壓力容器用奧氏體不銹鋼制造特點

白崇暉，白崇陽，張正棠

（1.中國石化銷售股份有限公司甘肅石油分公司，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省城鄉(xiāng)發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州730050）

通常壓力容器制造中所使用的鋼板由之前的單一化逐漸演變?yōu)楹芏喾N，而在平常用途中能廣泛應(yīng)用到的有碳素鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、雙相不銹鋼以及復(fù)合鋼板，它們因具有不同的力學(xué)性能而被應(yīng)用于不同的方面，每種鋼板都具備自身的特點及優(yōu)勢，適用于不同環(huán)境場所[1-3]。上述鋼板都會經(jīng)過一定的特殊處理來改變力學(xué)性能，從而滿足使用要求。其中，經(jīng)過一些特殊的處理后主要使得鋼板中的含碳、鉻、鎳等合金元素含量滿足使用要求，用于不同的工況下。奧氏體不銹鋼板因為它的性能滿足壓力容器使用方面中的很多要求，因而性能在經(jīng)過特殊處理后表現(xiàn)較為突出，而被廣泛應(yīng)用。它的主要特性表現(xiàn)為抗腐蝕、抗高溫、抗低溫方面，其綜合力學(xué)性能以及工藝性能也都得到了驗證，并在制造過程中廣泛應(yīng)用。奧氏體不銹鋼經(jīng)過特殊處理后使其在內(nèi)部具備了一些特殊的金相組織結(jié)構(gòu)，在表面形成了鈍化膜，這些特殊的組織及結(jié)構(gòu)使得奧氏體不銹鋼在一些平常環(huán)境下很穩(wěn)定，很難與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但往往會在轉(zhuǎn)運和翻轉(zhuǎn)的時候?qū)⒈砻鎰潅?，以及制造廠制造過程中由于沒有采取相應(yīng)的不銹鋼表面防護(hù)措施，很容易將表面劃傷、擦傷，在焊接、氣割過程中不注意防護(hù)，焊接飛濺、割渣等因素都會與介質(zhì)發(fā)生緩慢的化學(xué)和電化學(xué)腐蝕，這在平常的生產(chǎn)中不易發(fā)現(xiàn)，時間一長就會發(fā)生大的事故，所以在制造過程中必須采取必要的防護(hù)措施。

1 奧氏體不銹鋼制造特點及問題

1.1 制造特點

奧氏體不銹鋼的特殊性能主要依靠鋼板中的Cr元素及一些合金元素，這些元素的添加使得奧氏體不銹鋼具有較強的抗高溫、抗低溫及耐腐蝕性能，而Cr元素本身可以通過自身的性能使得合金表面形成一層致密的保護(hù)膜，該保護(hù)膜具有一定的防護(hù)性。一旦保護(hù)膜破了就會由于腐蝕而產(chǎn)生缺陷，具體特點如下：

1）奧氏體不銹鋼板與碳鋼鋼板放在一起，碳鋼鋼板上部分游離的鐵離子將會吸附在不銹鋼表面，這些游離的鐵離子與不銹鋼鋼板中的其他元素結(jié)合形成原電池引發(fā)電偶腐蝕。

2）奧氏體不銹鋼板放置在含氯離子的環(huán)境中或者直接跟富含氯離子的物體接觸，不銹鋼表面的保護(hù)膜將會被穿透性很強的氯離子破壞，被破壞的保護(hù)膜失去阻止碳離子、鐵離子之類元素的進(jìn)入，這些元素進(jìn)入后會在不銹鋼表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕，由于這些雜質(zhì)元素的堆積在不銹鋼表面形成大量的、細(xì)小的凹坑，這些凹坑慢慢擴展形成大面積凹坑，降低奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性。這也就是水壓試驗的時候要求氯離子的質(zhì)量濃度小于等于25 mg·L-1的原因，并且在水壓試驗合格后要求奧氏體不銹鋼壓力容器請將水盡快排干凈并且吹干。這在《壓力容器第4部分 制造、檢驗、驗收》（GB150.4—2011）中有詳細(xì)的要求，控制氯離子的含量[4]。

1.2 存在問題

運輸、加工過程中人為因素比較嚴(yán)重，鋼板到廠后吊裝、轉(zhuǎn)運、加工過程中，不銹鋼表面磕碰、錘擊、劃傷等使得表面產(chǎn)生缺陷，引發(fā)鐵離子電化學(xué)腐蝕。

焊接過程由于焊接速度過快產(chǎn)生大量的飛濺，導(dǎo)致飛濺中的鐵離子在不銹鋼表面形成原電池，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)；另外，在處理這些飛濺的時候采用機械打磨的方法，焊縫不合格返修后造成局部表面保護(hù)膜被破壞，引起電化學(xué)腐蝕及形成表面質(zhì)量不均勻。

在一些設(shè)備規(guī)格尺寸較大的情況下往往酸洗鈍化過程中存在酸洗膏涂抹不均勻，在清洗的過程中清洗力度均勻，就會導(dǎo)致清洗后在不銹鋼表面出現(xiàn)顏色深淺不一致，影響外觀質(zhì)量。

沒有專用的不銹鋼加工設(shè)備，采用其他設(shè)備混用的加工設(shè)備進(jìn)行切割、刨邊、割坡口、卷板等過程，設(shè)備上的油漬、劃傷、污染物誘導(dǎo)腐蝕。

2 表面防護(hù)技術(shù)

按照《固容規(guī)》[5]中4.9.3條規(guī)定要求凡是具備奧氏體不銹鋼制造的資質(zhì)在制造不銹鋼壓力容器過程中，應(yīng)當(dāng)建有專用的不銹鋼制造場地或車間，為了防止雜質(zhì)元素進(jìn)入不銹鋼表面形成電化學(xué)腐蝕，不應(yīng)該將不銹鋼與其他產(chǎn)品混雜在一起制造。具體應(yīng)該做到如下：

1）應(yīng)有奧氏體不銹鋼鋼板、零部件、半成品、加工成品專用的存放場地，該場地應(yīng)與碳鋼、低合金鋼隔開，做好隔離帶，避免空氣中游離鐵離子進(jìn)入不銹鋼制造環(huán)境中。

2）筒體縱縫、環(huán)縫組對焊接過程中應(yīng)在坡口兩側(cè)涂抹大白粉防止飛濺。

3）應(yīng)該對碳素鋼卷板機輥子進(jìn)行表面處理，將碳鋼殘留物清理干凈，輥子表面平整圓滑，在卷制不銹鋼鋼板時輥子表面采用襯墊；對于經(jīng)常性卷制不銹鋼應(yīng)對卷板機輥子進(jìn)行不銹鋼堆焊。

4）在原材料、半成品、成品不銹鋼零部件上做標(biāo)記移植時，應(yīng)采用不含氯元素記號筆，防止氯元素穿透保護(hù)膜。

5）將奧氏體不銹鋼放置在滾輪架上轉(zhuǎn)動時，應(yīng)在滾輪架滾輪上采用保護(hù)膜（聚氨酯材料）將不銹鋼與碳鋼分開。

6）與設(shè)備相焊的吊耳，其焊接面或者相接觸的表面采用奧氏體不銹鋼材料連接。

7）凡是奧氏體不銹鋼設(shè)備接觸水，如設(shè)備清洗、水壓試驗，都應(yīng)該嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中的要求，對氯離子含量進(jìn)行控制。在清洗、水壓試驗合格后應(yīng)立刻將水排干凈并且吹干。

3 焊接

奧氏體不銹鋼由于材料在經(jīng)過特殊處理后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，焊接過程中由于熱量比較大，使得焊縫收縮變形大。

在選擇焊接參數(shù)的時候應(yīng)該考慮熱裂紋、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、低溫脆化傾向等因素出現(xiàn)。

在經(jīng)歷過特殊處理的奧氏體不銹鋼組織結(jié)構(gòu)中的晶間晶粒粗大、具備了一定的傾向方向，使其在熱量的驅(qū)散下向不同方向進(jìn)行延展，加上存在硫、磷等雜質(zhì)元素的存在，焊接過程中往往會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中將最終導(dǎo)致奧氏體不銹鋼在焊接過程中形成熱裂紋缺陷。

為了提高奧氏體不銹鋼的焊劑而質(zhì)量，奧氏體不銹鋼壓力容器在制造過程中應(yīng)該按照制造工藝和焊接規(guī)范，在焊接過程中主要注意以下幾點：

1）焊接工藝人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備能力、焊接環(huán)境、條件針對不銹鋼焊接選擇合適的焊接工藝，一般對于奧氏體不銹鋼壓力容器中，通常采用的焊接方法主要有埋弧焊、氬弧焊手工焊，這些焊接方法各自具有各自的特點，在選擇焊接方法之前應(yīng)該確定合理的焊接參數(shù)及工藝。

2）采用合理的焊接順序，依次序進(jìn)行焊接，防止變形的產(chǎn)生，一般來說先進(jìn)行坡口縱縫組對，再進(jìn)行引收弧板點焊，根據(jù)直徑大小選擇從內(nèi)部還是外部焊接，一般從內(nèi)坡口填充焊、外部清根、外坡口多道填充焊和表面焊。

3）原則上焊接參數(shù)的選擇應(yīng)選擇電流較小、焊接速度較快的焊接參數(shù)，并且降低焊接熱輸入量。

4）選擇焊材的時候應(yīng)根據(jù)奧氏體不銹鋼的特點選擇含碳量較低且鉻、鎳含量適中，能保證焊縫金屬成型的奧氏體組織的不銹鋼焊材，一般來說C質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過0.03%、鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)在22%左右、鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在9%左右的E316L焊條。

5）坡口組對、型式、大小嚴(yán)格按照焊接工藝執(zhí)行。

6）選擇具有熱輸入量小、焊接應(yīng)力小、焊接變形小、高質(zhì)量高效率等許多優(yōu)點的小孔型等離子弧焊接。

3.1 S31603奧氏體不銹鋼焊接工藝

以多晶硅不銹鋼壓力容器為例說明奧氏體不銹鋼壓力容器的焊接，該設(shè)備高度為76 000 mm，設(shè)備直徑、壁厚規(guī)格：Φ2 400 mm×45 820 mm×26/22/20/18 mm(筒體)/26/18 mm（封頭），體積為211.3 m3。設(shè)備主要受壓元件材料為S31603，金屬質(zhì)量為375 000 kg。

該設(shè)備縱、環(huán)縫焊接參數(shù)：縱、環(huán)縫焊接根據(jù)焊接部位采用里、外焊接方法及清根方法，該設(shè)備里、外均采用埋弧焊，所使用的焊材為ER316L+JWF601A，在焊接之前應(yīng)先進(jìn)行烘干，使用焊條直徑為Φ3.2 mm，電源電流采用直流反接，控制在350～380 A，焊接電壓在30～32 V，焊接速度大于等于22 m·h-1。

焊接時應(yīng)先對焊材進(jìn)行烘干，對基材厚度較厚的進(jìn)行預(yù)熱，合理控制好預(yù)熱溫度，一般預(yù)熱溫度為≥15 ℃，并且在坡口兩邊寬度150 mm處進(jìn)行預(yù)熱，在焊接過程中嚴(yán)格控制焊接過程中層間溫度，定期進(jìn)行測溫，層間溫度控制在15～100 ℃，并做好探傷。

3.2 注意事項

焊前檢查焊材牌號及規(guī)格，保證焊材處于烘干狀態(tài)及干凈。

坡口嚴(yán)格按照焊接工藝尺寸進(jìn)行加工，并且在加工坡口的同時注意不銹鋼表面的保護(hù)。

坡口機加工后進(jìn)行除油、除銹。

一面焊接完后，反面清根處理時采用等離子氣刨清根，禁止采用碳弧氣刨清根，并對清根后坡口進(jìn)行打磨。

最后焊接完后，保證焊縫與母材齊平。

焊縫內(nèi)、外表面在焊接前在焊縫兩邊150 mm范圍內(nèi)涂抹白堊粉，防止飛濺。

4 結(jié) 論

壓力容器是危險性較大的特種設(shè)備，一旦出現(xiàn)事故將會帶來不可估量的損失，因此奧氏體不銹鋼壓力容器在制造中應(yīng)嚴(yán)格對每一道工序進(jìn)行把關(guān)，由于奧氏體不銹鋼的特殊性能，近些年奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)用范圍越來越廣，尤其對它的制造工藝以及防護(hù)技術(shù)格外關(guān)注，切實有效的策略是確保奧氏體不銹鋼壓力容器的制造質(zhì)量和運行安全的前提，尤其在每一個工序上都應(yīng)該嚴(yán)格把關(guān)。在制造過程中形成隔離帶盡可能地避免奧氏體不銹鋼與鐵離子、氯離子、碳鋼以及低合金鋼的接觸。在焊接過程中應(yīng)先進(jìn)行評定合格，采取最適合該設(shè)備的焊接工藝；在裝配制造工藝中，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及制造工藝控制幾何尺寸，絕對不能強力組裝。