐漸成為不銹鋼腐蝕破壞中最突出的問題。在使用條件下產生應力腐蝕開裂的影響因素很多，包括鋼的成分、組織和狀態，介質的種類、溫度、濃度，應力的性質、大小及結構特點等。

防止措施:(1)正確選用材料。根據介質特性選用對應力腐蝕開裂敏感性低的材料，例如:高純鉻-鎳奧氏體不銹鋼、高硅鉻-鎳奧氏體不銹鋼等。(2)消除產品的殘余應力。采取消除應力熱處理及用機械的方法降低表面殘余應力。(3)對材料進行防蝕處理。通過電鍍、噴鍍、襯里等方法，用金屬或非金屬覆蓋層將金屬與腐蝕介質隔離。(4)改進部件結構及接頭設計。由于設計的不合理，往往會形成較大的應力集中或在制造中產生較大的殘余應力。有時由于設備或容器中留有縫隙，引起腐蝕介質的停滯、聚集或局部過熱現象。

1.4 防止接頭耐蝕性的方法

(1)選用優質的奧氏體不銹鋼母材和超低碳或加入穩定化學元素的焊接材料，嚴格控制C、Si、P等有害元素的含量。(2)合理設計坡口形式和尺寸，減小熔合化。選擇合理的接頭形式、焊縫布局、焊接順序，保證裝配間隙均勻一致，避免強制組裝定位，以減小接頭剛度和焊接應力。(3)焊接時盡量采用小規范——小電流、快速焊、窄道焊，以減小焊接熱輸入，加快焊接區的冷卻速度，縮短焊接接頭在450℃～850℃溫度區間的停留時間。(4)采取多層焊接。每焊完一層，徹底清除焊渣，層間溫度低于100℃，焊后采取強制冷措施，加快接頭冷卻。

2 不銹鋼管的泄漏原因分析

1Cr18Ni9Ti不銹鋼焊縫發生的主要質量問題是晶間腐蝕和應力腐蝕破裂，也可不同程度出現腐蝕疲勞、焊縫腐蝕、點蝕和氫脆。在大多數情況下，不銹鋼發生腐蝕是多種腐蝕類型共同作用的結果。

食品回收管道的泄漏應該為晶間腐蝕和應力腐蝕作用下的開裂。判斷依據:(1)食品回收液中含有較高濃度的氯離子。(2)管道加工和焊接過程中帶來了較大的殘余應力，管內0.3～0.5 MPa的壓力也會給管壁帶來一定的附加應力，這些均為腐蝕開裂創造了條件。(3)管道工作溫度較好，加速了氯離子的腐蝕速度。因是食品管道，需要耐熱耐酸，對焊接接頭質量要求高，內表面要求成形良好，凸起適中，不內凹［2］。

3 控制方案

目前在焊接1Cr18Ni9Ti不銹鋼時最常用的是焊條電弧焊和氬弧焊，補焊一般采用手弧焊。

3.1 焊前準備

(1)補焊前特別要注意清洗腐蝕介質，對設備泄漏處應先用丙酮、酒精清洗除污，然后用大量清水清洗。需要注意的是不銹鋼對酸洗較敏感，易形成點蝕，因此酸洗應慎用。(2)補焊前要用工具去除泄漏處焊縫(堆積焊瘤)，并修磨平滑。(3)補焊長度不應小于100 mm，采用增強板補焊(打疤子)的尺寸應大于100 mm×100 mm。(4)對于已產生的裂紋，補焊前應用手錘輕輕錘擊裂紋區，便于消除殘余應力，及時發現裂紋發展的趨勢，然后在裂紋長度方向(包括裂紋分枝)各端點以外10～50 mm處鉆φ5～φ8 mm的止裂孔，其深度與坡口打磨深度相同。(5)根據焊縫情況打坡口。

3.2 焊條及焊機的選擇

(1)焊條的選擇。補焊時，因受到重復加熱會析出碳化物，使耐蝕性能和機械性能降低，因此，焊接時應根據工件化學成分、介質種類和工作溫度等合理選用焊條。為了提高抗裂性和耐蝕性，選用A122焊條，A122不銹鋼焊條是鈦鈣型藥皮不銹鋼焊條，交直流兩用，由于焊縫有較多的鐵素體組織，故具有優良的抗熱裂性能和抗晶間腐蝕性能，為了防止焊接時產生氣孔，須烘干焊條;對于鈦鈣型焊條，在150℃的條件下烘1～2 h。

(2)焊機的選擇。因交流焊接熔深較淺，焊條易發紅，盡可能采用直流焊機反接進行焊接。

3.3 焊接工藝

(1)焊前預熱。焊前預熱可減小焊縫及熱影響區金屬溫差，還能減緩焊后冷卻速度，從而減小焊接應力，一般預熱溫度控制在250℃ ～425℃。

(2)焊接過程。1Cr18Ni9Ti不銹鋼的可焊性較好，為防止焊接接頭在危險溫度范圍內(250℃ ～425℃)停留時間過長而產生晶間腐蝕，并防止接頭過熱而產生熱裂紋，焊接時采用快速焊和窄焊道。焊接過程中，不得在焊件上隨便引弧，地線與管道應緊密接觸，以免破壞管道表面，影響抗腐蝕性能。焊條最好不作橫向擺動，一次焊成的焊縫不宜超過焊條走絲的三倍，運條要穩，電弧不宜太長，收弧時填滿弧坑。

焊接電流應比焊低碳鋼時低20%，一般按焊條走絲的25～35倍計算，電流大小參考表3選取［3］。

表3 焊條直徑與焊接電流的關系

多層焊接時，每焊完一層須徹底清除熔渣，并仔細檢查焊縫，確無缺陷，待前層焊縫冷卻后(小于60℃)再焊下一層，與腐蝕介質接觸的焊縫應盡量最后焊接。為防止因過熱而產生晶間腐蝕，焊接完后可采取強制冷卻措施，如水冷等。一般情況下，在空氣中自然冷卻也是可以的。

(3)焊后熱處理。結構焊接或缺陷補焊是否需要焊后熱處理，應根據材料特性、焊接條件、工件結構、使用條件及圖樣要求等綜合考慮。熱處理步驟為:加熱溫度小于850℃，空冷，基本不會發生應力腐蝕破裂;加熱到1100℃，水冷，進行固溶處理，保溫時間按1～2 min/mm計算，可以提高抗晶間腐蝕能力;加熱到850℃ ～900℃，保溫4～6 h，空冷，穩定化處理，可以提高使用穩定性能。經補焊及熱處理后的焊縫應稍打磨一下補焊部位，使其表面光潔。

4 結論

1Cr18Ni9Ti不銹鋼管焊接時要選擇恰當的焊接材料和工藝措施，防止晶間腐蝕和應力腐蝕開裂。若泄漏已發生，可選擇焊條電弧焊或氬弧焊補焊，焊條電弧焊補焊前做好清理工作，選擇適當的焊條，通過焊前預熱、焊后熱處理等措施，保證補焊質量。

［1］楊兵兵.1Cr18Ni9Ti不銹鋼管道對接水平固定組合焊接［J］.熱加工工藝，2007，36(7):33-34.

［2］張國軍，唐厚喜.1Cr18Ni9Ti不銹鋼厚壁管全位置焊［J］.焊接，2008(1):65-67.

［3］徐進明.化工廠不銹鋼設備腐蝕及補焊措施［J］.設備管理與維修，2007(3):20-22.