壓力容器用奧氏體不銹鋼制造特點(diǎn)

白崇暉，白崇陽(yáng)，張正棠

（1.中國(guó)石化銷(xiāo)售股份有限公司甘肅石油分公司，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省城鄉(xiāng)發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 蘭州730050）

通常壓力容器制造中所使用的鋼板由之前的單一化逐漸演變?yōu)楹芏喾N，而在平常用途中能廣泛應(yīng)用到的有碳素鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、雙相不銹鋼以及復(fù)合鋼板，它們因具有不同的力學(xué)性能而被應(yīng)用于不同的方面，每種鋼板都具備自身的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，適用于不同環(huán)境場(chǎng)所[1-3]。上述鋼板都會(huì)經(jīng)過(guò)一定的特殊處理來(lái)改變力學(xué)性能，從而滿(mǎn)足使用要求。其中，經(jīng)過(guò)一些特殊的處理后主要使得鋼板中的含碳、鉻、鎳等合金元素含量滿(mǎn)足使用要求，用于不同的工況下。奧氏體不銹鋼板因?yàn)樗男阅軡M(mǎn)足壓力容器使用方面中的很多要求，因而性能在經(jīng)過(guò)特殊處理后表現(xiàn)較為突出，而被廣泛應(yīng)用。它的主要特性表現(xiàn)為抗腐蝕、抗高溫、抗低溫方面，其綜合力學(xué)性能以及工藝性能也都得到了驗(yàn)證，并在制造過(guò)程中廣泛應(yīng)用。奧氏體不銹鋼經(jīng)過(guò)特殊處理后使其在內(nèi)部具備了一些特殊的金相組織結(jié)構(gòu)，在表面形成了鈍化膜，這些特殊的組織及結(jié)構(gòu)使得奧氏體不銹鋼在一些平常環(huán)境下很穩(wěn)定，很難與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但往往會(huì)在轉(zhuǎn)運(yùn)和翻轉(zhuǎn)的時(shí)候?qū)⒈砻鎰潅?，以及制造廠(chǎng)制造過(guò)程中由于沒(méi)有采取相應(yīng)的不銹鋼表面防護(hù)措施，很容易將表面劃傷、擦傷，在焊接、氣割過(guò)程中不注意防護(hù)，焊接飛濺、割渣等因素都會(huì)與介質(zhì)發(fā)生緩慢的化學(xué)和電化學(xué)腐蝕，這在平常的生產(chǎn)中不易發(fā)現(xiàn)，時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生大的事故，所以在制造過(guò)程中必須采取必要的防護(hù)措施。

1 奧氏體不銹鋼制造特點(diǎn)及問(wèn)題

1.1 制造特點(diǎn)

奧氏體不銹鋼的特殊性能主要依靠鋼板中的Cr元素及一些合金元素，這些元素的添加使得奧氏體不銹鋼具有較強(qiáng)的抗高溫、抗低溫及耐腐蝕性能，而Cr元素本身可以通過(guò)自身的性能使得合金表面形成一層致密的保護(hù)膜，該保護(hù)膜具有一定的防護(hù)性。一旦保護(hù)膜破了就會(huì)由于腐蝕而產(chǎn)生缺陷，具體特點(diǎn)如下：

1）奧氏體不銹鋼板與碳鋼鋼板放在一起，碳鋼鋼板上部分游離的鐵離子將會(huì)吸附在不銹鋼表面，這些游離的鐵離子與不銹鋼鋼板中的其他元素結(jié)合形成原電池引發(fā)電偶腐蝕。

2）奧氏體不銹鋼板放置在含氯離子的環(huán)境中或者直接跟富含氯離子的物體接觸，不銹鋼表面的保護(hù)膜將會(huì)被穿透性很強(qiáng)的氯離子破壞，被破壞的保護(hù)膜失去阻止碳離子、鐵離子之類(lèi)元素的進(jìn)入，這些元素進(jìn)入后會(huì)在不銹鋼表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕，由于這些雜質(zhì)元素的堆積在不銹鋼表面形成大量的、細(xì)小的凹坑，這些凹坑慢慢擴(kuò)展形成大面積凹坑，降低奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性。這也就是水壓試驗(yàn)的時(shí)候要求氯離子的質(zhì)量濃度小于等于25 mg·L-1的原因，并且在水壓試驗(yàn)合格后要求奧氏體不銹鋼壓力容器請(qǐng)將水盡快排干凈并且吹干。這在《壓力容器第4部分 制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收》（GB150.4—2011）中有詳細(xì)的要求，控制氯離子的含量[4]。

1.2 存在問(wèn)題

運(yùn)輸、加工過(guò)程中人為因素比較嚴(yán)重，鋼板到廠(chǎng)后吊裝、轉(zhuǎn)運(yùn)、加工過(guò)程中，不銹鋼表面磕碰、錘擊、劃傷等使得表面產(chǎn)生缺陷，引發(fā)鐵離子電化學(xué)腐蝕。

焊接過(guò)程由于焊接速度過(guò)快產(chǎn)生大量的飛濺，導(dǎo)致飛濺中的鐵離子在不銹鋼表面形成原電池，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)；另外，在處理這些飛濺的時(shí)候采用機(jī)械打磨的方法，焊縫不合格返修后造成局部表面保護(hù)膜被破壞，引起電化學(xué)腐蝕及形成表面質(zhì)量不均勻。

在一些設(shè)備規(guī)格尺寸較大的情況下往往酸洗鈍化過(guò)程中存在酸洗膏涂抹不均勻，在清洗的過(guò)程中清洗力度均勻，就會(huì)導(dǎo)致清洗后在不銹鋼表面出現(xiàn)顏色深淺不一致，影響外觀(guān)質(zhì)量。

沒(méi)有專(zhuān)用的不銹鋼加工設(shè)備，采用其他設(shè)備混用的加工設(shè)備進(jìn)行切割、刨邊、割坡口、卷板等過(guò)程，設(shè)備上的油漬、劃傷、污染物誘導(dǎo)腐蝕。

2 表面防護(hù)技術(shù)

按照《固容規(guī)》[5]中4.9.3條規(guī)定要求凡是具備奧氏體不銹鋼制造的資質(zhì)在制造不銹鋼壓力容器過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)建有專(zhuān)用的不銹鋼制造場(chǎng)地或車(chē)間，為了防止雜質(zhì)元素進(jìn)入不銹鋼表面形成電化學(xué)腐蝕，不應(yīng)該將不銹鋼與其他產(chǎn)品混雜在一起制造。具體應(yīng)該做到如下：

1）應(yīng)有奧氏體不銹鋼鋼板、零部件、半成品、加工成品專(zhuān)用的存放場(chǎng)地，該場(chǎng)地應(yīng)與碳鋼、低合金鋼隔開(kāi)，做好隔離帶，避免空氣中游離鐵離子進(jìn)入不銹鋼制造環(huán)境中。

2）筒體縱縫、環(huán)縫組對(duì)焊接過(guò)程中應(yīng)在坡口兩側(cè)涂抹大白粉防止飛濺。

3）應(yīng)該對(duì)碳素鋼卷板機(jī)輥?zhàn)舆M(jìn)行表面處理，將碳鋼殘留物清理干凈，輥?zhàn)颖砻嫫秸麍A滑，在卷制不銹鋼鋼板時(shí)輥?zhàn)颖砻娌捎靡r墊；對(duì)于經(jīng)常性卷制不銹鋼應(yīng)對(duì)卷板機(jī)輥?zhàn)舆M(jìn)行不銹鋼堆焊。

4）在原材料、半成品、成品不銹鋼零部件上做標(biāo)記移植時(shí)，應(yīng)采用不含氯元素記號(hào)筆，防止氯元素穿透保護(hù)膜。

5）將奧氏體不銹鋼放置在滾輪架上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)在滾輪架滾輪上采用保護(hù)膜（聚氨酯材料）將不銹鋼與碳鋼分開(kāi)。

6）與設(shè)備相焊的吊耳，其焊接面或者相接觸的表面采用奧氏體不銹鋼材料連接。

7）凡是奧氏體不銹鋼設(shè)備接觸水，如設(shè)備清洗、水壓試驗(yàn)，都應(yīng)該嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中的要求，對(duì)氯離子含量進(jìn)行控制。在清洗、水壓試驗(yàn)合格后應(yīng)立刻將水排干凈并且吹干。

3 焊接

奧氏體不銹鋼由于材料在經(jīng)過(guò)特殊處理后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，焊接過(guò)程中由于熱量比較大，使得焊縫收縮變形大。

在選擇焊接參數(shù)的時(shí)候應(yīng)該考慮熱裂紋、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、低溫脆化傾向等因素出現(xiàn)。

在經(jīng)歷過(guò)特殊處理的奧氏體不銹鋼組織結(jié)構(gòu)中的晶間晶粒粗大、具備了一定的傾向方向，使其在熱量的驅(qū)散下向不同方向進(jìn)行延展，加上存在硫、磷等雜質(zhì)元素的存在，焊接過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中將最終導(dǎo)致奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中形成熱裂紋缺陷。

為了提高奧氏體不銹鋼的焊劑而質(zhì)量，奧氏體不銹鋼壓力容器在制造過(guò)程中應(yīng)該按照制造工藝和焊接規(guī)范，在焊接過(guò)程中主要注意以下幾點(diǎn)：

1）焊接工藝人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備能力、焊接環(huán)境、條件針對(duì)不銹鋼焊接選擇合適的焊接工藝，一般對(duì)于奧氏體不銹鋼壓力容器中，通常采用的焊接方法主要有埋弧焊、氬弧焊手工焊，這些焊接方法各自具有各自的特點(diǎn)，在選擇焊接方法之前應(yīng)該確定合理的焊接參數(shù)及工藝。

2）采用合理的焊接順序，依次序進(jìn)行焊接，防止變形的產(chǎn)生，一般來(lái)說(shuō)先進(jìn)行坡口縱縫組對(duì)，再進(jìn)行引收弧板點(diǎn)焊，根據(jù)直徑大小選擇從內(nèi)部還是外部焊接，一般從內(nèi)坡口填充焊、外部清根、外坡口多道填充焊和表面焊。

3）原則上焊接參數(shù)的選擇應(yīng)選擇電流較小、焊接速度較快的焊接參數(shù)，并且降低焊接熱輸入量。

4）選擇焊材的時(shí)候應(yīng)根據(jù)奧氏體不銹鋼的特點(diǎn)選擇含碳量較低且鉻、鎳含量適中，能保證焊縫金屬成型的奧氏體組織的不銹鋼焊材，一般來(lái)說(shuō)C質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過(guò)0.03%、鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)在22%左右、鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在9%左右的E316L焊條。

5）坡口組對(duì)、型式、大小嚴(yán)格按照焊接工藝執(zhí)行。

6）選擇具有熱輸入量小、焊接應(yīng)力小、焊接變形小、高質(zhì)量高效率等許多優(yōu)點(diǎn)的小孔型等離子弧焊接。

3.1 S31603奧氏體不銹鋼焊接工藝

以多晶硅不銹鋼壓力容器為例說(shuō)明奧氏體不銹鋼壓力容器的焊接，該設(shè)備高度為76 000 mm，設(shè)備直徑、壁厚規(guī)格：Φ2 400 mm×45 820 mm×26/22/20/18 mm(筒體)/26/18 mm（封頭），體積為211.3 m3。設(shè)備主要受壓元件材料為S31603，金屬質(zhì)量為375 000 kg。

該設(shè)備縱、環(huán)縫焊接參數(shù)：縱、環(huán)縫焊接根據(jù)焊接部位采用里、外焊接方法及清根方法，該設(shè)備里、外均采用埋弧焊，所使用的焊材為ER316L+JWF601A，在焊接之前應(yīng)先進(jìn)行烘干，使用焊條直徑為Φ3.2 mm，電源電流采用直流反接，控制在350～380 A，焊接電壓在30～32 V，焊接速度大于等于22 m·h-1。

焊接時(shí)應(yīng)先對(duì)焊材進(jìn)行烘干，對(duì)基材厚度較厚的進(jìn)行預(yù)熱，合理控制好預(yù)熱溫度，一般預(yù)熱溫度為≥15 ℃，并且在坡口兩邊寬度150 mm處進(jìn)行預(yù)熱，在焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中層間溫度，定期進(jìn)行測(cè)溫，層間溫度控制在15～100 ℃，并做好探傷。

3.2 注意事項(xiàng)

焊前檢查焊材牌號(hào)及規(guī)格，保證焊材處于烘干狀態(tài)及干凈。

坡口嚴(yán)格按照焊接工藝尺寸進(jìn)行加工，并且在加工坡口的同時(shí)注意不銹鋼表面的保護(hù)。

坡口機(jī)加工后進(jìn)行除油、除銹。

一面焊接完后，反面清根處理時(shí)采用等離子氣刨清根，禁止采用碳弧氣刨清根，并對(duì)清根后坡口進(jìn)行打磨。

最后焊接完后，保證焊縫與母材齊平。

焊縫內(nèi)、外表面在焊接前在焊縫兩邊150 mm范圍內(nèi)涂抹白堊粉，防止飛濺。

4 結(jié) 論

壓力容器是危險(xiǎn)性較大的特種設(shè)備，一旦出現(xiàn)事故將會(huì)帶來(lái)不可估量的損失，因此奧氏體不銹鋼壓力容器在制造中應(yīng)嚴(yán)格對(duì)每一道工序進(jìn)行把關(guān)，由于奧氏體不銹鋼的特殊性能，近些年奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，尤其對(duì)它的制造工藝以及防護(hù)技術(shù)格外關(guān)注，切實(shí)有效的策略是確保奧氏體不銹鋼壓力容器的制造質(zhì)量和運(yùn)行安全的前提，尤其在每一個(gè)工序上都應(yīng)該嚴(yán)格把關(guān)。在制造過(guò)程中形成隔離帶盡可能地避免奧氏體不銹鋼與鐵離子、氯離子、碳鋼以及低合金鋼的接觸。在焊接過(guò)程中應(yīng)先進(jìn)行評(píng)定合格，采取最適合該設(shè)備的焊接工藝；在裝配制造工藝中，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及制造工藝控制幾何尺寸，絕對(duì)不能強(qiáng)力組裝。