船舶脫硫塔中雙相不銹鋼焊接工藝

何元沁，袁文榮，王彥

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

業(yè)內(nèi)為應(yīng)對(duì)IMO即將實(shí)施船舶燃油硫含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.50%的規(guī)定，主要有使用低硫燃料油、采用清潔能源LNG(液化天然氣)燃料代替燃油，以及加船舶廢氣洗滌系統(tǒng)3種措施[1]，從經(jīng)濟(jì)效益及功能性考慮，目前船舶都是通過(guò)安裝船舶廢氣洗滌系統(tǒng)來(lái)滿足對(duì)船舶燃油含硫上限的要求。脫硫塔是船舶廢氣洗滌系統(tǒng)中廢氣洗滌與排放的主要裝置，上口排氣管和下口排沖洗水管采用了雙相不銹鋼的材質(zhì)來(lái)保證其耐腐蝕、耐熱的要求。由于雙相不銹鋼是作為新材料首次在脫硫塔中應(yīng)用，有必要對(duì)材料進(jìn)行焊接性能分析，按《鍋爐及壓力容器規(guī)范 ASME IX卷》的要求設(shè)計(jì)并進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)。

1 材料介紹

雙相不銹鋼由鐵素體和奧氏體2相組成，通常雙相不銹鋼鐵素體含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～60%。它保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、耐點(diǎn)腐蝕，以及氯化物應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)；又具有奧氏體不銹鋼韌性好、抗晶間腐蝕、力學(xué)性能以及焊接性能好的優(yōu)點(diǎn)[2]，其鎳含量多為1%～2%，而奧氏體不銹鋼鎳含量多為8%～25%，主要通過(guò)降低鎳含量降低成本[2]。雙相不銹鋼在海洋工程(LNG)、化工行業(yè)、石油、造紙、海水利用、發(fā)電等眾多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[3]，也符合公司脫硫塔裝置部件材料的性能要求。公司所采用的雙相不銹鋼主要是美標(biāo)牌號(hào)UNS S31803，歐標(biāo)牌號(hào)對(duì)應(yīng)為EN1.4462，國(guó)內(nèi)俗稱2205雙相不銹鋼。

脫硫塔是船舶廢氣洗滌系統(tǒng)中廢氣洗滌與排放的主要場(chǎng)所，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 脫硫塔裝置

含硫廢氣在脫硫塔中與泵壓的沖洗水充分接觸洗滌，經(jīng)洗滌后的廢氣向上往外排放，由于廢氣在向上過(guò)程中冷凝會(huì)附著于排氣管壁，有很強(qiáng)的腐蝕性，因此洗滌塔出口的排氣管要求使用雙相不銹鋼來(lái)防腐蝕。沖洗水通過(guò)脫硫塔下端管道排出入海，下端管道大多為玻璃鋼管，由于玻璃鋼管與船舷側(cè)外板不能焊接，故末端是以雙相不銹鋼與船體焊接，再通過(guò)法蘭與玻璃鋼管連接的形式。雙相不銹鋼處于極易腐蝕的工況下，其焊接工藝尤其重要。

2 焊接控制要點(diǎn)

S31803雙相不銹鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

S31803雙相不銹鋼的焊接性相對(duì)于奧氏體不銹鋼熱裂敏感性低，相對(duì)于鐵素體不銹鋼塑性降低及冷裂傾向小[4]。所以重點(diǎn)在于熱影響區(qū)性能變化及接頭鐵素體含量的控制。為了抑制焊縫金屬中鐵素體的過(guò)量增加，采用奧氏體占優(yōu)勢(shì)的焊縫金屬是雙相不銹鋼的焊接趨勢(shì)，故在焊接材料的選擇上盡量選擇鎳含量較高的焊接材料。

表1 S31803雙相不銹鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能

由于雙相不銹鋼在高溫下是鐵素體，若線能量過(guò)小，熱影響區(qū)冷卻速度快，奧氏體來(lái)不及析出，過(guò)量的鐵素體就會(huì)在室溫下過(guò)冷保持下來(lái)。若線能量過(guò)大，冷卻速度太慢，盡管可以獲得足夠的奧氏體，但也會(huì)引起熱影響區(qū)的鐵素體晶粒長(zhǎng)大及有害金屬相的析出[5]，造成接頭脆化。因此，焊接試驗(yàn)中需設(shè)置合理的焊接參數(shù)，并采用多層多道焊的焊接形式，使后面焊道對(duì)前面焊道有熱處理作用，焊縫金屬中的鐵素體能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為奧氏體。

3 工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試件選擇

實(shí)船有S31803雙相不銹鋼管子對(duì)接(同種材質(zhì))、S31803管-EH36板全熔透角接(異種材質(zhì))2種形式，管子規(guī)格為1 600 mm×6 mm和356 mm×12.5 mm，材質(zhì)為S31803雙相不銹鋼；結(jié)構(gòu)板厚20 mm，材質(zhì)為AH36。管子焊接工藝評(píng)定按《鍋爐及壓力容器規(guī)范ASME IX卷》的要求進(jìn)行認(rèn)可試驗(yàn)，外徑覆蓋依據(jù)QW-452.3，壁厚覆蓋依據(jù)QW-451，并根據(jù)現(xiàn)有材料，最終確定工藝試驗(yàn)A組130 mm×11 mm(管子對(duì)接)，B組356 mm×12.5 mm+20 mm(管板全熔透角接)。為保證有足夠多的性能測(cè)試件，A組制3份試件。2組試驗(yàn)焊接位置都為6G。

3.2 焊接材料選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工位，確定雙相不銹鋼管子對(duì)接采用鎢極氣體保護(hù)焊(GTAW)，雙相不銹鋼管板全熔透角接采用CO2氣體保護(hù)焊(FCAW)。焊接材料應(yīng)選擇比母材性能更優(yōu)的材料，因此同種材質(zhì)的焊接采用2209系列的氬弧焊焊絲，異種材質(zhì)的焊接采用309L系列CO2焊絲，化學(xué)成分對(duì)比見(jiàn)表2。

3.3 焊接工藝要求

確定管子對(duì)接采用V形坡口，單邊角度為30°，鈍邊0～2 mm，根部間隙2～4 mm，坡口形式見(jiàn)圖2；管板穿接采用單邊V形坡口，單邊45°，鈍邊0～3 mm，根部間隙0～3 mm。坡口形式見(jiàn)圖3。

表2 化學(xué)成分對(duì)比 %

圖2 管子對(duì)接坡口

圖3 管板全熔透角接坡口

焊接前焊件無(wú)需預(yù)熱，但焊前必須將焊處表面的鐵銹、油污、水份等雜質(zhì)清除干凈。在進(jìn)行焊接前的清潔和打磨時(shí)，只能采用不銹鋼刷子和砂輪片進(jìn)行，避免管子表面碳元素的污染。在進(jìn)行GTAW焊接時(shí)，鎢極伸出長(zhǎng)度相對(duì)噴嘴盡可能短些，電弧長(zhǎng)度一般控制在1～3 mm左右。在高溫加熱時(shí)具有晶粒長(zhǎng)大的傾向，多層多道焊焊接時(shí)應(yīng)采用較小的焊接線能量，一般應(yīng)控制在0.5～2.5 kJ/mm，層間溫度控制在150 ℃以下。A組焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3，B組焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 A組焊接工藝參數(shù)

表4 B組焊接工藝參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)《ASME IX》標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際要求，對(duì)A組130 mm×11 mm(管子對(duì)接)設(shè)置VT、PT、RT探傷試驗(yàn)，探傷合格后按QW-150、QW-160、QW-170、QW-180進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)和微觀金相觀察；對(duì)B組356 mm×12.5 mm+20 mm(管板全熔透角接)設(shè)置UT、PT探傷試驗(yàn)和宏觀金相觀察。

4.1 A組130 mm×11 mm(管子對(duì)接)檢測(cè)結(jié)果

4.1.1 拉伸試驗(yàn)

探傷合格的試樣按QW-462.1(b)制成2個(gè)板狀拉伸試樣，每個(gè)試樣厚度約13 mm。在sans萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，速度為1 mm/min，由應(yīng)力和位移傳感器記錄應(yīng)力-應(yīng)變值，由此測(cè)得材料經(jīng)過(guò)屈服階段后進(jìn)入強(qiáng)化階段的最大載荷，由公式δ=Fb/S0計(jì)算出抗拉強(qiáng)度，見(jiàn)表5。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

試樣抗拉強(qiáng)度約490 MPa。2個(gè)試樣的斷裂位置均在母材，表明焊縫區(qū)域強(qiáng)度要高于母材。

4.1.2 彎曲試驗(yàn)

側(cè)彎試樣按QW-462.2標(biāo)準(zhǔn)制備。拉伸試驗(yàn)使用的上海申力連續(xù)彎曲試驗(yàn)機(jī)，壓模壓頭直徑為44 mm，將試樣彎曲180°以觀察焊縫內(nèi)部是否有裂紋或夾渣等焊接缺陷。彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。經(jīng)過(guò)觀察，試樣受拉面的焊縫和熱影響區(qū)均無(wú)裂紋產(chǎn)生，表明焊縫合格。

表6 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

4.1.3 沖擊試驗(yàn)

采用濟(jì)南時(shí)代公司生產(chǎn)的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，最大沖擊能量300 J。采用Charpy-V形缺口、橫向取樣方式制備沖擊試樣，試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm。沖擊試驗(yàn)在-40 ℃環(huán)境溫度中進(jìn)行。每種狀態(tài)試樣取3個(gè)，取其沖擊破壞吸收能量的平均值作為評(píng)價(jià)該狀態(tài)下的沖擊性能指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表7可見(jiàn)：材料沖擊吸收功不論是單值、均值都遠(yuǎn)大于船級(jí)社供貨要求。但焊縫熱影響區(qū)的材料韌性略高于焊縫中心，這可能是由于焊縫中心組織晶粒較大導(dǎo)致強(qiáng)度低于熱影響區(qū)所致。

4.1.4 微觀金相檢測(cè)

按船級(jí)社要求對(duì)試樣進(jìn)行微觀檢驗(yàn)，取樣部位分別為：a)左側(cè)母材、b)右側(cè)母材、c)底部焊縫、d)焊縫中心。

微觀檢測(cè)放大倍數(shù)200×，微觀金相照片及檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。采用面積法檢測(cè)各取樣區(qū)域鐵素體含量，圖中黑色條狀為視為鐵素體組織，。從測(cè)得結(jié)果看，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)鐵素體含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為50%～60%，表明所采用的焊接參數(shù)能得到比較均勻的雙相接頭組織。

4.1.5 腐蝕試驗(yàn)

參照ASTM A923C法對(duì)制取的試樣進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量材料在一定時(shí)間內(nèi)的腐蝕失重來(lái)確定其抗腐蝕性能。試驗(yàn)前對(duì)試樣打磨、清潔并進(jìn)行稱量，精度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后5位，試樣尺寸、試驗(yàn)步驟等要素見(jiàn)表8。

2組試樣所測(cè)得的腐蝕率表明，滿足抗腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 B組356 mm×12.5 mm+20 mm(管板全熔透角接)檢測(cè)結(jié)果

取4個(gè)接頭試樣進(jìn)行加工，用20%濃度硝酸水擦拭表面進(jìn)行腐蝕，待加工表面逐漸失去金屬光澤至合適后用水沖洗干凈，吹干后至于金相顯微鏡下觀察。經(jīng)宏觀腐蝕試驗(yàn)，在焊縫、熔合線、熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、氣孔、夾渣等焊接缺陷。

表8 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

在本次工藝試驗(yàn)設(shè)置的試驗(yàn)參數(shù)下，雙相不銹鋼管子與管子同種材料焊接、雙相不銹鋼管子與EH36材質(zhì)板的異種材料焊接均能得到性能較好的焊縫，兩相比例沒(méi)有發(fā)生太大轉(zhuǎn)變，焊縫耐腐蝕性能達(dá)到船級(jí)社要求。由于條件有限，焊縫經(jīng)過(guò)類時(shí)效處理產(chǎn)生δ2、γ2和金屬間化合物的情況還待進(jìn)一步探究。本次試驗(yàn)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)已整理成相應(yīng)的焊接工藝規(guī)程文件，為公司船舶脫硫塔中雙相不銹鋼的焊接提供了工藝依據(jù)。這2種接頭形式均已在實(shí)船脫硫塔相應(yīng)的雙相不銹鋼焊接中應(yīng)用，并取得良好的效果。