化學品船雙相不銹鋼的建造工藝研究

丁振

摘要：雙相不銹鋼憑借著優良的耐腐蝕性能和力學性能，成為化學品船貨艙區域的首選。但是雙相不銹鋼本身卻十分“嬌貴”：容易被碳鋼污染，鈍化膜容易被破壞，在海水中容易發生點腐蝕等。本文對雙相不銹鋼的焊接、酸洗鈍化以及壓載艙不銹鋼面的涂層的建造工藝進行研究。

關鍵詞：雙相不銹鋼；焊接；酸洗鈍化；壓載艙；涂層

中圖分類號：U674.31 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）3-0042-04

隨著化學品運輸業的不斷發展，高技術含量、高附加值的雙相不銹鋼化學品船越來越受到船東的青睞。盡管一次建造成本較高，但是雙相不銹鋼憑借著優良的耐腐蝕性能和力學性能，成為化學品船貨艙的首選。其中雙相不銹鋼的焊接、酸洗鈍化以及壓載艙不銹鋼面的涂層保護是整個建造工藝的重中之重。

1 雙相不銹鋼的特點以及相平衡

在雙相不銹鋼的固溶組織中，奧氏體和鐵素體各約占50%。圖1和圖2為焊縫區和熱影響區的組織照片，其中γ為奧氏體組織，α為鐵素體組織.奧氏體組織以長條狀或孤島狀分布在鐵素體基體上。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點。

雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比，屈服強度更高，耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕能力更強。同等載重下，雙相不銹鋼耗材少，能減少空船重量。同時，與鐵素體不銹鋼相比，塑性、韌性以及焊接性能顯著提高。分析其原因：①鐵素體相中的裂紋由于奧氏體相的存在，擴展速率顯著下降；②C、N等元素在奧氏體相中更容易溶解，碳化物和氮化物在不銹鋼焊接過程不易析出，同時能抑制鐵素體晶粒變大。

某船廠在建化學品船使用的是2205雙相不銹鋼。這是第二代雙相不銹鋼的典型代表，其化學成分和力學性能見表1、表2。

雙相不銹鋼中奧氏體相和鐵素體相的比例以及分布狀態決定了其性能。在焊接加熱過程中，隨著溫度的升高，奧氏體逐步向鐵素體轉變。而在冷卻過程中，鐵素體又轉變為奧氏體。在高溫區，奧氏體能夠完全溶于鐵素體中。但是在冷卻階段，鐵素體的轉變卻是不完全的。如何控制好雙相的比例，是焊接過程中需要重點考慮的。

2焊接過程控制

2.1 焊前保護措施

雙相不銹鋼一旦受到污染，其保護膜容易受到破壞。因此焊前保護十分重要。在不銹鋼儲存時，需要與碳鋼材料和粉塵隔離，如圖3。原則上所有不銹鋼材料均要求在室內存放，并且防塵、防潮。在不銹鋼存放區域需要墊上木頭，防止不銹鋼與地面之間產生劃傷。不銹鋼表面需要保持干燥，無油，無脂，無碳鋼接觸。不銹鋼運輸時，所有與不銹鋼接觸的工裝治具、加強等均要求為不銹鋼材質。如果有吊耳焊接在不銹鋼板上用于運輸，需要注意：吊耳與不銹鋼直接接觸的地方需采用不銹鋼制作，如圖4。吊耳盡可能少的安裝。吊耳需采用等離子切割機進行切割，采用等離子氣刨處理；切割吊耳時，四周的不銹鋼需要特別的保護。切割加工采用氮氣或氬氫氣等離子切割，不使用火焰切割方式。

不銹鋼焊前需清潔焊道，去除油、水、垃圾、銹等。坡口使用專用不銹鋼砂輪片進行打磨。焊接開始前，坡口必須保持清潔。定位焊可以采用手工焊或者氣體保護焊，應該避免處于焊接開始的位置。采用無襯墊焊接時，定位焊需在反面，翻身后焊接前定位焊打磨（氣刨或等離子）。采用單面有襯墊焊接時，不建議用定位焊，建議背面加馬板。定位焊的數量應盡可能得少，且定位焊縫應具有足夠的高度。定位焊的質量應與施焊的焊縫質量相同。對接焊縫的兩端要裝配引、熄弧板，防止端部焊接缺陷的產生。推薦定位焊縫的長度為30mm-50mm，定位焊縫間距在250-350mm之間。

2.2 焊接材料

在整個焊接過程中，鐵素體比例顯著增大。因此需要選擇奧氏體占比大的焊接材料，從而保證焊縫具有雙相不銹鋼的優點。N、Ni、Cr元素都可以在焊接冷卻過程中，促進鐵素體向奧氏體轉變。同時N元素還可以提高焊接接頭的耐腐蝕性能。雙相不銹鋼的焊材中，Ni含量一般比母材高2%-4%，而N含量與母材相同。

某船廠在雙相不銹鋼埋弧焊中使用的是ER2209焊絲，其化學成分見表3。

2.3 焊接作業

雙相不銹鋼的焊接一般采用多層多道焊。后續的焊接對之前的焊縫以及熱影響區起到了固溶處理的作用，促進焊縫中奧氏體的形成。同時還能改善焊接熱影響區的雙相比例，提高焊接接頭的性能。多層多道焊時，要注意層間的打磨。接觸腐蝕介質的焊縫一般優先焊接。同樣利用后續焊接的固溶作用，使接近腐蝕介質的焊縫以及熱影響區奧氏體轉變更充分，減少表面裂紋的產生。

焊接采用過高的線能量時，雖然冷卻速度較慢，能促使鐵素體更多地向奧氏體轉變，但是鐵素體晶粒容易變大，容易析出有害的金屬間化合物，焊縫韌性下降。而采用低線能量時，奧氏體的轉變會大大減少，影響兩相比例。為了得到最佳的焊接接頭組織，保證在焊縫中奧氏體的再次形成，需要根據板厚以及焊接方法合理地控制熱輸入量（0.5-2.5kJ/cm）。同時最高層間溫度一般在150℃左右為宜。

雙相不銹鋼焊接作業時，還需要注意：不能在母材上進行引弧，不能在焊縫上試焊；不可以選用銅襯墊；焊條和焊劑在使用前應嚴格按照制造商推薦的程序和溫度進行烘焙；任何情況下，保護氣體中不應含有氫元素；所有使用的工具應滿足不銹鋼保護的要求；焊接時應保證電弧穩定、快速的直線移動，避免左右擺動應盡可能地減少焊接修補量；火工矯正的方法不適用于雙相不銹鋼的變形控制，可采用適當的外力矯正；焊接結束后，需立即打磨熄弧處的熱裂紋、縮孔等缺陷；背面清根方法只能采用等離子弧氣刨或砂輪磨刨，禁止采用碳弧氣刨。

2.4 焊接變形的控制

雙相不銹鋼的熱膨脹系數較高，而其熱傳導率較低。這導致焊接接頭區域在焊后會有較大的殘余應力。雙相不銹鋼有較大的屈服強度，其選用的板厚相對較薄，因此引起的焊接變形往往較大。對不銹鋼焊接變形的控制要貫穿整個裝配焊接過程。endprint

裝配時，采用反變形法。焊接前，對焊后可能產生的變形進行預估。對鋼板以及構件提前進行反向的變形處理。在焊縫附近易發生變形的區域進行剛性固定。但是需要注意，外加的剛性約束不能直接焊在不銹鋼上。

焊接時，首先要嚴格控制熱輸入量。這除了能改善不銹鋼焊接接頭的兩相比例，還能避免高熱輸入量引起較大的焊接變形。同理，焊腳高度也不能過大，要嚴格按照焊接規格表的要求進行控制。復雜結構的焊接，盡量從中間向四周擴散焊接。對稱結構還應由雙數的焊工對稱施焊。對于較長的焊縫，還應考慮使用分布退焊法等方法來減少焊接變形。

2.5焊后質量控制

固溶熱處理是指將不銹鋼加熱到1100℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使碳達到過飽和狀態。焊后經過固溶處理后，焊接接頭奧氏體含量明顯增加，晶粒更加細小，韌性、抗沖擊性和抗點蝕能力明顯增強。焊接接頭組織性能得到提升。但是固溶處理要求很高，一般船廠很難做到。雙相不銹鋼焊后一般也不進行熱處理。

無損檢測是不銹鋼焊后重要的質量控制方法。焊縫的內部質量可采用射線或其他適當的方法進行無損檢測。必要時有些焊縫應增加適當數量的滲透檢測。

所有焊縫應進行外觀檢查。焊縫表面應成型均勻，并平緩的向兩側過渡，無過大的余高，焊縫表面不應有裂紋、氣孔、未填滿、單面焊根部未焊透、焊瘤和咬邊等缺陷。焊后打磨需要注意打磨片不能含鐵元素。用于不銹鋼的打磨片需要采用專門的標記。

對需要修補部位周圍的區域用適當的方式加以保護，防止飛濺等傷害不需修補的區域。根據缺陷的性質、長度、寬度、深度，采用打磨或等離子氣刨的方法，徹底清除缺陷，直到缺陷完全消除，必要時可采用滲透探傷方法確認。將補焊部位的坡口打磨成U 型，確保寬度大于深度，對坡口兩側50mm 范圍內需進行清潔，必要時可用丙酮清洗焊縫。補焊的長度不小于30-50mm，不允許出現點焊修補。修補焊接和正常焊接一樣，不得在焊縫以外的區域引弧。根據缺陷清除后坡口的深淺決定修補的層次和焊道，最高層間溫度需控制在150℃左右。

3 雙相不銹鋼的酸洗鈍化

在雙相不銹鋼化學品船的建造過程中，貨艙內表面不可避免地存在油污、劃傷等缺陷。通過酸洗鈍化，可以消除不銹鋼表面缺陷，并形成一層致密的保護膜。這極大地提高了雙相不銹鋼貨艙的耐腐蝕性能。

3.1 不銹鋼酸洗鈍化原理

酸洗鈍化的目的是把不銹鋼表面輕微地腐蝕掉一層，去除表面無關的金屬污物，使不銹鋼表面富集鉻元素。酸洗鈍化后不銹鋼的表面形成一層高質量的鈍化保護層，與腐蝕介質隔離開，大大降低了腐蝕速度，從而達到耐腐蝕的目的。但是腐蝕仍在緩慢地進行。例如氯離子會逐漸破壞鈍化膜。

酸洗鈍化過程中，不銹鋼表面有大約10μm厚度被酸液腐蝕掉。不銹鋼表面的缺陷更容易溶解，這也使整個不銹鋼表面更加平整。另外，鐵的氧化物與鉻的氧化物相比更容易溶于酸中。這樣鉻的氧化物便富集在不銹鋼表面，形成一層極薄的（約1nm）、致密的富鉻鈍化膜。其反應方程如下：

富鉻鈍化膜主要由CrO3、FeO與NiO組成。該層鈍化膜電位極高，幾乎不與腐蝕介質反應。它將不銹鋼與腐蝕介質隔離，從而使腐蝕速度大幅度下降。

3.2 酸洗鈍化工藝流程

開始酸洗鈍化前，應確認所有的泵、閥門以及貨艙的清洗系統可用。對貨艙進行清洗，利用貨艙泵排出洗艙淡水，隨后開始除油。利用加熱盤管將除油劑的溫度控制在60℃左右，通過貨油泵和洗艙機組合。如圖7、8所示，貨油泵抽出除油劑，打開盲板，通過軟管連接到洗艙機，循環清洗貨艙約2小時。泵出除油劑，用淡水沖洗，檢查除油效果。若水在整個不銹鋼表面形成均勻的水膜，則表示除油合格。

除油結束后，內部循環酸洗鈍化所有液貨艙、貨油輸送及其相關系統。酸洗液主要由水、氫氟酸和硝酸組成。酸洗鈍化過程與上圖類似。酸洗液要足量，以保證貨油泵與洗艙機的循環洗艙。酸洗液溫度超過5度即可。現場酸洗液的循環一般是兩個貨艙同時進行。循環結束后，酸洗液轉駁到后面的貨艙，在此過程中需不斷添加酸洗液進去，以保證濃度。當所有艙室酸洗結束后，立即用淡水洗艙，同時需向艙內通風。在洗艙過程中產生的酸液濃煙，如果不能及時排出，會使不銹鋼內表面發黃。在此過程中，當艙內的淡水PH值達到6-7即可停止洗艙。洗艙結束需即刻干艙。

不銹鋼酸洗鈍化后表面呈均勻的銀白色，如圖9。某船廠采用不銹鋼鈍化檢測儀對鈍化效果進行檢測，如圖10。

通常也可以使用藍點檢驗法驗證鈍化膜的質量。藍點檢驗法使用的是蒸餾水、鐵氰化鉀與濃硝酸的混合溶液。鈍化膜不完整時，表面存在鐵離子，與鐵氰化鉀發生反應。反應式如下：

4 基于PSPC的壓載艙不銹鋼面的涂層保護

與其他船舶壓載艙不同，雙相不銹鋼化學品船的壓載艙主要由高強鋼組成，但是其與貨艙的邊界是雙相不銹鋼。該邊界不宜與碳鋼接觸。因此壓載艙不銹鋼面的涂層保護需要特別注意。

4.1 不銹鋼壓載艙的沖砂工藝

壓載艙的高強鋼首先需要進行拋丸處理，并噴涂底漆。而壓載艙內的不銹鋼面不需要進行預處理，但要做好保護措施。

化學品船要求壓載艙內要求使用銹蝕等級為A或B的鋼板，粗糙度在40-75um之間。壓載艙內表面應加以處理，打磨焊道，去除毛邊、焊接飛濺和其他表面污染物，保證涂層均勻，達到所要求的名義干膜厚度和有足夠的附著力。涂裝前邊緣應處理成半徑至少為3mm的圓角，或經過三次打磨或至少經過等效的先處理。其他缺陷必須根據ISO 8501-3標準進行修補。

沖砂磨料的選取十分重要。高強鋼部分一般選用鋼丸和鋼絲丸混合磨料。不銹鋼部分一般選用棕剛玉磨料或者石榴石非金屬磨料。鐵鋁石榴石由天然礦石加工而成，化學穩定、硬度適中（6.5-8.0），是高檔天然磨料。石榴石磨料沖砂后的粗糙度比棕剛玉磨料高。這樣噴涂油漆時可以分布更均勻。石榴石磨料沖砂時排放的粉塵更少，提高沖砂時的能見度。endprint

由于高強鋼和不銹鋼的沖砂磨料不同，為了防止相互污染，二者的沖砂應該分開進行。當相對濕度大于75%或鋼材表面溫度低于5℃，不能進行沖砂。磨料的尺寸及類型的選擇需基于鋼板的類型、等級及表面條件。磨料不能有油及其他污染。在加入新磨料之前，需按照ISO 11125對磨料取樣檢測，含氯最大允許值為250us/cm。導電率參照ISO 11127-6。

為了避免高強鋼沖砂時對不銹鋼的污染，在高強鋼距離不銹鋼50cm的區域內停止沖砂，改用動力工具處理，處理后的表面粗糙度應與沖砂后效果一致，在30-75um之間。高強鋼沖砂時，不銹鋼置于上方。同時，不銹鋼的表面用三防布進行保護。沖砂完成后如圖11所示。

4.2 壓載艙不銹鋼的涂裝

壓載艙不銹鋼的涂裝與高強鋼相似。涂裝開始前，需進行條件檢查。當相對濕度超過85%或表面溫度低于露點溫度3℃時，不能進行涂裝。清除灰塵、污泥和油脂。在施工過程中以及完成后的一段時間內須保持通風。

一般情況下，采用無氣噴涂。該噴涂方法不含有壓縮空氣，對環境污染輕，噴涂效率高。每度涂層的濕膜厚由油漆工進行檢查以達到指定干膜厚度的目的。涂層施工后需測量干膜厚度，總膜厚在最后一度施工后得到確認。名義干膜厚度320um。干膜厚度的測量通常使用磁性或電子測膜儀。驗收標準應符合90/10檢驗規則，即90%的測定值應達到規定的名義干膜厚度，允許10%測定值偏低，但是必須大于名義干膜厚度的90%。涂層厚度也不能超過標準，以防止龜裂。涂裝缺陷通常有：氣泡、復涂間隔超期、顏色變暗、開裂、脫皮、流掛。缺陷清除修補后需要達到指定的膜厚。涂裝完成后如圖12所示。

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