廢氣處理燃燒爐爐殼裂紋原因分析及焊接修復

朱 寧,何耀飛,梁恩榮,池 寧

(攀鋼集團焊工培訓中心,四川攀枝花 617023)

廢氣處理燃燒爐爐殼裂紋原因分析及焊接修復

朱 寧,何耀飛,梁恩榮,池 寧

(攀鋼集團焊工培訓中心,四川攀枝花 617023)

針對材質為0Cr18Ni9的奧氏體不銹鋼燃燒爐,對在高溫環境使用時產生裂紋的原因及焊接性能進行分析,通過選擇合適的焊接材料和制定合理的工藝措施,成功地修復了裂紋缺陷,保證了0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼燃燒爐的高溫使用性能和要求。

奧氏體不銹鋼;裂紋原因;焊接材料選擇;工藝及措施

1 引言

西昌衛星發射基地用于發射運載火箭的高燃值燃料,燃燒后產生的廢氣是有害氣體,必須吸收到燃燒爐內進行回燒處理。燃燒爐的整體外殼是用0Cr18Ni9不銹鋼材料組裝的雙層焊接而成,每層厚8 mm,殼體最大外徑φ1500 mm,層間通冷卻水,工作時外殼溫度達500～900℃。由于在高溫下長期使用,兩座燃燒爐殼體內外焊縫處及近縫區出現多處裂紋(見圖1所示),造成漏水、漏氣現象,無法繼續使用,嚴重影響運載火箭的發射工作,要求及時對裂紋進行修復處理。之前采取的是選擇與0Cr18Ni9不銹鋼成分和性能相匹配的A102焊條,對其中一座燃燒爐的裂紋處進行了焊接修復,但使用一段時間后,又在原修復處及近縫區產生新的裂紋。為確保焊接修復質量,對裂紋產生的原因進行分析,選擇合適的焊接材料和合理的工藝及措施進行焊接,保證燃燒爐的使用性能和要求。

2 裂紋原因分析

2.1 腐蝕的影響

燃燒爐爐殼的層間用于冷卻的自來水,每次工作完后沒有放出,經自來水廠的每年檢測數據分析,水中氯離子的平均含量較高(大于25 mg/L)。根據Cl-對金屬材料的腐蝕機理[1],任何金屬材料都不同程度的存在非金屬夾雜物,如硫化物、氧化物等,這些在材料表面的非金屬化合物,在Cl-的腐蝕作用下將很快形成坑點腐蝕形態。對于0Cr18Ni9不含Mo的不銹鋼材料,雖然表面具有較致密的氧化膜,在靜止的水中氯離子容易吸附在不銹鋼表面的氧化膜上,產生坑點腐蝕現象,從而誘導應力腐蝕,在有應力的作用下,易導致裂紋產生。Mo能有效提高不銹鋼表面的鈍化和再鈍化能力[2],如果鋼中含有一定量的Mo(大于或等于3%)時,能充分阻止Cl-向材料基體的滲透作用,提高材料的耐腐蝕性能。

圖1 焊縫及近縫區裂紋

2.2 母材和焊縫中鐵素體含量的影響

由于燃燒爐長期在高溫下工作(500～900℃),如果奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量偏高(超過5%),會產生脆性相,從而導致材料的性能變化。鐵素體在500～925℃溫度范圍內長時間時效會產生一種Fe-Cr金屬間化合物[3],使金屬在熱態時變脆,稱為σ相脆性。σ相硬而脆(硬度大于68 HRC),可顯著降低鋼的塑性和韌性。

因不銹鋼中鉻是鐵素體形成元素,鎳是奧氏體形成元素,如果焊接材料的選擇不合適,焊縫熔敷金屬冷卻過程中也會產生一定量的鐵素體。通過下列WRC-1992組織圖(見圖2所示)的鉻、鎳當量值來比較精確地預測不銹鋼金屬和焊縫熔敷金屬的鐵素體含量[2]。

圖2 WRC-1992組織圖

燃燒爐爐殼0Cr18Ni9屬18-8型奧氏體不銹鋼,它具有良好的耐腐蝕性、耐熱性和塑性,其化學成分和性能見表1、表2所示[2]。

根據WRC圖中鉻、鎳當量公式:

表1 化學成分

表2 機械和物理性能

按公式1和2分別計算出0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的鉻、鎳當量值為W(Cr)當量=17%～19%和 W(Ni)當量=10.1%～13.1%,在圖中a～b點位置,顯示鐵素體含量約為2%～4%。采用化學成分和性能相匹配的A102焊條焊接時(化學成分和力學性能見表3、表4所示)[2],焊接材料與母材金屬熔合后形成的焊縫金屬將發生一定的成分變化,應先按公式3計算出焊縫中主要合金元素的含量[1],再通過公式1和公式2計算出焊縫熔敷金屬中鉻、鎳當量的值。

表3 熔敷金屬化學成分

表4 熔敷金屬力學性能

計算焊縫金屬中某合金元素的實際含量W(Mw)公式:

式中:W(Mb)—該元素在母材中的質量分數,%;

W(Md)—焊接材料的熔敷金屬中該元素的實際質量分數,%;

θ—熔合比(被熔化的金屬母材所占焊縫金屬的百分比,焊接方法中手工焊條電弧焊的熔化比為30%～35%。

根據公式3計算出采用A102焊條焊接后,焊縫金屬中主要合金元素成分的含量為:

Cr=19.3%～19.4%;

Ni=9.65%～9.7%;

Mo=0.485%～0.525%;

C=0.0765%～0.077%。

然后再依據焊縫中的合金元素的含量,根據公式1和2計算出焊縫熔敷金屬中鉻、鎳當量值分別為:

W(Cr)當量=19.785%～19.925%;

W(Ni)當量=11.945%～12.01%。

在WRC圖中顯示c～d點位置,鐵素體含量約為8%～9%。由于焊縫熔敷金屬組織中鐵素體含量大于5%,在高溫下長期使用時,就易產生σ脆性相,在應力的作用下會導致裂紋的產生。

2.3 焊接應力的影響

奧氏體不銹鋼導熱系數小(約為低碳鋼的1/ 2)[1],線膨脹系數大(比低碳鋼大50%左右),在焊接局部加熱和冷卻條件下,接頭在冷卻過程中會形成較大的焊接應力,是導致裂紋的主要原因之一。

3 焊接性能分析

奧氏體不銹鋼焊接時的主要問題是焊接裂紋和耐蝕性。

3.1 焊接裂紋

奧氏體不銹鋼的焊接裂紋主要是熱裂紋,在熱影響區產生液化裂紋和焊縫中產生結晶裂紋[1]。奧氏體不銹鋼的物理特性是熱導率小、線膨脹系數大,在焊接局部加熱和冷卻條件下,焊接接頭部位的高溫停留時間較長,焊縫金屬及近縫區在高溫承受較高的拉伸應力與拉伸應變,當有低熔點共晶體存在時,就易在焊縫中產生熱裂紋。因此應降低焊接過程中的應力值和收弧時填滿弧坑[3]。

3.2 耐腐蝕性

(1)孔腐蝕。主要與腐蝕介質中含有Cl-離子破壞鈍化層有關[1]。防止措施:在鋼中加入一定量的Mo元素,可提高耐孔腐蝕、耐縫隙腐蝕的性能[3]。

(2)應力腐蝕。主要與內、外應力有關。焊接時應采取合理的工藝及措施,把應力控制在最小;另一方面在焊縫中形成一定數量的鐵素體組織,使鐵素體阻礙裂紋的擴展,從而提高焊縫金屬抗應力腐蝕的能力[3]。

(3)晶間腐蝕。產生晶間腐蝕的敏化溫度在450～850℃范圍的區域[1],對于不含穩定性元素的0Cr18Ni9不銹鋼在此溫度區內停留時間過長,就易產生晶間腐蝕,原因是奧氏體晶界析出碳化鉻造成晶界貧鉻所致,在有應力作用時就會沿晶界開裂。為防止焊接接頭的晶間腐蝕,可采取降低不銹鋼中含碳量、形成含有一定量鐵素體的雙相組織,焊接工藝上采用較小的焊接熱輸入,加快冷卻速度等[3]。

4 焊接材料的選擇

不銹鋼焊接材料的選擇,原則上是根據母材的化學成分和性能,選擇相匹配的材料。但在某些情況下,如高溫條件下使用,需要焊縫中含有一定量的鐵素體組織,來保證焊縫金屬的耐蝕性能及抗裂性能,此時應選擇主要合金成分含量高于母材和其中含有一定量的有益元素的焊接材料[2]。

針對燃燒爐爐殼的0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼,它在高溫環境條件下的使用性能要求,焊縫中須含有合適數量的鐵素體和一定的鉬含量,以保證高溫耐蝕性和抗裂性。經多種奧氏體不銹鋼焊接材料與0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接后,綜合分析和計算焊縫中約產生的鐵素體量為:A022(6%～7%)、A132 (約12%)、A202(約7%)、A312(約14%)、A402 (0%～0.3%)、A412(3%～4%)、A507(純奧氏體組織)等,最終選擇A412奧氏體不銹鋼焊條來焊補修復裂紋缺陷。A 412焊條熔敷金屬化學成分和力學性能見表5、6所示[2]。

從表5中可看出,A412焊條中多項元素成分明顯高于母材,在焊接過程中被熔化的母材金屬進入焊縫,與成分高的元素混合后有稀釋現象,使熔敷金屬的成分發生了變化,焊縫形成的是與母材和焊條不同的成分組織。

最后通過計算出A412焊條焊接0Cr18Ni9不銹鋼熔敷金屬中的鉻、鎳當量值在WRC圖上確定焊縫中鐵素體含量約為3%～4%,圖中e～f點位置。用于高溫條件下使用的奧氏體不銹鋼焊接時,焊縫中含有3%～4%鐵素體含量是比較理想的[2],并且含有約3%的鉬,它即可保證焊縫有良好的抗裂性,又有很好的抗腐蝕性能。

表5 熔敷金屬化學成分

表6 熔敷金屬力學性能

5 焊接工藝及措施

5.1 焊前準備

(1)先用φ8 mm的合金鉆頭在距裂紋末端10 mm處鉆止裂孔,以防裂紋繼續伸長和擴展。

(2)選擇角向砂輪機來清除裂紋缺陷,并修磨成U型坡口形狀。然后經著色檢驗無缺陷后,再將坡口兩側30 mm范圍內的油、銹等清理干凈。在保證缺陷徹底清除的前提下,坡口的寬度盡量要小,以減小焊接收縮應力。

(3)施焊前焊條按規定要求進行烘干,并放在100℃的保溫筒內隨用隨取。

5.2 焊接要點

(1)焊接時選擇直流焊接電源,反極性。采用小的焊接電流,焊條不作橫向擺動,短弧操作,在熔合良好的情況下提高焊接速度,以減少熱輸入量,降低應力產生。焊接工藝參數見表7所示。

(2)采取多道焊。每一道又分兩段或3段(短焊縫兩段,長焊縫3段)進行退焊,中間接頭處應錯開至少30 mm,使整條焊縫盡量受熱均勻,防止應力集中,以使應力分布較均勻,見圖3所示。

表7 焊接工藝參數

圖3 分段退焊

(3)每焊完一段后立即用帶圓頭的小錘進行錘擊(錘重0.5 kg,錘頭圓弧直徑φ5 mm),先錘擊焊道中部,再錘擊焊道兩側,達到布滿麻點為止,以消除部分應力和改拉應力為壓應力。錘擊后用10倍的放大鏡檢查表面,確認無缺陷后繼續施焊。

(4)焊接過程中控制層間溫度應小于100℃,以防焊縫和熱影響區晶粒長大及碳化物析出。

6 焊后檢驗和表面處理

(1)焊接接頭冷卻到室溫后檢查焊縫表面無氣孔、夾渣、咬邊等缺陷。

(2)用角向砂輪機修磨焊縫表面余高與原焊縫表面齊平并與邊緣熔合處圓滑過渡。

(3)在焊縫表面及周圍進行著色檢驗未發現有裂紋出現。

7 結束語

針對高溫條件下使用的0Cr18Ni9不銹鋼產生的裂紋缺陷,選擇含有Mo的A412焊條,結合采取適合的工藝及措施進行焊接修復,增強了焊接接頭的高溫耐蝕性和抗裂性。

長期在高溫條件下使用的奧氏體不銹鋼缺陷焊接修復時,可通過計算焊縫熔敷金屬中所需求合適的鐵素體含量,來選擇較合理的焊接材料,以保證奧氏體不銹鋼焊接接頭的高溫性能要求。

[1] 中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊(第二卷.材料的焊接)[M].北京:機械工業出版社,2001.

[2] 中國特鋼企業協會不銹鋼分會編.不銹鋼實用手冊[M].北京:中國科學技術出版社,2003.

[3] 機械工業部統編.中級電焊工工藝學[M].北京:機械工業出版社,2000.

[4] 姚勇.奧氏體不銹鋼在Cl-介質中使用的腐蝕危害[J].特種設備安全技術,2006(3):46-48.

Analysis to the Cause of Cracks on the Exhaust Gas Treatment Burner and Welding Repair

ZHU Ning,HE Yaofei,LIANG Enrong,CHI Ning
(Pangang Group Welder Training Center,Panzhihua 617023,Sichuan,China)

According to the analysis to the cause of cracks on the austenitic stainless steel burners which is made from 0Cr18Ni9 and the welding performance under the high temperature as well as the selection of the proper welding materials and appropriate technological measures,the disadvantages of cracks have been repaired and the performance and requirement of 0Cr18Ni9 austenitic stainless steel burners under the high temperature have been guaranteed.

austenitic stainless steel,the cause of cracks,selection of welding material,technology and measures

TG457.11

A

1001-5108(2017)01-0040-05

朱寧,焊工高級技師、國際焊接技師,從事焊接工藝及焊接技術培訓工作。