1CR18NI9TI不銹鋼管的泄漏及控制方案

吳志亞

(無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214151)

0 前言

某食品公司有一段回收管道采用φ154 mm×11 mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼管材，管道壓力約為2 MPa，屬于Ⅱ類壓力容器。此管道在使用過程中在仰焊焊縫處發(fā)生泄漏。發(fā)生泄漏后，由焊工對(duì)泄漏處進(jìn)行焊補(bǔ)，第一次補(bǔ)焊如圖1所示，焊補(bǔ)后，在旁邊又發(fā)生泄漏，重新補(bǔ)焊，結(jié)果是被補(bǔ)焊處泄漏更嚴(yán)重，如圖2所示。

出現(xiàn)問題后，有人建議將回收管道換為聚乙烯塑料管，但是由于回收管道中的物質(zhì)是可以回收再利用制成食品的，用聚乙烯塑料管替換不銹鋼管并不適合。如何防止不銹鋼管泄漏的發(fā)生呢?發(fā)生泄漏后又該采用怎樣的措施進(jìn)行焊補(bǔ)呢?

圖1 第一次補(bǔ)焊

1 泄漏分析

1.1 材料化學(xué)成分及力學(xué)性能

我國的1Cr18Ni9Ti相當(dāng)于美國AISI321、日本(JIS)SUS321、法國(NF)Z10CNT18.10、德國(DIN)X12CrNiTi18.9、前蘇聯(lián)(TOCT)12X18H9T。其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

圖2 重新補(bǔ)焊

1.2 焊接性能

1Cr18Ni9Ti不銹鋼管具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，在任何溫度下都不發(fā)生相變，室溫下塑韌性良好，無淬硬傾向，對(duì)氫也不敏感，焊接接頭在焊接狀態(tài)下具有較好的塑性和韌性，所以與其他類型的不銹鋼相比其焊接性良好。但在焊接材料選擇不合適或焊接工藝制定不合理時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下主要問題:(1)焊縫及熱影響區(qū)熱裂紋敏感性大;(2)接頭產(chǎn)生碳化鉻沉淀析出，耐蝕性下降;(3)接頭中鐵素體含量高時(shí)，可能出現(xiàn)475℃脆性或σ相脆化，嚴(yán)重影響1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼焊接接頭的質(zhì)量;(4)1Cr18Ni9Ti不銹鋼熱膨脹率、導(dǎo)電率均與碳鋼及低合金鋼差別較大，且熔池流動(dòng)性差，成形較差。

表1 1Cr18Ni9Ti鋼的化學(xué)成分 %

表2 1Cr18Ni9Ti鋼的力學(xué)性能

1.3 接頭腐蝕分析

1Cr18Ni9Ti不銹鋼焊接后會(huì)明顯降低接頭耐蝕性。影響最大的是晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂。

(1)晶間腐蝕。焊接時(shí)，焊縫熱影響區(qū)在450℃～850℃的敏化溫度區(qū)間內(nèi)停留一定時(shí)間后，在奧氏體晶粒邊界上生成大量的碳化鉻(Cr23C6)，造成晶粒表層區(qū)域的w(Cr)下降到耐腐蝕所要求的極限值12.5%，即形成貧Cr區(qū)，當(dāng)與腐蝕介質(zhì)接觸時(shí)易被侵蝕，并迅速向縱深發(fā)展，晶粒間的聯(lián)系和結(jié)合被破壞，導(dǎo)致晶間腐蝕，最終破壞焊件［1］。

防止措施:選用含Ti、Nb等穩(wěn)定劑的奧氏體焊接材料，也可選用超低碳焊材;采用超低碳奧氏體不銹鋼母材;采用焊縫有少量鐵素體組織的填充材料;焊接工藝上選用較小的焊接熱輸入，快速冷卻。

(2)應(yīng)力腐蝕開裂。金屬在應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下所發(fā)生的腐蝕破壞叫做應(yīng)力腐蝕開裂。自從不銹鋼的晶間腐蝕在理論與實(shí)踐上得到較好解決后，應(yīng)力腐蝕開裂逐漸成為不銹鋼腐蝕破壞中最突出的問題。在使用條件下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素很多，包括鋼的成分、組織和狀態(tài)，介質(zhì)的種類、溫度、濃度，應(yīng)力的性質(zhì)、大小及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。

防止措施:(1)正確選用材料。根據(jù)介質(zhì)特性選用對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂敏感性低的材料，例如:高純鉻-鎳奧氏體不銹鋼、高硅鉻-鎳奧氏體不銹鋼等。(2)消除產(chǎn)品的殘余應(yīng)力。采取消除應(yīng)力熱處理及用機(jī)械的方法降低表面殘余應(yīng)力。(3)對(duì)材料進(jìn)行防蝕處理。通過電鍍、噴鍍、襯里等方法，用金屬或非金屬覆蓋層將金屬與腐蝕介質(zhì)隔離。(4)改進(jìn)部件結(jié)構(gòu)及接頭設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)的不合理，往往會(huì)形成較大的應(yīng)力集中或在制造中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。有時(shí)由于設(shè)備或容器中留有縫隙，引起腐蝕介質(zhì)的停滯、聚集或局部過熱現(xiàn)象。

1.4 防止接頭耐蝕性的方法

(1)選用優(yōu)質(zhì)的奧氏體不銹鋼母材和超低碳或加入穩(wěn)定化學(xué)元素的焊接材料，嚴(yán)格控制C、Si、P等有害元素的含量。(2)合理設(shè)計(jì)坡口形式和尺寸，減小熔合化。選擇合理的接頭形式、焊縫布局、焊接順序，保證裝配間隙均勻一致，避免強(qiáng)制組裝定位，以減小接頭剛度和焊接應(yīng)力。(3)焊接時(shí)盡量采用小規(guī)范——小電流、快速焊、窄道焊，以減小焊接熱輸入，加快焊接區(qū)的冷卻速度，縮短焊接接頭在450℃～850℃溫度區(qū)間的停留時(shí)間。(4)采取多層焊接。每焊完一層，徹底清除焊渣，層間溫度低于100℃，焊后采取強(qiáng)制冷措施，加快接頭冷卻。

2 不銹鋼管的泄漏原因分析

1Cr18Ni9Ti不銹鋼焊縫發(fā)生的主要質(zhì)量問題是晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕破裂，也可不同程度出現(xiàn)腐蝕疲勞、焊縫腐蝕、點(diǎn)蝕和氫脆。在大多數(shù)情況下，不銹鋼發(fā)生腐蝕是多種腐蝕類型共同作用的結(jié)果。

食品回收管道的泄漏應(yīng)該為晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕作用下的開裂。判斷依據(jù):(1)食品回收液中含有較高濃度的氯離子。(2)管道加工和焊接過程中帶來了較大的殘余應(yīng)力，管內(nèi)0.3～0.5 MPa的壓力也會(huì)給管壁帶來一定的附加應(yīng)力，這些均為腐蝕開裂創(chuàng)造了條件。(3)管道工作溫度較好，加速了氯離子的腐蝕速度。因是食品管道，需要耐熱耐酸，對(duì)焊接接頭質(zhì)量要求高，內(nèi)表面要求成形良好，凸起適中，不內(nèi)凹［2］。

3 控制方案

目前在焊接1Cr18Ni9Ti不銹鋼時(shí)最常用的是焊條電弧焊和氬弧焊，補(bǔ)焊一般采用手弧焊。

3.1 焊前準(zhǔn)備

(1)補(bǔ)焊前特別要注意清洗腐蝕介質(zhì)，對(duì)設(shè)備泄漏處應(yīng)先用丙酮、酒精清洗除污，然后用大量清水清洗。需要注意的是不銹鋼對(duì)酸洗較敏感，易形成點(diǎn)蝕，因此酸洗應(yīng)慎用。(2)補(bǔ)焊前要用工具去除泄漏處焊縫(堆積焊瘤)，并修磨平滑。(3)補(bǔ)焊長度不應(yīng)小于100 mm，采用增強(qiáng)板補(bǔ)焊(打疤子)的尺寸應(yīng)大于100 mm×100 mm。(4)對(duì)于已產(chǎn)生的裂紋，補(bǔ)焊前應(yīng)用手錘輕輕錘擊裂紋區(qū)，便于消除殘余應(yīng)力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋發(fā)展的趨勢，然后在裂紋長度方向(包括裂紋分枝)各端點(diǎn)以外10～50 mm處鉆φ5～φ8 mm的止裂孔，其深度與坡口打磨深度相同。(5)根據(jù)焊縫情況打坡口。

3.2 焊條及焊機(jī)的選擇

(1)焊條的選擇。補(bǔ)焊時(shí)，因受到重復(fù)加熱會(huì)析出碳化物，使耐蝕性能和機(jī)械性能降低，因此，焊接時(shí)應(yīng)根據(jù)工件化學(xué)成分、介質(zhì)種類和工作溫度等合理選用焊條。為了提高抗裂性和耐蝕性，選用A122焊條，A122不銹鋼焊條是鈦鈣型藥皮不銹鋼焊條，交直流兩用，由于焊縫有較多的鐵素體組織，故具有優(yōu)良的抗熱裂性能和抗晶間腐蝕性能，為了防止焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔，須烘干焊條;對(duì)于鈦鈣型焊條，在150℃的條件下烘1～2 h。

(2)焊機(jī)的選擇。因交流焊接熔深較淺，焊條易發(fā)紅，盡可能采用直流焊機(jī)反接進(jìn)行焊接。

3.3 焊接工藝

(1)焊前預(yù)熱。焊前預(yù)熱可減小焊縫及熱影響區(qū)金屬溫差，還能減緩焊后冷卻速度，從而減小焊接應(yīng)力，一般預(yù)熱溫度控制在250℃ ～425℃。

(2)焊接過程。1Cr18Ni9Ti不銹鋼的可焊性較好，為防止焊接接頭在危險(xiǎn)溫度范圍內(nèi)(250℃ ～425℃)停留時(shí)間過長而產(chǎn)生晶間腐蝕，并防止接頭過熱而產(chǎn)生熱裂紋，焊接時(shí)采用快速焊和窄焊道。焊接過程中，不得在焊件上隨便引弧，地線與管道應(yīng)緊密接觸，以免破壞管道表面，影響抗腐蝕性能。焊條最好不作橫向擺動(dòng)，一次焊成的焊縫不宜超過焊條走絲的三倍，運(yùn)條要穩(wěn)，電弧不宜太長，收弧時(shí)填滿弧坑。

焊接電流應(yīng)比焊低碳鋼時(shí)低20%，一般按焊條走絲的25～35倍計(jì)算，電流大小參考表3選取［3］。

表3 焊條直徑與焊接電流的關(guān)系

多層焊接時(shí)，每焊完一層須徹底清除熔渣，并仔細(xì)檢查焊縫，確無缺陷，待前層焊縫冷卻后(小于60℃)再焊下一層，與腐蝕介質(zhì)接觸的焊縫應(yīng)盡量最后焊接。為防止因過熱而產(chǎn)生晶間腐蝕，焊接完后可采取強(qiáng)制冷卻措施，如水冷等。一般情況下，在空氣中自然冷卻也是可以的。

(3)焊后熱處理。結(jié)構(gòu)焊接或缺陷補(bǔ)焊是否需要焊后熱處理，應(yīng)根據(jù)材料特性、焊接條件、工件結(jié)構(gòu)、使用條件及圖樣要求等綜合考慮。熱處理步驟為:加熱溫度小于850℃，空冷，基本不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂;加熱到1100℃，水冷，進(jìn)行固溶處理，保溫時(shí)間按1～2 min/mm計(jì)算，可以提高抗晶間腐蝕能力;加熱到850℃ ～900℃，保溫4～6 h，空冷，穩(wěn)定化處理，可以提高使用穩(wěn)定性能。經(jīng)補(bǔ)焊及熱處理后的焊縫應(yīng)稍打磨一下補(bǔ)焊部位，使其表面光潔。

4 結(jié)論

1Cr18Ni9Ti不銹鋼管焊接時(shí)要選擇恰當(dāng)?shù)暮附硬牧虾凸に嚧胧乐咕чg腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂。若泄漏已發(fā)生，可選擇焊條電弧焊或氬弧焊補(bǔ)焊，焊條電弧焊補(bǔ)焊前做好清理工作，選擇適當(dāng)?shù)暮笚l，通過焊前預(yù)熱、焊后熱處理等措施，保證補(bǔ)焊質(zhì)量。

［1］楊兵兵.1Cr18Ni9Ti不銹鋼管道對(duì)接水平固定組合焊接［J］.熱加工工藝，2007，36(7):33-34.

［2］張國軍，唐厚喜.1Cr18Ni9Ti不銹鋼厚壁管全位置焊［J］.焊接，2008(1):65-67.

［3］徐進(jìn)明.化工廠不銹鋼設(shè)備腐蝕及補(bǔ)焊措施［J］.設(shè)備管理與維修，2007(3):20-22.