污水處理設(shè)備（奧氏體不銹鋼）的焊接研究

丁衛(wèi)松，張建黨

（紹興柯橋排水有限公司，浙江 紹興 312023）

污水處理設(shè)備（奧氏體不銹鋼）的焊接研究

丁衛(wèi)松，張建黨

（紹興柯橋排水有限公司，浙江 紹興 312023）

本文詳細介紹了污水處理設(shè)備中常用材料——奧氏體不銹鋼的組織特點、物理性能、力學性能和焊接工藝。為奧氏體不銹鋼設(shè)備的焊接維修提供了參考資料。

不銹鋼；奧氏體；晶間腐蝕；裂紋

由于生活和工業(yè)污水都具有較強的腐蝕性，因此在給排水、污水處理設(shè)備制造中大多采用了在氧化性和還原性介質(zhì)中都具有十分良好耐腐蝕性能的奧氏體不銹鋼材料。但是奧氏體不銹鋼有著特殊的組織特性，焊接中很容易產(chǎn)生熱裂紋、耐蝕性下降等多種缺陷，導致設(shè)備的強度以及腐蝕性能下降，甚至設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的破壞。因此我們在設(shè)備修理和安裝中，如何根據(jù)奧氏體不銹鋼材料的組織特點，選擇正確的焊接材料和焊接工藝，防止各種焊接缺陷的出現(xiàn)。對提高設(shè)備的維修效率和使用壽命有著重要的作用。

1 奧氏體不銹鋼的的特點

1.1 奧氏體不銹鋼概述

當合金鋼中鉻量達到12%以上時，鋼的表面能迅速的形成致密的Cr2O3氧化膜，使鋼的電極點位和氧化介質(zhì)中的耐腐蝕性發(fā)生突變性提高。奧氏體不銹鋼是指在常溫下鋼中含Cr約18%、Ni8%～10%、C約0.1%時，具有穩(wěn)定奧氏體組織的不銹鋼。它無磁性，有極強的防銹、耐腐蝕性能，又有極佳的可塑性和韌性等全面和良好的綜合性能，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應用。奧氏體不銹鋼組織，典型的為18-8系列不銹鋼。如污水處理設(shè)備中最常用的1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼。

1.2 污水處理設(shè)備中常用奧氏體不銹鋼的化學成分見表1

1.3 污水處理設(shè)備中奧氏體不銹鋼的性能

表1 奧氏體不銹鋼化學成分

1.3.1 奧氏體不銹鋼的物理性能

奧氏體不銹鋼的電阻比是碳鋼的5倍，線膨脹系數(shù)比碳鋼大50%，導熱率是碳鋼的1/2。奧氏體不銹鋼具有非磁性，見表2。

表2 碳鋼與奧氏體不銹鋼力學性能比較

1.3.2 奧氏體不銹鋼的力學性能

奧氏體不銹鋼具有低的屈強比（40%～50%），伸長率、斷面收縮率和沖擊洗手功均很高并具有高的冷加工性。并具有很高的低溫韌性。一些奧氏體不銹鋼在高溫加熱后會產(chǎn)生相和晶間腐蝕。污水處理設(shè)備中幾種典型的奧氏體不銹鋼力學性能，見表3。

2 奧氏體不銹鋼焊接性分析

奧氏體不銹鋼的焊接性能良好，對與不同類型的奧氏體不銹鋼在從高溫冷卻到室溫時隨著合金元素含量的不同焊接接頭各部可能出現(xiàn)以下問題。

2.1 接頭的耐蝕性

表3 奧氏體不銹鋼力學性能

2.1.1 晶間腐蝕

奧氏體焊縫長期在500—800為溫度區(qū)區(qū)域處理時，過飽和碳和鉻在晶界結(jié)合成碳化鉻，結(jié)果在靠近晶界的晶粒表層造成貧鉻。在腐蝕介質(zhì)的作用下貧鉻曾遭到破壞從而深入腐蝕到金屬內(nèi)部，材料強度幾乎消失，是一種極危險的破壞形式。防止產(chǎn)生焊接接頭晶間腐蝕應從焊接材料和焊接工藝兩個方面進行。a.焊接材料：從控制焊縫成分入手，選用超低碳奧氏體不銹鋼焊接材料；添加Nb、Ti等穩(wěn)定化元素，以形成飽定碳化物NbC、TiC；形成γ+δ 雙相組織(3%～5%δ)等。b.工藝措施:采用小熱輸入量、快速冷卻工藝等。減少焊接接頭在危險溫度區(qū)域的停留時間

2.1.2 應力腐蝕開裂

應力腐蝕是在靜拉伸應力和化學介質(zhì)共同作用下引起的一種斷裂現(xiàn)象，包括應力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞三種。一般純金屬不會產(chǎn)生應力腐蝕，在晶界上的合金元素偏析是引起應力腐蝕的主要原因。應力腐蝕在拉應力的作用下才會產(chǎn)生而在壓應力下則不會，應力主要是因為工程中的殘余應力和焊接應力引起。要防止應力腐蝕的主要措施有首先要合理選用焊接材料，如選用具有γ+δ雙相組織的焊材等。其次要合理制定裝焊工藝，盡量避免應力集中或焊接缺陷。最后要進行消除應力處理，可以采用殘余變形和錘擊法松弛殘余應力，或者通過低溫(低于300～350℃)退火處理，也可以實施大于850℃熱處理消除踐余應力。

2.1.3 接頭的熱裂紋

奧氏體不銹鋼因為熱導率小，線膨脹系數(shù)大，因此在局部熱河冷卻的條件下，具有較高的熱敏感性對與奧氏體不銹鋼焊縫，在凝固結(jié)晶過程中，一些雜質(zhì)和和金元素容易在晶界形成低熔點液態(tài)膜，因此造成焊接凝固裂紋。

（1）采用低氫焊條，限制焊縫中的有害雜質(zhì)，如S、P等的含量提高焊縫抗裂性能。（2）工藝上：①限制過熱，可以采用小的焊接電流和小的焊接速度，降低焊接熱輸入量。②控制成形系數(shù)。成形系數(shù)的控制與焊接參數(shù)相關(guān)，合理的成形系數(shù)(在不提高焊接速度前提下，采用減小焊接電流工藝所獲的)對控制熱裂紋有一定作用。③減小熔合比。在減小母材對焊縫稀釋率時，同樣要求降低焊接電流。④降低拘束度。⑤控制裝配間隙、改進裝配質(zhì)量等。

3 奧氏體補修鋼的焊接工藝

奧氏體不銹鋼具有較好的焊接性能，可以采用氬弧焊、閃光焊等多種焊接方法。但是在設(shè)備的維修中，由于工件形狀尺寸，焊接位置，焊接環(huán)境，經(jīng)濟成本等因素的制約，在生產(chǎn)設(shè)備的焊接修補中一般采用手工焊條電弧焊接。這種方法手工控制電弧的長度，焊條角度和焊接速度，對焊接裝配要求較低，能靈活用于各種厚度，各種結(jié)構(gòu)形狀急位置的焊接。并且對焊縫的清理要求相對較低，工藝靈活，適用性強。

3.1 焊前坡口準備

由于奧氏體不銹鋼焊接采用了較小的焊接電流，較快的焊接速度。因而熔深小，坡口的鈍邊比碳鋼大，焊接層數(shù)多。對裝配好的破口兩側(cè)20～30mm范圍內(nèi)清理干凈出去油污?？梢杂闷?、丙酮或乙醚擦洗。為避免飛濺金屬損傷部修剛表面，對與要求高的，在罕見破口涂上白瑩粉或石灰防止焊接飛濺，具體裝配尺寸見表4。

表4 破口尺寸

3.2 定位焊縫

因不銹鋼熱膨脹系數(shù)較大，焊接時產(chǎn)生較大的焊接應力，要求采用嚴格的定位焊用的焊條應與焊接使用的焊條相同，焊條直徑應選用較細的，定位焊縫的高度一半部超過焊件厚度2/3，如對于d≦Φ89mm的管采用兩點定位，d=Φ89～Φ219mm采用三點定位，d≧219mm的采用四點定位；焊縫長度為20～30mm，定位焊的焊接參數(shù)應該和正式焊接相同，見表5。

表5 定位焊縫的長度和間距 mm

3.3 焊條的選用

奧氏體不銹鋼焊條的選用基本原則：第一，照母材的牌號，選用與母材成分相同或相近的焊條。有條件增加敷衍金屬中鉬、錳等可提高焊縫抗裂性能的元素含量。第二，由于含碳量對不銹鋼的耐腐蝕性能優(yōu)很大的影響，因此選用焊條的含碳量不能大于母材。第三，焊條應根據(jù)不銹鋼的材質(zhì)，工作條件來選，選用不當會降低街頭強度增大晶間腐蝕傾向，縮短使用壽命。第四，焊條選擇在是實際操作中多選用鈦鈣型不銹鋼酸性焊條，但對結(jié)構(gòu)剛性很大或者焊縫金屬抗裂性能差的要選用堿性藥皮的不銹鋼焊條。常見奧氏體不銹鋼鋼號和牌號見表6。

3.4 奧氏體不銹鋼焊接

表6 常見奧氏體不銹鋼鋼號和牌號見

（1）焊接電流。為了防止出現(xiàn)晶間腐蝕，避免熱裂紋，奧氏體條一半選用較小的焊接線能量，所以焊接采用低電壓、小電流、快速、短弧焊接；運條不做橫向擺動，焊條較窄。特備是仰焊位置焊接，由于不銹鋼的導熱率小，部容易散熱，熔滴在高溫時停留時間長，有在重力之作用下容易下滴形成焊瘤。更要注意焊接電流和焊條運條的手法，見表7。

表7 焊接電流參數(shù)表

（2）焊接厚板時候每焊完一道需清除渣殼，并控制層間溫度小于150°，注意焊接順序，與服飾介質(zhì)接觸的焊道盡量要最后焊接，運條要穩(wěn)，收弧時要填滿弧坑。奧氏體不銹鋼并沒有淬硬性，為了加快冷卻速度，可采用焊后水冷或焊一段澆一段水的強制冷卻措施。（熔池及附近區(qū)域不允許有水）。

（3）奧氏體不銹鋼本身的導熱性差，線膨脹系數(shù)大，焊后易出現(xiàn)較大的變形，特別是焊接薄板結(jié)構(gòu)，變形更為突出。焊接后只能用冷矯，不能用熱矯正。奧氏體不銹鋼焊縫也不做焊后熱處理。

4 結(jié)束語

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，奧氏體不銹鋼在核動力工程，化工、醫(yī)療、煙草以及航天工業(yè)設(shè)備上正廣泛的應用。了解奧氏體不銹鋼的組織特性、力學特性和焊接工藝，將大大的減少勞動強度，提高焊接效率，降低生產(chǎn)成本。

[1]焊接手冊（2）.機械工業(yè)出版社，2001.7第二版,371頁.

[2]焊工手冊（手工焊接與切割）機械工業(yè)出版社第三版2003.4,369.

[3]焊接手冊（2）,機械工業(yè)出版社，2001.7第二版，399頁.

[4]焊接材料簡明選用手冊機械工業(yè)出版社，1999.5.

[5]徐初雄.焊接工藝500問.機械工業(yè)出版社，2003.1.

圖2 部分管點處的壓力脈動圖

3 結(jié)論

本文結(jié)合不同軟件的優(yōu)勢，提出了聯(lián)合運用CAESARII、AUTOPIPE和PULS軟件對往復式壓縮機管道進行應力分析的方法。文中所述方法對某氣田往復式壓縮機進行應力分析，建立了其進排氣管道的模型，模型正確反映了往復式壓縮機管道的振動問題。

參考文獻：

[1]黨錫淇，陳守五.活塞式壓縮機氣流脈動與管道振動[M].西安：西安交通大學出版社，1984.

[2]唐永進.壓力管道分析（第二版）[M].北京：中國石化出版社，2010.

[3]章罡本，彭學院.CAESARII在往復壓縮機管道振動及應力分析中的應用[J].化工設(shè)備與管道，2007,44(1),38～41.

[4]ASMEB31.3-2006，ASMECodeforPressurePiping,B31[S].

[5]GB50316-200，工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范[S].

[6]GB/T20801-2006，壓力管道規(guī)范工業(yè)管道[S].

表1 部分應力校核結(jié)果

U664.9+2

A

1671-0711（2016）10（下）-0084-03