蒸球不銹鋼保護(hù)層的制造與檢驗(yàn)

孟繁勇 楊樹忠

（天津造紙廠有限公司研發(fā)中心，天津，300350）

圖1 蒸球示意圖

蒸球是一種回轉(zhuǎn)式間歇蒸煮設(shè)備，國(guó)內(nèi)某造紙廠為節(jié)省資金，購(gòu)置了一套舊的25m3普通碳鋼蒸球及附屬機(jī)座、傳動(dòng)裝置等部件，用于生產(chǎn)防偽紙加用的少量特種纖維，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。舊蒸球整體內(nèi)壁呈均勻腐蝕剝落，鋼殼略有變薄，球體焊縫經(jīng)探傷檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，蒸球外殼壁厚經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算能滿足強(qiáng)度要求。為減輕腐蝕，我們建議該廠直接加不銹鋼保護(hù)層，并且承接了蒸球不銹鋼保護(hù)層材料的選擇與焊接制造工藝的任務(wù)。我們認(rèn)為碳鋼外殼可承擔(dān)機(jī)械應(yīng)力，不銹鋼保護(hù)層能抵御腐蝕性的介質(zhì)浸蝕作用，這樣可以延長(zhǎng)整體蒸球的使用年限，同時(shí)也能達(dá)到技術(shù)要求。此設(shè)備經(jīng)當(dāng)?shù)貕毫θ萜靼矙z部門驗(yàn)收評(píng)定后，開始運(yùn)行，證明防腐蝕性能符合技術(shù)要求，使用效果良好。不銹鋼鋼板經(jīng)冷沖壓后現(xiàn)場(chǎng)焊接制作，對(duì)今后焊接制作不銹鋼保護(hù)層設(shè)備提供了成功的制造經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)就此設(shè)備的材料選擇及焊接制造工藝，介紹如下。

1 材料的選擇及焊縫的晶間腐蝕試驗(yàn)

1.1 板材

不銹鋼選用00Cr18Ni10 板材，厚3mm。這種材質(zhì)強(qiáng)度大，可焊性好。不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能，00Cr18Ni10 材質(zhì)化學(xué)成分見表1，00Cr18Ni10機(jī)械性能見表2，00Cr18Ni10 不銹鋼的耐腐蝕性能見表3 。

表1 00Cr18Ni10 不銹鋼化學(xué)成分

表2 00 Cr18Ni10 機(jī)械性能

表3 00Cr18Ni10 耐腐蝕性能

1.2 電焊條的選擇

（1）塞焊底層電焊條 選用奧302，熔敷金屬化學(xué)成分見表4。奧302 是鈦鈣型藥皮的Cr23Ni13不銹鋼焊條，熔敷金屬具有良好的抗裂性能及抗氧化性能，可交直流焊兩用，有良好的操作工藝性能。

表4 奧302 熔敷金屬化學(xué)成分(%)

（2）塞孔面層電焊條 選用奧002，熔敷金屬化學(xué)成分見表5。奧102 是鈦鈣型藥皮的Cr19Ni10不銹鋼焊條，熔敷金屬具有良好的力學(xué)性能及抗晶間腐蝕性能，有優(yōu)良的焊接工藝性能和抗氣孔性能，可交直流焊兩用，用于焊接工作溫度低于300℃的耐腐蝕的不銹鋼結(jié)構(gòu)。

表5 奧002 熔敷金屬化學(xué)成分(%)

1.3 不銹鋼焊縫的晶間腐蝕試驗(yàn)

不銹鋼焊縫是易發(fā)生晶間腐蝕的部位，為了確保不銹鋼襯里在使用時(shí)具有良好的抗晶間腐蝕性能，在正式施工前，我們對(duì)不銹鋼焊條與不銹鋼板焊接接頭進(jìn)行了晶間腐蝕性試驗(yàn)，用以驗(yàn)證焊條及焊接工藝的正確性。對(duì)焊縫進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)的方法，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT4334-2000 進(jìn)行，其具體步驟為：將100g 符合GB/T665 的分析純硫酸銅（CuSO4·5H20）溶于700 mL 蒸餾水或去離子水中、再加入100mL符合GB/T625 的優(yōu)級(jí)純硫酸，用蒸餾水或去離子水稀釋至1000mL，配成硫酸-硫酸銅溶液。試驗(yàn)在帶有回流冷凝器的容量為1000mL 的燒瓶中進(jìn)行。先在瓶底放一層銅屑，然后放入第一層試樣，再加入放二層銅屑，放入另一層試樣，共裝2～3 層試樣，微沸24h；每次試驗(yàn)都要用新配制溶液。結(jié)果檢驗(yàn)：腐蝕后的試件用肉眼或放大鏡（10～15 倍）觀察試樣表面有無(wú)裂紋，然后在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上把試件彎至90度，觀察有無(wú)裂紋。試件經(jīng)檢查應(yīng)無(wú)裂紋，金相檢驗(yàn)無(wú)晶間腐蝕為合格。

2 冷壓成形

考慮到熱對(duì)不銹鋼耐腐蝕性能的影響，在設(shè)備能力允許的條件下，應(yīng)盡量采用冷加工為宜。不銹鋼板的冷沖壓和彎曲，原則上按照基層所允許的變形程度進(jìn)行，因?yàn)椴讳P鋼的冷作性能比碳鋼優(yōu)越的多。沖壓時(shí)沖摸要盡可能光滑，嚴(yán)格控制彎曲半徑。冷沖壓加工后，表面上的油污等應(yīng)全部清除干凈。為了盡可能的使不銹鋼保護(hù)層與基層貼緊，沖壓不銹鋼保護(hù)層的曲率半徑較基層要略小一些。

不銹鋼的成型采用粗糙度Ra1.6 的鑄鐵模子液壓成型，但為了消除冷壓后不銹鋼所產(chǎn)生的彈性回彈現(xiàn)象，當(dāng)采取模子半徑小于理論半徑。在正式?jīng)_壓前先要用一塊不銹鋼板試沖壓，固定一個(gè)沖壓模子的半徑進(jìn)行沖壓，再測(cè)量沖壓后的實(shí)際半徑，計(jì)算出沖壓模子的半徑與沖壓后的實(shí)際不銹鋼板半徑的比例關(guān)系。按這個(gè)比例關(guān)系進(jìn)行正式?jīng)_壓，使沖壓后的實(shí)際半徑等于25m3蒸球的理論半徑1840mm。

3 不銹鋼保護(hù)層的焊接和檢驗(yàn)

3.1 塞焊

塞焊屬于焊接的一種工藝，兩零件相疊，其中一塊開孔，然后在孔中焊接兩零件所形成的填滿孔形的焊接，它常用于疊合板之間的連接。塞焊不銹鋼保護(hù)層時(shí)塞孔可開在保護(hù)層上和外殼上兩種，當(dāng)設(shè)備內(nèi)徑小于800mm 時(shí)塞孔可開在外殼上，對(duì)于大的設(shè)備一般是開在保護(hù)層上。根據(jù)國(guó)內(nèi)廠家的經(jīng)驗(yàn)，塞孔的大小和保護(hù)層厚度有關(guān)?？讖教?，焊接時(shí)易造成斷弧、夾渣和氣孔等缺陷，故塞孔一般不小于ф12mm?？讖竭^大，焊接時(shí)易造成焊縫金屬過渡稀釋，故一般不大于ф25mm?？傊讖酱笮∫虮Ｗo(hù)層厚度而定，主要以焊接方便、不造成焊接缺陷為原則。我們根據(jù)焊工試驗(yàn)確定，塞孔最佳孔徑為ф12～16mm，我們實(shí)際用的是ф16mm 的孔徑，坡口90 度。塞孔焊采用兩層三次法進(jìn)行焊接，其結(jié)構(gòu)見圖2。底層用奧302 焊條，面層用奧002 焊條。

圖2 塞孔焊示意圖

3.2 不銹鋼保護(hù)層的焊接

不銹鋼保護(hù)層的鋼板的焊接，應(yīng)先從料門進(jìn)入的成型不銹鋼板與碳鋼外殼內(nèi)壁點(diǎn)焊定位，然后以不銹鋼球形面對(duì)準(zhǔn)碳鋼板球殼邊頂壓邊塞焊。不銹鋼鋼板的外邊四周進(jìn)行間斷焊，而后再焊接不銹鋼密封蓋板，其結(jié)構(gòu)見圖3。四周間斷焊用奧302 焊條，不銹鋼密封蓋板用奧002 焊條。

3.3 焊縫著色法滲透檢驗(yàn)

圖3 不銹鋼對(duì)接焊示意圖

整體不銹鋼保護(hù)層焊好后，我們使用著色法滲透探傷檢測(cè)焊縫表面裂紋、縫隙和氣孔等缺陷，并在發(fā)現(xiàn)缺陷后及時(shí)補(bǔ)焊修復(fù)。著色滲透探傷操作簡(jiǎn)單，是一種利用毛細(xì)管現(xiàn)象檢查材料表面缺陷的一種無(wú)損檢驗(yàn)方法，不需要復(fù)雜設(shè)備,費(fèi)用低廉，缺陷顯示直觀，具有相當(dāng)高的靈敏度，能發(fā)現(xiàn)寬度1 微米以下的缺陷。這種方法由于檢驗(yàn)對(duì)象不受材料組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的限制，應(yīng)用廣泛，著色法滲透探傷具體的操作方法是：用刷涂法將滲透劑施加到焊縫表面，滲透劑在10min 時(shí)間內(nèi)滲透到焊縫有裂紋的深處，經(jīng)清洗，再涂刷顯像劑，而后用肉眼或放大鏡觀察受檢面，如有縫隙、裂紋、氣孔等焊接缺陷，受檢面的白色顯像劑則呈現(xiàn)紅色圖像。

（1）滲透劑配方

蘇丹4 ：1g/100mL，苯：85%～95%，變壓器油：5%～15% 。調(diào)和順序：蘇丹4→苯→變壓器油→濾紙過濾后使用。

（2）顯像劑配方

氧化鋅：5g/100mL，苯：20%，火棉膠：70%，丙酮：10% 。

（3）探傷工序：清理→清洗→毛刷涂滲透劑2～3次，每次間隔3～5min(共約10min）→清洗→顯象→觀察。

操作注意事項(xiàng)：應(yīng)嚴(yán)格禁止火種，操作時(shí)采用通風(fēng)措施，因?yàn)槿軇┮兹紵⒂卸竞鸵讚]發(fā)。滲透劑和顯像劑配好后要放置在陰暗通風(fēng)處，溫度≤40C°以免失效，配置時(shí)應(yīng)防止濺到皮膚上，如濺到皮膚上應(yīng)立即用肥皂水或清水沖洗。

3.4 不銹鋼保護(hù)層的氣密性檢驗(yàn)

按照所在地壓力容器安檢部門的要求，焊縫著色試驗(yàn)后，還要進(jìn)行不銹鋼保護(hù)層的氣密性試驗(yàn)。氣密性試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)不銹鋼保護(hù)層的焊接部位及其他部位在帶有少量壓力下，是否有泄漏現(xiàn)象，不銹鋼保護(hù)層容器的密封性靠?jī)?nèi)壁保證，內(nèi)壁有局部泄漏，則內(nèi)部盛裝的介質(zhì)即會(huì)通過保護(hù)層瀉出，所以氣密性試驗(yàn)配合上步的焊縫著色法滲透檢查是一個(gè)雙保險(xiǎn)措施。氣密性試驗(yàn)要求：（1）進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時(shí)，安全附件應(yīng)安裝齊全。（2）試驗(yàn)時(shí)壓力應(yīng)緩慢上升，達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)壓力后保壓不少于30min，然后降壓，對(duì)所有焊縫和連接部位均要進(jìn)行檢查，以無(wú)泄漏為合格。如有泄漏，修補(bǔ)后重新進(jìn)行試驗(yàn)。

不銹鋼保護(hù)層的氣密性采用氨氣法試驗(yàn)，它是檢驗(yàn)球內(nèi)液體是否滲漏的有效措施，其試驗(yàn)方法為：對(duì)所有的焊縫涂抹酚酞試劑，在不銹鋼保護(hù)層與外殼的夾縫中通入0.05MPa 的氨氣，試壓30min 并對(duì)所有焊縫及連結(jié)部位進(jìn)行檢查。如有泄漏，應(yīng)將壓力降至零，再進(jìn)行處理，查明原因，消除隱患后再繼續(xù)重新進(jìn)行試驗(yàn)。

4 不銹鋼保護(hù)層的鈍化

不銹鋼保護(hù)層在冷加工及焊接過程中可產(chǎn)生劃痕、鑿傷、焊瘤、弧坑等缺陷。所有這些缺陷都應(yīng)作必要的清理和補(bǔ)修，經(jīng)清潔后進(jìn)行鈍化處理。經(jīng)過鈍化的不銹鋼保護(hù)層蒸球表面，保證了不銹鋼表面原有的光澤度和光亮度。我們的鈍化施工工藝采用了自制鈍化膏。鈍化膏配方比例為：硝酸150mL，水350mL，重鉻酸鉀20g，滑石粉500g，淀粉150g。使用前將不銹鋼襯里表面的焊渣及油污徹底清理干凈，再將膏體涂刷于待處理的不銹鋼襯里表面。具體的操作過程為：

（1）清洗不銹鋼表面和焊縫，涂抹鈍化膏1～2mm（焊縫處涂層略厚），保留1h 以上即可清洗，或用棉紗擦洗，全部干凈后用水沖洗，應(yīng)確保不銹鋼表面沖洗干凈，無(wú)殘留痕跡，否則會(huì)影響表面外觀效果。

（2）對(duì)于有氧化層的厚表面，涂抹鈍化膏2mm厚，保留4h 以上，用鋼絲刷普遍刷一次，再用棉紗反復(fù)擦洗，全部干凈后，用清水(不可用污水或自然水)沖洗，確保不銹鋼表面沖洗干凈，無(wú)殘留痕跡。

（3）檢驗(yàn)：使用國(guó)際通用的不銹鋼藍(lán)點(diǎn)檢查液檢驗(yàn)。

具體步驟為：用10g 鐵氰化鉀，加50mL 蒸餾水，濃硝酸30mL，加水配制成1000mL 溶液，現(xiàn)用現(xiàn)配。然后直接將溶液涂、滴于待測(cè)表面，30 秒內(nèi)觀察顯現(xiàn)藍(lán)點(diǎn)情況，有藍(lán)點(diǎn)為不合格，無(wú)藍(lán)點(diǎn)為合格。需要注意的是該試驗(yàn)需待酸洗鈍化表面基本干燥后進(jìn)行，試驗(yàn)后應(yīng)該將試驗(yàn)液體沖洗干凈。藍(lán)點(diǎn)試驗(yàn)的基本原理為：若表面鈍化膜不完善或有鐵離子污染，就會(huì)有游離鐵離子存在，這些鐵離子即可與鐵氰化鉀發(fā)生反應(yīng)，生成帶藍(lán)色的絡(luò)合物。根據(jù)出現(xiàn)藍(lán)色情況，可以檢驗(yàn)出鈍化處理的效果。

不銹鋼保護(hù)層的鈍化施工應(yīng)注意事項(xiàng)有：①須在通風(fēng)良好的情況下進(jìn)行操作。②配備橡膠手套、護(hù)目鏡等保護(hù)用品操作。③皮膚不得與鈍化膏接觸，誤觸后立即用水沖洗。④所用工具應(yīng)是耐腐蝕的不銹鋼或塑料制品。

5 蒸球的耐壓檢驗(yàn)

耐壓檢驗(yàn)在對(duì)容器進(jìn)行強(qiáng)度考核的同時(shí)，也用以檢驗(yàn)壓力容器結(jié)構(gòu)的穿透性缺陷，并能起到降低焊接應(yīng)力的作用，是強(qiáng)度和密封性的綜合試驗(yàn)。蒸球?qū)儆趬毫θ萜?，設(shè)備不銹鋼保護(hù)層加工好后，要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。需要注意的是不能在不銹鋼保護(hù)層與外殼的夾層中進(jìn)行試驗(yàn)。耐壓試驗(yàn)分為氣壓和液壓實(shí)驗(yàn)兩種，采用液壓試驗(yàn)比采用氣壓試驗(yàn)相對(duì)安全。我們選用的是液壓試驗(yàn)，用試壓泵試壓所用的介質(zhì)一般采用潔凈水和純水即可，并在進(jìn)水管道中加裝適合的過濾器裝置。

蒸球的水壓試驗(yàn)方法，將高壓泵的出水口和蒸球的入水口用高壓膠管連接，并在蒸球的入水口前加裝逆止閥以保證在高壓泵向蒸球中充入水后，蒸球中的水不會(huì)因?yàn)楦邏罕猛Ｖ构ぷ鞫亓?。在泵的出水端加裝壓力表，以顯示高壓泵出口壓力；在蒸球的進(jìn)水口加裝壓力表，以顯示在穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)蒸球內(nèi)所承受的壓力值，并檢查穩(wěn)壓過程中的壓力損失。待管路接好后開始試壓，啟動(dòng)高壓泵并緩慢升壓，當(dāng)壓力升至試驗(yàn)壓力的50% 時(shí)進(jìn)行檢查，確認(rèn)無(wú)泄露和異?，F(xiàn)象后，方可再繼續(xù)升壓，此后每升試驗(yàn)壓力的10% 就檢查一次，直至試驗(yàn)壓力1MPa。當(dāng)?shù)竭_(dá)試驗(yàn)壓力后，停止高壓泵工作，將逆止閥閥門關(guān)閉，然后進(jìn)行全面檢查，按20min 穩(wěn)壓，以無(wú)泄漏、無(wú)壓降為合格。

[1]化學(xué)工業(yè)部化工機(jī)械研究院主編·腐蝕與保護(hù)手冊(cè)-耐腐蝕金屬材料及防蝕技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,1990.

[2]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4334-2000.

[3]化工機(jī)械手冊(cè)編輯委員會(huì).化工機(jī)械手冊(cè)[M].天津大學(xué)出版社,1991.

[4]張康達(dá),洪起超 主編.壓力容器手冊(cè)[M].勞動(dòng)人事出版社,1987 .

[5]李景晨 等編.壓力容器基礎(chǔ)知識(shí)[M].勞動(dòng)人事出版社,1986 .

[6]丁伯民 黃正林 等編.化工容器[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2003.