2205雙相不銹鋼在旋轉壓力過濾機中的應用

翟向楠，謝曉玲，段俊耀，郭雨，胡一文

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060；2.江蘇虹港石化有限公司，江蘇 連云港 222248；3.天華院(南京)智能制造有限公司，江蘇 南京 211161)

0 引言

PTA是重要的大宗有機原料，它主要用于生產聚酯纖維(滌綸)、聚酯瓶片和聚酯薄膜，廣泛應用于化學纖維、輕工、電子、建筑等國民經濟的各個方面。PTA生產工藝裝置主要包括氧化單元和精制單元。近年來先進的CTA溶劑交換技術廣泛應用于氧化單元，該技術可大幅度縮短PTA氧化單元工藝流程、降低設備投資，并且具有設備占地面積小、操作方便等優(yōu)點，對PTA技術發(fā)展具有里程碑式的意義，堪稱PTA行業(yè)技術革命。該技術的核心為旋轉壓力過濾機設備。PTA氧化單元中采用醋酸為溶劑、氫溴酸為促進劑，由于這些原料具有一定的腐蝕性，尤其是氫溴酸的腐蝕性更強，因此選用可靠的、抗腐蝕性優(yōu)異的材料對旋轉壓力過濾機的正常運行至關重要，經過分析研究，2205雙相不銹鋼成為過濾機設備主體材質的不二之選[1-3]。

旋轉壓力過濾機采用2205雙相不銹鋼進行焊接，在焊接過程中會不可避免產生大量的殘余應力。焊接殘余應力不僅會降低結構的疲勞強度，而且會造成設備的應力腐蝕開裂，對設備的尺寸穩(wěn)定性和壽命產生很大影響，直接影響到旋轉壓力過濾機旋轉壓力過濾機的安全性與可靠性。因此，準確測定和預測雙相鋼焊接接頭的殘余應力分布，并采用有效的方式降低焊接殘余應力，對于設備質量控制、優(yōu)化制造工藝和防止結構過早失效，具有非常重要的意義。本文針對2205材料特性，通過2205材料腐蝕試驗以及殘余應力測定，確定最佳加工制造工藝，保證2205雙相不銹鋼材料在旋轉壓力過濾機中成功應用。

1 2205雙相不銹鋼特性簡介

2205雙相不銹鋼是含有22%Cr、5.5%Ni、3.05%Mo及0.14%N的合金元素，主要由40%～60%的鐵素體和60%～40%的奧氏體組成。2205雙相不銹鋼平衡的微觀組織，使其兼具奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼的雙重特性，具有優(yōu)良的綜合性能，鐵素體含量為45%時性能最優(yōu)。2205雙相不銹鋼優(yōu)良的力學和耐蝕性取決于均勻的合金元素分配、平衡的鐵素體和奧氏體配比、無組織缺陷，很多情況下這些條件并不能同時滿足。2205雙相不銹鋼的腐蝕性能會受到熱處理工藝及復雜環(huán)境因素的影響，比如合金元素的分布及微觀組織的轉變與熱處理工藝和焊接參數相關，實際應用中2205雙相不銹鋼最常見的失效形式是局部腐蝕[4]。

2 2205雙相不銹鋼熱處理腐蝕試驗研究

旋轉壓力過濾機焊接結構的殘余應力可以通過熱處理方式來降低。通常，熱處理溫度越高，降低焊接殘余應力的效果越好，但是過高溫度的熱處理會造成雙相鋼相比例的變化，從而偏離平衡范圍、降低材料的力學性能，同時雙相不銹鋼在320～955 ℃下容易生成金屬間化合物，造成雙相鋼中析出金屬間相，引起材料韌性損害、耐腐蝕性能降低。因此，合理的熱處理工藝不僅要有效降低焊接殘余應力，還應保證材料的力學性能、腐蝕性能[5-6]。

目前基于2205材料本身的耐腐蝕性有大量研究，但針對焊接接頭的研究卻很少。2205雙相不銹鋼材料采用2209焊條進行焊接，2209焊條性質與2205雙相不銹鋼材料性能基本一致，然而在熔敷金屬凝固過程中，冷卻速率無法嚴格控制，容易造成焊縫處相比例嚴重失調、沉淀出有害相，并伴隨出現孔隙、夾渣，這些都會降低材料的腐蝕性能。

本文利用2205焊接試板，依據ASTM923 C法進行腐蝕試驗，在滿足腐蝕標準的前提下，確定最高的熱處理溫度。

2.1 試驗流程

(1)嚴格按照2205焊接工藝焊接試板，從試板上切取尺寸為55 mm×25 mm×8 mm的標準腐蝕試樣(包含焊接接頭)。

(2)將標準腐蝕試樣放置于熱處理爐中，按照指定的溫度進行熱處理。

(3)將腐蝕試樣放置在水磨機上，進行表面初磨處理，試樣預磨后，采用氧化鎂飽和試劑進行清洗，然后用酒精清洗，吹風機表面干燥處理。

(4)將初磨后的試樣進行稱重，記錄腐蝕前重量。

(5)配置FeCl3溶液。

(6)將腐蝕試樣放置于FeCl3腐蝕溶液中浸泡。

(7)將腐蝕試樣取出，酒精浸泡，超聲波清洗，吹風機干燥。

(8)采用電子天平稱重，記錄腐蝕后腐蝕試樣的重量，計算腐蝕速率。腐蝕速率計算公式如下：

式中：W1為腐蝕前重量；W2為腐蝕后重量；S為試樣表面積；d為腐蝕時間。

2.2 試驗結果

2205焊接接頭在不同熱處理溫度下腐蝕試驗如表1所示。

表1 2205焊接接頭在不同熱處理溫度下腐蝕試驗(試驗溫度22 ℃)

通過對2205雙相不銹鋼焊接接頭的熱處理和腐蝕實驗，發(fā)現氬弧焊(GTAW)焊接接頭在320 ℃及以下溫度滿足腐蝕要求(腐蝕速率<10 mdd)。

考慮到旋轉壓力過濾機結構復雜，焊接接頭質量控制不穩(wěn)定，且工業(yè)熱處理爐溫控精度偏低，為確保旋轉壓力過濾機整體的性能，最終確定熱處理溫度為280 ℃。

3 2205雙相不銹鋼熱處理消應力效果研究

按照上述腐蝕試驗確定的熱處理溫度對旋轉壓力過濾機進行熱處理，進一步研究熱處理工藝對殘余應力的影響規(guī)律。

3.1 殘余應力測試

利用壓痕法殘余應力測試儀對旋轉壓力過濾機殼體進行應力測試，分別對殼體端部焊縫和中部焊縫區(qū)域進行應力測試，測試熱處理前、一次熱處理后、二次熱處理后以及三次熱處理后的殘余應力，比較殘余應力變化規(guī)律，在測試中將垂直于焊縫方向的應力定義為橫向應力，平行焊縫方向的應力定義為縱向應力。

3.2 殘余應力測試結果分析

3.2.1 各區(qū)域殘余應力分析

為分析熱處理次數對殘余應力的影響，分別求取焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的平均殘余應力應力進行分析。

從表2、表3和圖1、圖2可以看出，隨著熱處理次數的增加，殘余應力是降低的。對于中部焊接接頭來說，第一次熱處理的效果是最明顯的，第一次熱處理完成后，焊縫區(qū)橫向應力能降低50 MPa，縱向應力能降低150 MPa，熱影響區(qū)橫向應力能降低50 MPa，縱向應力能降低 160 MPa。對于端部焊接接頭來說，前兩次熱處理效果較為明顯，各方向殘余應力能降低150 MPa左右，而第三次熱處理效果不太明顯。

圖1 殼體中部焊接接頭殘余應力變化

圖2 殼體端部焊接接頭殘余應力變化

表2 殼體中部焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)各狀態(tài)下平均應力

表3 殼體端部焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)各狀態(tài)下平均應力

3.2.2 殘余應力整體分析

為了分析焊接接頭殘余應力降低的整體效果，取每次測試各個區(qū)域的應力平均值作為整體殘余應力水平如表4、表5所示。從焊接接頭的整體殘余應力分布情況來看，隨著熱處理次數的增加，殘余應力整體上呈下降趨勢，中部接頭整體上殘余應力能降低16%～33%，端部接頭整體上殘余應力能降低20%～36%。綜合考慮，前兩次熱處理效果較為明顯，經過兩次熱處理之后，中部接頭整體上殘余應力能降低12%～43%，端部接頭整體上殘余應力能降低18%～32%。

表4 中部焊接接頭各狀態(tài)下整體平均殘余應力

表5 端部焊接接頭各狀態(tài)下整體平均殘余應力

3.3 殘余應力測試結論

(1)在殼體焊接完成之后，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)產生了較大的殘余應力，橫向殘余應力和縱向殘余應力分別達到了400 MPa和500 MPa左右。

(2)隨著熱處理次數的增加，殘余應力整體上呈下降趨勢；綜合考慮，前兩次熱處理效果較為明顯，經過兩次熱處理之后，殘余應力能降低30%～40%，最后一次熱處理效果整體上不明顯。

(3)三次熱處理后焊接接頭處的殘余應力仍較大，維持在300 MPa左右，該殘余應力已無法通過熱處理進一步降低，需要考慮時效處理、表面強化處理等方式來進一步消除。

4 結語

通過以上試驗測試分析可以看出，在確保旋轉壓力過濾機材料腐蝕性能的前提下，在280 ℃進行熱處理消應力后，可以消除30%～40%的殘余應力，剩余殘余應力還可以通過時效處理、表面強化處理等方式來進一步消除。目前，采用熱處理的2205雙相不銹鋼CTA旋轉壓力過濾機已成功應用于工業(yè)裝置中，多年工業(yè)運行表明，設備運行穩(wěn)定，沒有出現腐蝕、磨損、開裂等問題，保證了設備安全、可靠穩(wěn)定的運行。