不銹鋼壓力容器焊接工藝設計分析

陳振凱 李廷偉 郭 燕

河南一拖(洛陽)中成機械有限公司

不銹鋼壓力容器焊接工藝設計分析

陳振凱 李廷偉 郭 燕

河南一拖(洛陽)中成機械有限公司

不銹鋼是一種重要的工程材料，已經被廣泛應用于各種工業和環境的結構中。焊接是一種用于不銹鋼的重要加工工藝。本文通過0Cr18Ni9不銹鋼閃蒸罐焊接工藝設計，詳細介紹了壓力容器用奧氏體不銹鋼焊接特點和焊材選用及焊接要點。

不銹鋼；焊接；容器；工藝設計

直徑為1000mm，壁厚為12mm的閃蒸罐(圖1)，殼體材質為0Cr18Ni9。

圖1 閃蒸罐結構簡圖

1. 0Cr18Ni9不銹鋼簡介及其焊接性

0Cr18Ni9不銹鋼作為不銹鋼耐熱鋼使用最廣泛，用于食品用設備，一般化工設備，原子能用工業設備。0Cr18Ni9鋼(AISI304)是奧氏體不銹鋼，鋼的奧氏體結構賦予了它的良好冷、熱加工性能、無磁性和低溫性能。其化學成分為碳 C：≤0.08硅 Si：≤1.00 錳 Mn：≤2.00硫 S：≤0.030磷 P：≤0.045鉻 Cr：18.00～20.00鎳Ni：8.00～10.50。力學性能抗拉強度 σb (MPa)：≥520條件屈服強度σ0.2 (MPa)：≥205伸長率 δ5 (%)：≥40斷面收縮率 ψ (%)：≥60硬度：≤187HBS。

1.1 奧氏體不銹鋼接頭的晶間腐蝕

在一般情況下，焊縫金屬中碳的含量對晶間腐蝕的作用相當大。碳的含量越高，晶間腐蝕傾向也越大。為了防止晶間腐蝕應該盡量降低碳的含量，常應用超低碳焊條或者焊絲，還可以向焊縫金屬中添加一定量的穩定化元素，如鈦、鈮等。刀蝕是焊接接頭出現的一種特殊形式的晶間腐蝕，是和鉻的碳化物的沉淀有密切關系的，為防止刀蝕，為防止刀蝕，通常采用超低碳鋼。有穩定化元素的鋼，碳含量應該限制在0.06%。在焊接工藝上，要減少近縫區的熱，避免焊接時產生中溫敏化的加熱作用。

1.2 應力腐蝕開裂

應力腐蝕開裂通常表現為脆性破壞，且發生破壞的過程時間短，因此危害嚴重。造成奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂的主要原因是焊接殘余應力，局部腐蝕介質濃縮也是影響應力腐蝕開裂的原因。為了避免產生焊接應力腐蝕開裂，應該合理調整焊縫的成分。

1.3 焊接接頭的熱裂紋

奧氏體不銹鋼焊接時，焊縫和近縫區可產生熱裂紋，這是因為奧氏體不銹鋼含有硫、磷、錫和銻等易形成夾雜層。因此應該嚴格控制有害雜質。盡量選擇含雜質較低的焊接材料和同材質的焊縫金屬。使焊縫成為奧氏體加鐵素體的雙相組織，也是提高焊縫抗裂紋性的重要手段。

2.焊接材料的選取及其坡口設計

不銹鋼用焊接材料主要有：藥皮焊條、埋弧焊絲和焊劑、TIG和MIG實芯焊絲以及藥芯焊絲。根據選擇焊接材料的原則和具體的焊接方法，并且根據GB 983-1995《不銹鋼焊條》中的規定，0Cr18Ni9不銹鋼焊接時所用到的焊條型號為E308-16，牌號為A102，焊前須經200-250℃烘焙1h。根據YB/T 5092—2005《焊接用不銹鋼絲》在TIG焊中所用到的氣體保護焊焊絲為H0Cr21Ni10。

化工容器中焊接拼接方式是多種多樣的，但接觸介質的焊接接頭應該都是對接的。包括單縫拼接的對接焊縫、T形拼接放入對接焊縫和十字拼接對接焊縫。不允許存在角焊縫，包括T形接頭角焊縫、搭接接頭角焊縫、套管接頭角焊縫和角接接頭角焊縫。只有極少數不得已的情況下如修補內襯層，才采用搭接接頭角焊縫。采用對接焊縫T形拼接時，相鄰筒節德爾縱焊縫距離或者封頭焊縫的端點與相鄰筒節縱焊縫的距離應該大于筒體壁厚的3倍，且小于1000mm。

筒體內部的構件與筒體焊接時，其焊縫應該盡量避開筒體環焊縫和筒體與封頭相接的環焊縫。根據JB/T4709-2007《壓力容器焊接規程》的規定，并根據閃蒸罐具體的壁厚，及焊接方法設計坡口，具體坡口形式如下[1]。

對1A1、 B1的焊縫進行雙面焊，其坡口設計見圖2，B2和C1-C4焊縫采取單面焊雙面成形，其坡口如圖3，D1-D4焊縫也采用單面焊雙面成形，其坡口如圖4。

3.焊縫表面的清理

焊件待焊處兩側各20mm，包括坡口面表面應該進行徹底的清理，不應該有任何油脂、污漬、油漆、氧化皮和其他的雜質。通常采用丙酮或者酒精進行擦洗，必要的時候還需要先進行打磨。若清理不干凈，這些有機物會在電弧高溫作業下分解燃燒成氣體，引起焊縫金屬產生氣孔和增碳，進而使得焊接接頭耐腐蝕性降低。

4.焊縫的焊接工藝設計

4.1 閃蒸罐1A1、 B1的焊縫具體焊接工藝參數

對于焊接閃蒸罐1A1、 B1的焊縫采用手工焊條電弧焊，由于筒體直徑為1000mm，焊工可以鉆入筒體內焊接，故筒體縱、 環縫。故采用焊條電弧焊進行雙面焊。其焊接參數為直流反接，焊條直徑為φ3.2mm，焊接電流為90-140A，平焊，焊接層數為4，焊接速度為130-160mm/min。

4.2 閃蒸罐B2、C1-C4以及D1-D4 角焊縫具體焊接參數

由于不能進行雙面焊接，因此采用單面焊雙面成形。在焊接過程中采用TIG焊打底，并且采用焊條電弧焊進行蓋面焊接。其中B2、C1-C4焊縫焊接工藝參數為直流反接，焊條直徑為φ3.2mm，焊接電流為90-140A，平焊，TIG焊一層，蓋面三層，焊接速度為130-160mm/ min。D1-D4焊縫焊接工藝參數直流反接，焊條直徑為φ5mm，焊接電流為160-190A，平焊，焊8-10層，焊接速度為150-200mm/min[2]。

5.焊后熱處理

由于0Cr18Ni9不銹鋼的敏化溫度區間850～450℃，為盡快使焊縫處溫度低于450℃，須對焊縫采用快冷淬火處理。由于采用快冷淬火處理 ，不可避免的要形成很大的內應力 ，需要對淬火后的焊縫進行低溫回火處理(150～250 ℃) ，回火后空冷至常溫。

[1]賈安東.焊接結構與生產[M].第二版.機械工業出版社，2007：167～168

[2]胡蕓、呂會敏、王新彥.不銹鋼閃蒸罐焊接工藝[J].科技信息，2009，5(1)：1～2