污水處理設(shè)備（奧氏體不銹鋼）的焊接研究

丁衛(wèi)松，張建黨

（紹興柯橋排水有限公司，浙江 紹興 312023）

污水處理設(shè)備（奧氏體不銹鋼）的焊接研究

丁衛(wèi)松，張建黨

（紹興柯橋排水有限公司，浙江 紹興 312023）

本文詳細(xì)介紹了污水處理設(shè)備中常用材料——奧氏體不銹鋼的組織特點(diǎn)、物理性能、力學(xué)性能和焊接工藝。為奧氏體不銹鋼設(shè)備的焊接維修提供了參考資料。

不銹鋼；奧氏體；晶間腐蝕；裂紋

由于生活和工業(yè)污水都具有較強(qiáng)的腐蝕性，因此在給排水、污水處理設(shè)備制造中大多采用了在氧化性和還原性介質(zhì)中都具有十分良好耐腐蝕性能的奧氏體不銹鋼材料。但是奧氏體不銹鋼有著特殊的組織特性，焊接中很容易產(chǎn)生熱裂紋、耐蝕性下降等多種缺陷，導(dǎo)致設(shè)備的強(qiáng)度以及腐蝕性能下降，甚至設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的破壞。因此我們在設(shè)備修理和安裝中，如何根據(jù)奧氏體不銹鋼材料的組織特點(diǎn)，選擇正確的焊接材料和焊接工藝，防止各種焊接缺陷的出現(xiàn)。對提高設(shè)備的維修效率和使用壽命有著重要的作用。

1 奧氏體不銹鋼的的特點(diǎn)

1.1 奧氏體不銹鋼概述

當(dāng)合金鋼中鉻量達(dá)到12%以上時(shí)，鋼的表面能迅速的形成致密的Cr2O3氧化膜，使鋼的電極點(diǎn)位和氧化介質(zhì)中的耐腐蝕性發(fā)生突變性提高。奧氏體不銹鋼是指在常溫下鋼中含Cr約18%、Ni8%～10%、C約0.1%時(shí)，具有穩(wěn)定奧氏體組織的不銹鋼。它無磁性，有極強(qiáng)的防銹、耐腐蝕性能，又有極佳的可塑性和韌性等全面和良好的綜合性能，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。奧氏體不銹鋼組織，典型的為18-8系列不銹鋼。如污水處理設(shè)備中最常用的1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼。

1.2 污水處理設(shè)備中常用奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分見表1

1.3 污水處理設(shè)備中奧氏體不銹鋼的性能

表1 奧氏體不銹鋼化學(xué)成分

1.3.1 奧氏體不銹鋼的物理性能

奧氏體不銹鋼的電阻比是碳鋼的5倍，線膨脹系數(shù)比碳鋼大50%，導(dǎo)熱率是碳鋼的1/2。奧氏體不銹鋼具有非磁性，見表2。

表2 碳鋼與奧氏體不銹鋼力學(xué)性能比較

1.3.2 奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能

奧氏體不銹鋼具有低的屈強(qiáng)比（40%～50%），伸長率、斷面收縮率和沖擊洗手功均很高并具有高的冷加工性。并具有很高的低溫韌性。一些奧氏體不銹鋼在高溫加熱后會(huì)產(chǎn)生相和晶間腐蝕。污水處理設(shè)備中幾種典型的奧氏體不銹鋼力學(xué)性能，見表3。

2 奧氏體不銹鋼焊接性分析

奧氏體不銹鋼的焊接性能良好，對與不同類型的奧氏體不銹鋼在從高溫冷卻到室溫時(shí)隨著合金元素含量的不同焊接接頭各部可能出現(xiàn)以下問題。

2.1 接頭的耐蝕性

表3 奧氏體不銹鋼力學(xué)性能

2.1.1 晶間腐蝕

奧氏體焊縫長期在500—800為溫度區(qū)區(qū)域處理時(shí)，過飽和碳和鉻在晶界結(jié)合成碳化鉻，結(jié)果在靠近晶界的晶粒表層造成貧鉻。在腐蝕介質(zhì)的作用下貧鉻曾遭到破壞從而深入腐蝕到金屬內(nèi)部，材料強(qiáng)度幾乎消失，是一種極危險(xiǎn)的破壞形式。防止產(chǎn)生焊接接頭晶間腐蝕應(yīng)從焊接材料和焊接工藝兩個(gè)方面進(jìn)行。a.焊接材料：從控制焊縫成分入手，選用超低碳奧氏體不銹鋼焊接材料；添加Nb、Ti等穩(wěn)定化元素，以形成飽定碳化物NbC、TiC；形成γ+δ 雙相組織(3%～5%δ)等。b.工藝措施:采用小熱輸入量、快速冷卻工藝等。減少焊接接頭在危險(xiǎn)溫度區(qū)域的停留時(shí)間

2.1.2 應(yīng)力腐蝕開裂

應(yīng)力腐蝕是在靜拉伸應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用下引起的一種斷裂現(xiàn)象，包括應(yīng)力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞三種。一般純金屬不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，在晶界上的合金元素偏析是引起應(yīng)力腐蝕的主要原因。應(yīng)力腐蝕在拉應(yīng)力的作用下才會(huì)產(chǎn)生而在壓應(yīng)力下則不會(huì)，應(yīng)力主要是因?yàn)楣こ讨械臍堄鄳?yīng)力和焊接應(yīng)力引起。要防止應(yīng)力腐蝕的主要措施有首先要合理選用焊接材料，如選用具有γ+δ雙相組織的焊材等。其次要合理制定裝焊工藝，盡量避免應(yīng)力集中或焊接缺陷。最后要進(jìn)行消除應(yīng)力處理，可以采用殘余變形和錘擊法松弛殘余應(yīng)力，或者通過低溫(低于300～350℃)退火處理，也可以實(shí)施大于850℃熱處理消除踐余應(yīng)力。

2.1.3 接頭的熱裂紋

奧氏體不銹鋼因?yàn)闊釋?dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，因此在局部熱河冷卻的條件下，具有較高的熱敏感性對與奧氏體不銹鋼焊縫，在凝固結(jié)晶過程中，一些雜質(zhì)和和金元素容易在晶界形成低熔點(diǎn)液態(tài)膜，因此造成焊接凝固裂紋。

（1）采用低氫焊條，限制焊縫中的有害雜質(zhì)，如S、P等的含量提高焊縫抗裂性能。（2）工藝上：①限制過熱，可以采用小的焊接電流和小的焊接速度，降低焊接熱輸入量。②控制成形系數(shù)。成形系數(shù)的控制與焊接參數(shù)相關(guān)，合理的成形系數(shù)(在不提高焊接速度前提下，采用減小焊接電流工藝所獲的)對控制熱裂紋有一定作用。③減小熔合比。在減小母材對焊縫稀釋率時(shí)，同樣要求降低焊接電流。④降低拘束度。⑤控制裝配間隙、改進(jìn)裝配質(zhì)量等。

3 奧氏體補(bǔ)修鋼的焊接工藝

奧氏體不銹鋼具有較好的焊接性能，可以采用氬弧焊、閃光焊等多種焊接方法。但是在設(shè)備的維修中，由于工件形狀尺寸，焊接位置，焊接環(huán)境，經(jīng)濟(jì)成本等因素的制約，在生產(chǎn)設(shè)備的焊接修補(bǔ)中一般采用手工焊條電弧焊接。這種方法手工控制電弧的長度，焊條角度和焊接速度，對焊接裝配要求較低，能靈活用于各種厚度，各種結(jié)構(gòu)形狀急位置的焊接。并且對焊縫的清理要求相對較低，工藝靈活，適用性強(qiáng)。

3.1 焊前坡口準(zhǔn)備

由于奧氏體不銹鋼焊接采用了較小的焊接電流，較快的焊接速度。因而熔深小，坡口的鈍邊比碳鋼大，焊接層數(shù)多。對裝配好的破口兩側(cè)20～30mm范圍內(nèi)清理干凈出去油污。可以用汽油、丙酮或乙醚擦洗。為避免飛濺金屬損傷部修剛表面，對與要求高的，在罕見破口涂上白瑩粉或石灰防止焊接飛濺，具體裝配尺寸見表4。

表4 破口尺寸

3.2 定位焊縫

因不銹鋼熱膨脹系數(shù)較大，焊接時(shí)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，要求采用嚴(yán)格的定位焊用的焊條應(yīng)與焊接使用的焊條相同，焊條直徑應(yīng)選用較細(xì)的，定位焊縫的高度一半部超過焊件厚度2/3，如對于d≦Φ89mm的管采用兩點(diǎn)定位，d=Φ89～Φ219mm采用三點(diǎn)定位，d≧219mm的采用四點(diǎn)定位；焊縫長度為20～30mm，定位焊的焊接參數(shù)應(yīng)該和正式焊接相同，見表5。

表5 定位焊縫的長度和間距 mm

3.3 焊條的選用

奧氏體不銹鋼焊條的選用基本原則：第一，照母材的牌號(hào)，選用與母材成分相同或相近的焊條。有條件增加敷衍金屬中鉬、錳等可提高焊縫抗裂性能的元素含量。第二，由于含碳量對不銹鋼的耐腐蝕性能優(yōu)很大的影響，因此選用焊條的含碳量不能大于母材。第三，焊條應(yīng)根據(jù)不銹鋼的材質(zhì)，工作條件來選，選用不當(dāng)會(huì)降低街頭強(qiáng)度增大晶間腐蝕傾向，縮短使用壽命。第四，焊條選擇在是實(shí)際操作中多選用鈦鈣型不銹鋼酸性焊條，但對結(jié)構(gòu)剛性很大或者焊縫金屬抗裂性能差的要選用堿性藥皮的不銹鋼焊條。常見奧氏體不銹鋼鋼號(hào)和牌號(hào)見表6。

3.4 奧氏體不銹鋼焊接

表6 常見奧氏體不銹鋼鋼號(hào)和牌號(hào)見

（1）焊接電流。為了防止出現(xiàn)晶間腐蝕，避免熱裂紋，奧氏體條一半選用較小的焊接線能量，所以焊接采用低電壓、小電流、快速、短弧焊接；運(yùn)條不做橫向擺動(dòng)，焊條較窄。特備是仰焊位置焊接，由于不銹鋼的導(dǎo)熱率小，部容易散熱，熔滴在高溫時(shí)停留時(shí)間長，有在重力之作用下容易下滴形成焊瘤。更要注意焊接電流和焊條運(yùn)條的手法，見表7。

表7 焊接電流參數(shù)表

（2）焊接厚板時(shí)候每焊完一道需清除渣殼，并控制層間溫度小于150°，注意焊接順序，與服飾介質(zhì)接觸的焊道盡量要最后焊接，運(yùn)條要穩(wěn)，收弧時(shí)要填滿弧坑。奧氏體不銹鋼并沒有淬硬性，為了加快冷卻速度，可采用焊后水冷或焊一段澆一段水的強(qiáng)制冷卻措施。（熔池及附近區(qū)域不允許有水）。

（3）奧氏體不銹鋼本身的導(dǎo)熱性差，線膨脹系數(shù)大，焊后易出現(xiàn)較大的變形，特別是焊接薄板結(jié)構(gòu)，變形更為突出。焊接后只能用冷矯，不能用熱矯正。奧氏體不銹鋼焊縫也不做焊后熱處理。

4 結(jié)束語

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，奧氏體不銹鋼在核動(dòng)力工程，化工、醫(yī)療、煙草以及航天工業(yè)設(shè)備上正廣泛的應(yīng)用。了解奧氏體不銹鋼的組織特性、力學(xué)特性和焊接工藝，將大大的減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高焊接效率，降低生產(chǎn)成本。

[1]焊接手冊（2）.機(jī)械工業(yè)出版社，2001.7第二版,371頁.

[2]焊工手冊（手工焊接與切割）機(jī)械工業(yè)出版社第三版2003.4,369.

[3]焊接手冊（2）,機(jī)械工業(yè)出版社，2001.7第二版，399頁.

[4]焊接材料簡明選用手冊機(jī)械工業(yè)出版社，1999.5.

[5]徐初雄.焊接工藝500問.機(jī)械工業(yè)出版社，2003.1.

圖2 部分管點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)圖

3 結(jié)論

本文結(jié)合不同軟件的優(yōu)勢，提出了聯(lián)合運(yùn)用CAESARII、AUTOPIPE和PULS軟件對往復(fù)式壓縮機(jī)管道進(jìn)行應(yīng)力分析的方法。文中所述方法對某氣田往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行應(yīng)力分析，建立了其進(jìn)排氣管道的模型，模型正確反映了往復(fù)式壓縮機(jī)管道的振動(dòng)問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]黨錫淇，陳守五.活塞式壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)與管道振動(dòng)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1984.

[2]唐永進(jìn).壓力管道分析（第二版）[M].北京：中國石化出版社，2010.

[3]章罡本，彭學(xué)院.CAESARII在往復(fù)壓縮機(jī)管道振動(dòng)及應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J].化工設(shè)備與管道，2007,44(1),38～41.

[4]ASMEB31.3-2006，ASMECodeforPressurePiping,B31[S].

[5]GB50316-200，工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]GB/T20801-2006，壓力管道規(guī)范工業(yè)管道[S].

表1 部分應(yīng)力校核結(jié)果

U664.9+2

A

1671-0711（2016）10（下）-0084-03