雙相不銹鋼腐蝕區(qū)域TIG堆焊修復(fù)工藝研究

蘇建華

廈門(mén)船舶重工股份有限公司 福建廈門(mén) 361026

1 序言

S32101雙相不銹鋼屬于新興的經(jīng)濟(jì)型不銹鋼，又稱之為節(jié)約型雙相不銹鋼，通過(guò)冶煉成分的控制，在滿足力學(xué)性能和耐腐蝕性能的前提下，有效地降低了造價(jià)成本，多用于核電、石化等行業(yè)的儲(chǔ)罐制作。廈門(mén)船舶重工股份有限公司建造的5390DWT油化船液貨艙艙壁結(jié)構(gòu)，選用的是S32101雙相不銹鋼材質(zhì)。S32101雙相不銹鋼雖然具有一定的造價(jià)優(yōu)勢(shì)，但其在鹽霧環(huán)境（氯離子）作用下的電化學(xué)腐蝕性較敏感，特別是焊縫趾端及熱影響區(qū)位置易產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕。船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中液貨艙不可避免地涉及到海水壓載和海水洗艙，如果后續(xù)的淡水洗艙清洗不徹底時(shí)，易產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕，造成艙壁掛滿黃色銹水印跡，長(zhǎng)時(shí)間未修復(fù)則有壁板穿孔破損的危險(xiǎn)。點(diǎn)腐蝕缺陷采用TIG焊表面堆焊修復(fù)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和使用功能要求，可通過(guò)以下模擬試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 腐蝕模擬

明確施工方案和工藝流程控制點(diǎn)：材料規(guī)格選定→焊接工藝確定→備料、加工→組裝、焊接→海水腐蝕模擬→檢驗(yàn)與標(biāo)記→磨槽與堆焊修復(fù)→外觀檢查、拋光→酸洗鈍化→腐蝕性貨物裝載→檢驗(yàn)評(píng)估。

（1）試驗(yàn)材料與焊接工藝 參照油化船液貨艙尺寸，按照約為1∶15的比例制作模擬艙，模擬艙尺寸設(shè)定為500mm×500mm×500mm。模擬艙的坡口設(shè)置、焊接方法的選擇、焊縫的最后焊接面朝向，均模擬實(shí)船設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）。

圖1 模擬艙結(jié)構(gòu)形式及尺寸

試驗(yàn)板材質(zhì)為S32101，板厚為10mm，模擬艙箱體組裝焊接參照相應(yīng)的WPS（焊接工藝規(guī)程），點(diǎn)腐蝕堆焊修復(fù)采用TIG焊方法，因?yàn)門(mén)IG焊的能量集中、熱輸入量小，焊接質(zhì)量容易控制[1]。由于奧氏體/鐵素體雙相不銹鋼宜選用其熔敷金屬金相結(jié)構(gòu)中奧氏體組織多于鐵素體組織的焊接材料，或直接選用相適應(yīng)的奧氏體不銹鋼焊接材料，因此焊接材料選用ER2209的氬弧焊絲（符合標(biāo)準(zhǔn)AWS A5.9—2012）。S32101板材和焊接材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。模擬艙焊接過(guò)程，嚴(yán)格遵守給定的焊接參數(shù)，組裝完成效果如圖2所示。

（2）腐蝕模擬與檢驗(yàn)標(biāo)記 模擬艙內(nèi)裝入海水，同時(shí)為了加快點(diǎn)腐蝕的生成，在海水中添加一定比例的三氯化鐵和鹽酸，形成腐蝕性溶液。腐蝕模擬過(guò)程做好每日的觀察和記錄，到第4天時(shí)，發(fā)現(xiàn)明顯的點(diǎn)狀腐蝕。腐蝕模擬完成，將腐蝕溶液清理至廢液回收桶內(nèi)，模擬艙進(jìn)行淡水清洗并風(fēng)干。

表1 S32101板材與焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 S32101板材與焊材的力學(xué)性能

圖2 模擬艙裝焊完成

對(duì)模擬艙內(nèi)壁進(jìn)行全面檢查，按照腐蝕的不同嚴(yán)重程度進(jìn)行分類標(biāo)記、處置。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，焊接熱影響區(qū)和焊縫趾端位置點(diǎn)腐蝕較密集且腐蝕深度較深，板材中部多為個(gè)體腐蝕點(diǎn)，腐蝕深度較淺。

（3）磨槽與堆焊修復(fù) 點(diǎn)腐蝕深度小于板材厚度的1/3可堆焊修復(fù)，堆焊層厚度與母材表面齊平（或略高于母材），焊接操作如圖3所示。模擬艙內(nèi)壁點(diǎn)腐蝕深度超過(guò)1mm時(shí)，采用打磨清理開(kāi)槽后TIG堆焊的方式修復(fù)。由于堆焊層厚度較薄，為保證焊縫與母材的結(jié)合，堆焊焊縫長(zhǎng)度應(yīng)在30mm以上，嚴(yán)禁點(diǎn)焊修復(fù)（見(jiàn)圖4），堆焊焊接參數(shù)見(jiàn)表3。堆焊修復(fù)過(guò)程，控制焊接熱輸入和層間溫度等，如果層間溫度控制不好會(huì)導(dǎo)致焊接接頭中不能得到合適比例的奧氏體/鐵素體兩相組織[2]。焊補(bǔ)完成后，檢查堆焊焊縫質(zhì)量。進(jìn)行拋光處理后，檢查腐蝕點(diǎn)的修復(fù)質(zhì)量，保證修復(fù)干凈。

圖3 堆焊操作示意

圖4 點(diǎn)腐蝕TIG堆焊焊縫

（4）酸洗鈍化 模擬艙打磨拋光完成后，進(jìn)行酸洗鈍化處理。鈍化工作完成后，采用大量清水清洗艙壁，再次檢查并確認(rèn)艙壁的修復(fù)質(zhì)量完好。

（5）腐蝕性液貨裝載 模擬艙選擇油化船貨品清單中腐蝕性較強(qiáng)的乙酸作為模擬裝載的液貨，同時(shí)船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程航行駁運(yùn)周期一般為7天。因此，修復(fù)后的模擬艙進(jìn)行乙酸裝載后密閉存放10天，驗(yàn)證修復(fù)后的艙壁是否會(huì)產(chǎn)生新的腐蝕，影響到使用功能。

（6）檢驗(yàn)評(píng)估 腐蝕性液貨模擬裝載結(jié)束后，開(kāi)艙將乙酸清理干凈，并用淡水清洗艙壁后檢查艙壁表面，發(fā)現(xiàn)艙壁光潔無(wú)產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。表明修復(fù)質(zhì)量完好，滿足耐腐蝕性要求。

3 力學(xué)性能試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)內(nèi)容 依據(jù)CCS《材料與焊接規(guī)范》中的規(guī)定，截取試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，以及焊縫斷面宏觀金相、鐵素體含量、點(diǎn)蝕試驗(yàn)和焊縫及熱影響區(qū)的微觀檢測(cè)，試驗(yàn)項(xiàng)目和試樣數(shù)量見(jiàn)表4。焊縫斷面金相試驗(yàn)腐蝕劑采用75%濃鹽酸+25%濃硝酸的腐蝕溶液，腐蝕后的焊縫斷面能夠清晰地判斷接頭質(zhì)量，無(wú)未熔合及其他缺陷。點(diǎn)蝕試驗(yàn)的腐蝕介質(zhì)采用6%三氯化鐵溶液，腐蝕率（即24h浸泡后的單位面積失重）應(yīng)≤10mdd。

表3 TIG堆焊焊接參數(shù)

（2）試驗(yàn)結(jié)果 焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)照，可以得出焊縫接頭的硬度、拉伸、彎曲和沖擊等力學(xué)性能均滿足CCS《材料與焊接規(guī)范》中的規(guī)定。焊縫斷面宏觀金相如圖5所示，焊道疊層清晰，無(wú)未熔合及其他缺陷，說(shuō)明滿足規(guī)范要求。焊縫和熱影響區(qū)分別測(cè)定鐵素體含量，結(jié)果在38.2%~45.8%之間，滿足規(guī)范規(guī)定的鐵素體含量應(yīng)在30%~70%之間的要求。焊縫及熱影響區(qū)微觀檢測(cè)的結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)晶間碳化物和金屬間化合物的析出。點(diǎn)蝕試驗(yàn)的試樣表面未發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的點(diǎn)蝕，腐蝕率結(jié)果滿足規(guī)范要求，說(shuō)明焊接接頭的耐點(diǎn)腐蝕性能良好。以上試驗(yàn)結(jié)果均表明，焊接接頭的質(zhì)量滿足力學(xué)性能要求。

表4 力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目和試樣數(shù)量

表5 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖5 焊縫斷面宏觀

4 結(jié)束語(yǔ)

1）按照施工方案和工藝流程控制點(diǎn)進(jìn)行的模擬試驗(yàn)，表明TIG堆焊的修復(fù)質(zhì)量滿足耐腐蝕性的要求。

2）力學(xué)性能試驗(yàn)的結(jié)果，再次表明焊接接頭的質(zhì)量滿足結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能要求。

3）模擬試驗(yàn)的工藝控制流程和TIG堆焊修復(fù)工藝，為點(diǎn)腐蝕缺陷的修復(fù)提供了技術(shù)支持，具有一定的指導(dǎo)意義。