S22053雙相不銹鋼壓力容器的制造工藝

康聰聰，王秋利

（1.北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075；2.西安航天華威化工生物工程有限公司，陜西 西安710075）

雙相不銹鋼從20世紀(jì)30年代開(kāi)始才逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用，但到現(xiàn)在仍沒(méi)有明確的定義，它是指奧氏體和鐵素體各約占50%，其中較少相的最小含量也要達(dá)到30%的不銹鋼[1]。雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體雙重金相組織，其性能介于兩者之間，并隨著不同微量元素的添加，對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行控制的同時(shí)，力學(xué)性能得到了改善，雙相不銹鋼的力學(xué)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的奧氏體不銹鋼。特別是耐點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞性能等，完全可與高合金奧氏體不銹鋼相媲美。同時(shí)，雙相不銹鋼也具有良好的焊接性。與鐵素體不銹鋼及奧氏體不銹鋼相比，它既不像鐵素體不銹鋼的焊接影響區(qū)，由于晶粒嚴(yán)重粗化和金屬間析出相而使耐蝕性能和沖擊性能大幅度降低；也不像奧氏體不銹鋼那樣，對(duì)焊接裂紋比較敏感[2]。因此鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼在石油化工、海水與廢水處理、輸油輸氣、造紙、發(fā)電、造鹽等工業(yè)領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[3]。

S22053雙相不銹鋼由 22%～23%鉻，3%～3.5%鉬及4.5%～6.5%鎳氮合金構(gòu)成，其屈服強(qiáng)度是奧氏體不銹鋼的兩倍，在設(shè)計(jì)時(shí)可以減輕產(chǎn)品重量，同時(shí)具有良好的耐蝕性能，價(jià)格又比S31603低，因此有很高的實(shí)用價(jià)值。

本文以某化工設(shè)備項(xiàng)目中的硅藻土過(guò)濾器為例，對(duì)制造過(guò)程中的主要控制點(diǎn)進(jìn)行論述。

1 設(shè)備概況

設(shè)備名稱(chēng)：硅藻土過(guò)濾器。

設(shè)備尺寸：φ2200mm/φ600mm,δ=8mm,H=5700mm。

設(shè)計(jì)壓力：0.8MPa。

設(shè)計(jì)溫度：80℃。

介質(zhì)：15%硫酸銅、壓縮空氣。

容器類(lèi)別：I類(lèi)。

硅藻土過(guò)濾器上部為橢圓形封頭，下部為錐形封頭，橢圓形封頭與筒體之間采用法蘭連接，錐形封頭與筒體之間采用焊接。此外，過(guò)濾器內(nèi)部還有較為復(fù)雜的內(nèi)件，內(nèi)件材質(zhì)為S22053。

2 設(shè)備選材及訂貨要求

由于介質(zhì)中有氯離子，本設(shè)備存在點(diǎn)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，但是硫酸銅對(duì)于S31603來(lái)說(shuō)，是非常有效的緩蝕劑。考慮到更好的耐蝕性能、力學(xué)性能以及價(jià)格等因素，本設(shè)備主體選用了S22053雙相不銹鋼材料(比S31603強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng))。由于制造周期較緊，設(shè)備筒體、封頭等主要受壓元件所用的板材直接采購(gòu)境外牌號(hào)。按照國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范的要求，需對(duì)主要受壓元件的板材進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能的復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)后的結(jié)果應(yīng)滿足《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》(GB/T 24511-2017)的相關(guān)要求。S22053的化學(xué)成分見(jiàn)表1，室溫下的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 室溫下的力學(xué)性能

3 焊接

雙相不銹鋼S2205的焊接過(guò)程中，不易出現(xiàn)冷裂紋和熱裂紋。因此常規(guī)的處理方式是焊前不進(jìn)行預(yù)熱，焊后不進(jìn)行熱處理。當(dāng)選擇合理的焊接材料，同時(shí)確定合適的焊接線能量時(shí)，焊接接頭就具有良好的綜合性能[4]。同時(shí)，為了保證雙相不銹鋼的優(yōu)良力學(xué)性能和耐腐蝕性能，需要在選擇焊接材料時(shí)以及在后續(xù)的焊接過(guò)程中，嚴(yán)格控制氫的來(lái)源[5]。

3．1 焊前準(zhǔn)備

本設(shè)備筒體壁厚較薄，但表面要求卻很高，因此首先對(duì)外表面進(jìn)行拋光，控制其表面粗糙度為Ra1.6，再整體進(jìn)行拉絲處理。焊前應(yīng)對(duì)焊絲表面、坡口及其附近50mm范圍內(nèi)的油污、油脂、水份等雜質(zhì)進(jìn)行清除，焊條、焊劑烘干后存放在專(zhuān)用的保溫桶內(nèi)，焊接坡口采用機(jī)械加工的方式。

3．2 焊接方法的選用

雙相不銹鋼的焊接可以采用多種焊接方法，如氣體保護(hù)焊、焊條電弧焊、埋弧焊、氬弧焊和等離子焊等。對(duì)于單面開(kāi)坡口焊接，通常采用氬弧焊。同時(shí)，焊接方法的選擇還要考慮焊接材料，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性[6]。

鎢極氬弧焊焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良，自動(dòng)焊的效率也較高，焊縫成型美觀。采用鎢極電弧焊進(jìn)行雙相鋼的焊接，可以獲得均勻的鐵素體—奧氏體兩相金相組織，由此得到更加優(yōu)秀的綜合力學(xué)性能，從而也保證了優(yōu)良的耐腐蝕性能[7]。

本設(shè)備直徑不大，壁厚也較薄，綜合考慮后，本設(shè)備全部采用氬弧焊，且背面采用99.99%的純氬氣進(jìn)行保護(hù)。

3．3 焊接坡口及焊接參數(shù)

基于設(shè)備的整體尺寸及結(jié)構(gòu)，整臺(tái)設(shè)備的主體對(duì)接焊縫選用外單V形坡口，坡口詳圖如圖1所示。

圖1 坡口詳圖

雙相不銹鋼因其材料特殊性，要求焊縫中奧氏體與鐵素體含量也在一定范圍內(nèi)，而焊接熱輸入對(duì)兩相組織的平衡有著重要影響：熱輸入過(guò)小時(shí)，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)冷卻過(guò)快，奧氏體的轉(zhuǎn)化率降低，嚴(yán)重時(shí)可抑制鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變過(guò)程，最終導(dǎo)致鐵素體含量高，材料的韌性降低；熱輸入過(guò)大時(shí)，冷卻時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致鐵素體晶粒不斷長(zhǎng)大，同時(shí)σ相等脆性相得以析出，會(huì)造成焊接接頭脆化[8]。因此在焊接過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制焊接工藝過(guò)程，控制線能量的輸入以及層間溫度。本設(shè)備焊接時(shí)，需將層間焊渣清除干凈,并控制層間溫度≤150℃。

焊接材料的選擇既要保證焊縫金屬的綜合力學(xué)性能，不低于母材力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)值，也要保證焊縫金屬具有和母材接近的兩相組織比例[9]。根據(jù)這一原則和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，本設(shè)備焊材選用S2209。

焊接采用多道焊，全部使用氬弧焊。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

4 主要工藝控制點(diǎn)

4．1 殼體成型

殼體在卷制成形前先檢查，首先檢查軋輥表面，不應(yīng)有雜物、毛刺等，防止殼體表面被劃傷，并調(diào)整卷板機(jī)上、下棍使其平行；卷制過(guò)程中控制筒體的圓度，重點(diǎn)在于焊縫區(qū)，隨時(shí)用樣板檢查，保證殼體曲率均勻一致。

設(shè)備采取分段加工的方法，但是設(shè)備一側(cè)120°夾角范圍內(nèi)布滿了排管，同時(shí)設(shè)備主管口的法蘭密封面（DN2200）襯環(huán)還需要焊后再進(jìn)行精加工，因此需充分考慮開(kāi)孔的方位以及筒體縱縫的位置。為確保管孔避開(kāi)縱焊縫，設(shè)備組對(duì)環(huán)焊縫時(shí)，要求相鄰縱縫不小于100mm。

為保證設(shè)備尺寸公差要求，設(shè)備外側(cè)排管組件、接管的相貫線，均采用軟件模擬并放樣，減小放樣誤差；采用線切割進(jìn)行加工，提高了加工精度，為后續(xù)內(nèi)件的裝配奠定了基礎(chǔ)。

4．2 內(nèi)件裝配

設(shè)備使用時(shí)要求內(nèi)件各支撐橫梁之間水平的距離相等，同時(shí)垂直向下的各螺紋管孔之間的距離成正三角形分布。為了達(dá)到設(shè)備的使用要求，減小裝配誤差，需采取工裝以保證內(nèi)件的水平度及垂直度。內(nèi)件簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 內(nèi)件簡(jiǎn)圖

4．2．1 排管開(kāi)孔控制

為減小開(kāi)孔誤差，將排管組件的法蘭用螺栓連接在工裝上，工裝上的螺栓孔的尺寸須嚴(yán)格要求并控制，確保法蘭之間的距離及法蘭密封面的平面度。將排管組件先試組裝，從而比較精確的確定筒體的排管位置，保證制造精度，為下一步的開(kāi)孔提供了便利。

4．2．2 裝配順序

利用工裝將設(shè)備立起來(lái)，然后進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，使設(shè)備小端朝下，筒體內(nèi)側(cè)利用工裝固定一個(gè)平面基準(zhǔn)。內(nèi)件進(jìn)行裝配時(shí)，都以此平面作為基準(zhǔn)。內(nèi)件試組裝時(shí)，需確保各內(nèi)件的水平度和垂直度，這樣才能保證內(nèi)件測(cè)量桿上各垂直的管口螺紋都在這個(gè)平面上，最終在正式組裝時(shí)減輕工作量，同時(shí)滿足設(shè)備的裝配要求。

4．3 無(wú)損檢測(cè)

為減少制造缺陷，保證設(shè)備制造質(zhì)量，所有A、B類(lèi)焊縫要求按NB/T47013.2-2015進(jìn)行100%射線檢測(cè)，Ⅱ級(jí)合格，并附加100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

5 結(jié)論

本設(shè)備的制造難點(diǎn)在于材料的焊接以及內(nèi)件的裝配。在制造過(guò)程中，合理安排各類(lèi)焊縫位置，避免焊縫重疊；選擇合理的焊接方法，擬定合理的焊接參數(shù)，控制層間溫度，保證焊接質(zhì)量，同時(shí)保證良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能；利用工裝完成內(nèi)件的裝配，減小了內(nèi)件裝配的誤差。通過(guò)對(duì)各個(gè)關(guān)鍵制造工藝點(diǎn)的控制，設(shè)備的制造質(zhì)量得以保證，滿足了客戶的需求的同時(shí)，縮短了生產(chǎn)周期。