船舶脫硫塔中雙相不銹鋼焊接工藝

何元沁，袁文榮，王彥

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

業內為應對IMO即將實施船舶燃油硫含量的質量分數不超過0.50%的規定，主要有使用低硫燃料油、采用清潔能源LNG(液化天然氣)燃料代替燃油，以及加船舶廢氣洗滌系統3種措施[1]，從經濟效益及功能性考慮，目前船舶都是通過安裝船舶廢氣洗滌系統來滿足對船舶燃油含硫上限的要求。脫硫塔是船舶廢氣洗滌系統中廢氣洗滌與排放的主要裝置，上口排氣管和下口排沖洗水管采用了雙相不銹鋼的材質來保證其耐腐蝕、耐熱的要求。由于雙相不銹鋼是作為新材料首次在脫硫塔中應用，有必要對材料進行焊接性能分析，按《鍋爐及壓力容器規范 ASME IX卷》的要求設計并進行工藝評定試驗。

1 材料介紹

雙相不銹鋼由鐵素體和奧氏體2相組成，通常雙相不銹鋼鐵素體含量的質量分數為40%～60%。它保留了鐵素體不銹鋼導熱系數大、線膨脹系數小、耐點腐蝕，以及氯化物應力腐蝕的特點；又具有奧氏體不銹鋼韌性好、抗晶間腐蝕、力學性能以及焊接性能好的優點[2]，其鎳含量多為1%～2%，而奧氏體不銹鋼鎳含量多為8%～25%，主要通過降低鎳含量降低成本[2]。雙相不銹鋼在海洋工程(LNG)、化工行業、石油、造紙、海水利用、發電等眾多行業中得到廣泛應用[3]，也符合公司脫硫塔裝置部件材料的性能要求。公司所采用的雙相不銹鋼主要是美標牌號UNS S31803，歐標牌號對應為EN1.4462，國內俗稱2205雙相不銹鋼。

脫硫塔是船舶廢氣洗滌系統中廢氣洗滌與排放的主要場所，其結構見圖1。

圖1 脫硫塔裝置

含硫廢氣在脫硫塔中與泵壓的沖洗水充分接觸洗滌，經洗滌后的廢氣向上往外排放，由于廢氣在向上過程中冷凝會附著于排氣管壁，有很強的腐蝕性，因此洗滌塔出口的排氣管要求使用雙相不銹鋼來防腐蝕。沖洗水通過脫硫塔下端管道排出入海，下端管道大多為玻璃鋼管，由于玻璃鋼管與船舷側外板不能焊接，故末端是以雙相不銹鋼與船體焊接，再通過法蘭與玻璃鋼管連接的形式。雙相不銹鋼處于極易腐蝕的工況下，其焊接工藝尤其重要。

2 焊接控制要點

S31803雙相不銹鋼的化學成分見表1。

S31803雙相不銹鋼的焊接性相對于奧氏體不銹鋼熱裂敏感性低，相對于鐵素體不銹鋼塑性降低及冷裂傾向小[4]。所以重點在于熱影響區性能變化及接頭鐵素體含量的控制。為了抑制焊縫金屬中鐵素體的過量增加，采用奧氏體占優勢的焊縫金屬是雙相不銹鋼的焊接趨勢，故在焊接材料的選擇上盡量選擇鎳含量較高的焊接材料。

表1 S31803雙相不銹鋼化學成分及力學性能

由于雙相不銹鋼在高溫下是鐵素體，若線能量過小，熱影響區冷卻速度快，奧氏體來不及析出，過量的鐵素體就會在室溫下過冷保持下來。若線能量過大，冷卻速度太慢，盡管可以獲得足夠的奧氏體，但也會引起熱影響區的鐵素體晶粒長大及有害金屬相的析出[5]，造成接頭脆化。因此，焊接試驗中需設置合理的焊接參數，并采用多層多道焊的焊接形式，使后面焊道對前面焊道有熱處理作用，焊縫金屬中的鐵素體能進一步轉化為奧氏體。

3 工藝試驗設計

3.1 試件選擇

實船有S31803雙相不銹鋼管子對接(同種材質)、S31803管-EH36板全熔透角接(異種材質)2種形式，管子規格為1 600 mm×6 mm和356 mm×12.5 mm，材質為S31803雙相不銹鋼；結構板厚20 mm，材質為AH36。管子焊接工藝評定按《鍋爐及壓力容器規范ASME IX卷》的要求進行認可試驗，外徑覆蓋依據QW-452.3，壁厚覆蓋依據QW-451，并根據現有材料，最終確定工藝試驗A組130 mm×11 mm(管子對接)，B組356 mm×12.5 mm+20 mm(管板全熔透角接)。為保證有足夠多的性能測試件，A組制3份試件。2組試驗焊接位置都為6G。

3.2 焊接材料選擇

根據現場實際工位，確定雙相不銹鋼管子對接采用鎢極氣體保護焊(GTAW)，雙相不銹鋼管板全熔透角接采用CO2氣體保護焊(FCAW)。焊接材料應選擇比母材性能更優的材料，因此同種材質的焊接采用2209系列的氬弧焊焊絲，異種材質的焊接采用309L系列CO2焊絲，化學成分對比見表2。

3.3 焊接工藝要求

確定管子對接采用V形坡口，單邊角度為30°，鈍邊0～2 mm，根部間隙2～4 mm，坡口形式見圖2；管板穿接采用單邊V形坡口，單邊45°，鈍邊0～3 mm，根部間隙0～3 mm。坡口形式見圖3。

表2 化學成分對比 %

圖2 管子對接坡口

圖3 管板全熔透角接坡口

焊接前焊件無需預熱，但焊前必須將焊處表面的鐵銹、油污、水份等雜質清除干凈。在進行焊接前的清潔和打磨時，只能采用不銹鋼刷子和砂輪片進行，避免管子表面碳元素的污染。在進行GTAW焊接時，鎢極伸出長度相對噴嘴盡可能短些，電弧長度一般控制在1～3 mm左右。在高溫加熱時具有晶粒長大的傾向，多層多道焊焊接時應采用較小的焊接線能量，一般應控制在0.5～2.5 kJ/mm，層間溫度控制在150 ℃以下。A組焊接工藝參數見表3，B組焊接工藝參數見表4。

表3 A組焊接工藝參數

表4 B組焊接工藝參數

4 試驗結果

依據《ASME IX》標準和實際要求，對A組130 mm×11 mm(管子對接)設置VT、PT、RT探傷試驗，探傷合格后按QW-150、QW-160、QW-170、QW-180進行力學性能檢測和微觀金相觀察；對B組356 mm×12.5 mm+20 mm(管板全熔透角接)設置UT、PT探傷試驗和宏觀金相觀察。

4.1 A組130 mm×11 mm(管子對接)檢測結果

4.1.1 拉伸試驗

探傷合格的試樣按QW-462.1(b)制成2個板狀拉伸試樣，每個試樣厚度約13 mm。在sans萬能試驗機上進行拉伸試驗，速度為1 mm/min，由應力和位移傳感器記錄應力-應變值，由此測得材料經過屈服階段后進入強化階段的最大載荷，由公式δ=Fb/S0計算出抗拉強度，見表5。

表5 拉伸試驗結果

試樣抗拉強度約490 MPa。2個試樣的斷裂位置均在母材，表明焊縫區域強度要高于母材。

4.1.2 彎曲試驗

側彎試樣按QW-462.2標準制備。拉伸試驗使用的上海申力連續彎曲試驗機，壓模壓頭直徑為44 mm，將試樣彎曲180°以觀察焊縫內部是否有裂紋或夾渣等焊接缺陷。彎曲試驗結果見表6。經過觀察，試樣受拉面的焊縫和熱影響區均無裂紋產生，表明焊縫合格。

表6 彎曲試驗結果

4.1.3 沖擊試驗

采用濟南時代公司生產的擺錘式沖擊試驗機，最大沖擊能量300 J。采用Charpy-V形缺口、橫向取樣方式制備沖擊試樣，試樣規格為10 mm×10 mm×55 mm。沖擊試驗在-40 ℃環境溫度中進行。每種狀態試樣取3個，取其沖擊破壞吸收能量的平均值作為評價該狀態下的沖擊性能指標。試驗結果見表7。

表7 沖擊試驗結果

由表7可見：材料沖擊吸收功不論是單值、均值都遠大于船級社供貨要求。但焊縫熱影響區的材料韌性略高于焊縫中心，這可能是由于焊縫中心組織晶粒較大導致強度低于熱影響區所致。

4.1.4 微觀金相檢測

按船級社要求對試樣進行微觀檢驗，取樣部位分別為：a)左側母材、b)右側母材、c)底部焊縫、d)焊縫中心。

微觀檢測放大倍數200×，微觀金相照片及檢測結果見圖4。采用面積法檢測各取樣區域鐵素體含量，圖中黑色條狀為視為鐵素體組織，。從測得結果看，焊縫區、熱影響區鐵素體含量質量分數均為50%～60%，表明所采用的焊接參數能得到比較均勻的雙相接頭組織。

4.1.5 腐蝕試驗

參照ASTM A923C法對制取的試樣進行腐蝕試驗，通過測量材料在一定時間內的腐蝕失重來確定其抗腐蝕性能。試驗前對試樣打磨、清潔并進行稱量，精度達到小數點后5位，試樣尺寸、試驗步驟等要素見表8。

2組試樣所測得的腐蝕率表明，滿足抗腐蝕標準。

4.2 B組356 mm×12.5 mm+20 mm(管板全熔透角接)檢測結果

取4個接頭試樣進行加工，用20%濃度硝酸水擦拭表面進行腐蝕，待加工表面逐漸失去金屬光澤至合適后用水沖洗干凈，吹干后至于金相顯微鏡下觀察。經宏觀腐蝕試驗，在焊縫、熔合線、熱影響區均未發現裂紋、未熔合、氣孔、夾渣等焊接缺陷。

表8 腐蝕試驗結果

5 結論

在本次工藝試驗設置的試驗參數下，雙相不銹鋼管子與管子同種材料焊接、雙相不銹鋼管子與EH36材質板的異種材料焊接均能得到性能較好的焊縫，兩相比例沒有發生太大轉變，焊縫耐腐蝕性能達到船級社要求。由于條件有限，焊縫經過類時效處理產生δ2、γ2和金屬間化合物的情況還待進一步探究。本次試驗所得的試驗數據已整理成相應的焊接工藝規程文件，為公司船舶脫硫塔中雙相不銹鋼的焊接提供了工藝依據。這2種接頭形式均已在實船脫硫塔相應的雙相不銹鋼焊接中應用，并取得良好的效果。