王哲勤

（吉林市廣播電視大學(xué)，吉林市 132001）

金屬材料在化學(xué)工業(yè)當(dāng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，“例如化工設(shè)備、化工管線、化工儀表等都有很大一部分是使用金屬材料來制造的”，①而設(shè)備、管線和儀表選材、制造和安裝的基本要求是滿足工藝和操作的使用要求，對(duì)于發(fā)展高質(zhì)高效的精細(xì)化工來講，在依據(jù)工藝和操作的需求對(duì)設(shè)備、管線和儀表等提出選材要求之后，化工設(shè)備、管線和儀表的制造、安裝的質(zhì)量水平，決定著化工單元操作的質(zhì)量水平和穩(wěn)定性②，所以，在一定意義上說，化工設(shè)備、管線和儀表的制造、安裝的質(zhì)量水平也是發(fā)展高質(zhì)高效的精細(xì)化工的基本瓶頸技術(shù)。而化工設(shè)備、管線和儀表的制造、安裝過程中，焊接是被廣泛應(yīng)用的制造安裝方法，而就金屬材料的理化特性來研究化工設(shè)備的選材與焊接工藝之間的關(guān)系，是提高化工設(shè)備、管線和儀表的制造、安裝的質(zhì)量水平的基本技術(shù)研究之一。

一、滿足工藝要求的材料與焊接工藝選擇的意義

下面化工設(shè)備與管線制造與安裝焊接接頭失效實(shí)例:

例1:“某化工廠堿熔釜16 M n R基層在設(shè)備使用一年后出現(xiàn)的缺陷如下表1所示:

表1 缺陷分布統(tǒng)計(jì)

在對(duì)16 M n R基層的外側(cè)打磨后發(fā)現(xiàn)，隨著裂紋的深入，面積擴(kuò)大，對(duì)其進(jìn)行P T檢驗(yàn)，可以看到:裂紋由里向外擴(kuò)展，呈網(wǎng)狀。內(nèi)部裂紋細(xì)小，但密集；外部裂紋稀少，但逐漸擴(kuò)大。

對(duì)16MnR基層裂紋部位取樣進(jìn)行理化和金相分析。其結(jié)論:金相試件浸蝕后，顯示裂紋顯微形貌，裂紋以沿晶擴(kuò)展為主，局部區(qū)段為穿晶擴(kuò)展；裂紋有顯微分枝。

例2:“某化肥廠合成氨裝置碳黑水處理單元頂部閃蒸汽管線在運(yùn)行過程中發(fā)生穿透性裂紋（圖1）:304不銹鋼管線連接鉻鎳不銹鋼，易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的”。③這是因?yàn)樵诤附舆^程中容易出現(xiàn)碳化鉻，導(dǎo)致局部貧鉻，抗晶間腐蝕和抗氯化物應(yīng)力腐蝕開裂能力下降；用等離子切割加工時(shí)，如

則由于硬化層的高硬度和應(yīng)力集中，

果不徹底磨除管線表面FeN硬化層，在Cl-富集的情況下會(huì)引起應(yīng)力腐蝕開裂。

圖1 管線焊接裂紋

二、基于材料理化特性的焊接工藝分析

1）理論分析

上述兩實(shí)際例子中，材料焊接區(qū)域的理化特性決定了焊接結(jié)構(gòu)的使用特性，而材料焊接區(qū)域的理化特性取決于焊接區(qū)域的成分狀態(tài)和組織結(jié)構(gòu)。

焊接區(qū)域的金屬化學(xué)成分可以根據(jù)填充金屬、母材成分和熔合比來計(jì)算?！昂附訁^(qū)域的組織結(jié)構(gòu)可以根據(jù)舍夫勒焊接組織圖預(yù)測(cè)”。④

實(shí)際上，焊縫中間部位與焊縫邊緣的化學(xué)成分有很大的差別，熔池邊緣靠近固態(tài)母材處，液態(tài)金屬的溫度較低、流動(dòng)性差，液態(tài)停留時(shí)間較短，受到機(jī)械攪拌作用比較弱，是一個(gè)滯留層。該處融化的母材與填充金屬不能充分地混合，而且越靠近熔合區(qū)，母材成分所占比例越大。

同時(shí)，焊縫中間部位與焊縫邊緣的化學(xué)成分差異以及熱處理狀態(tài)差異使得焊接區(qū)域的組織狀態(tài)變化。

例如Q235與1 Cr18 Ni9焊接時(shí)的Schaf fler可以得到既定母材不同焊接條件下焊接區(qū)域的組織分布狀態(tài)。

“焊接區(qū)域的成分與組織狀態(tài)也可以用探針分析檢驗(yàn)和金相分析檢驗(yàn)”。⑤

Q235與1Cr18 Ni9焊接時(shí)融合區(qū)兩側(cè)在焊態(tài)及經(jīng)過高溫加熱處理后C、Cr元素的電子探針分析結(jié)果。顯然，經(jīng)過6000 C×100 h高溫加熱處理后，在焊接融合區(qū)靠近焊縫金屬一側(cè)的碳含量顯著增加，使熔合區(qū)附近的組織性能發(fā)生明顯變化，尤其是沖擊性降低。

如圖3所示是Q235與1Cr18 Ni9焊接時(shí)融合區(qū)金相分析

2）結(jié)論

焊接結(jié)構(gòu)化工設(shè)備選材:符合設(shè)計(jì)、使用工藝要求，并在此基礎(chǔ)上選擇成分、組織與溫度易控材料。

C、Cr元素的電子探針分析

圖3 Q235與1Cr18 Ni9焊接融合區(qū)

金相分析

焊工設(shè)備焊接工藝:滿足設(shè)計(jì)、使用工藝要求前提下選擇成分、組織與溫度易控材料。并在實(shí)施操作中從微觀上控制成分與溫度場(chǎng)，宏觀上控制組織與溫度場(chǎng)。

化工設(shè)備選材與工藝控制:依據(jù)母材、焊材的理化特性，選擇合理的焊接條件和工藝條件，達(dá)到焊接區(qū)域理化性能更接近母材的焊接結(jié)果，這一結(jié)果，可以在焊接條件和工藝條件選擇上按合金元素的成分分布圖和Schaf fler焊接組織圖進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，在焊接實(shí)施后利用電子探針法和金相試驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)。

注 釋:

①任愛,趙燦,范長(zhǎng)信,等.電站高溫鍋爐管奧氏體異種鋼焊接接頭失效方式研究[J].熱力發(fā)電,2003(8):p27-31

②于啟湛.石油化工設(shè)備用鋼的焊接[J].化工機(jī)械，1990（2）:p50-60

③鄔強(qiáng)，李國(guó)義，耿清.挖補(bǔ)板焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，2002（28）:p7-8

④ G.Muravin，B.Muravin，L.Lezvinsky.Revealing,Identi fying and Assessing Flaws in Weld Joints Operating High Energy Equipment and Ping Chemical,Fossil and Nuclear Power Plants by Quantitative Acoustic Emission Method[J],《Welding in the World》,2009(4).

⑤R.E.TOMAS.D.BRANDIA.C.SOUZAZ.MORA IS.Comparison between DC(+)and Square Wave AC SAW Current Outputs to Weld AISI 304 for Low-Temperature Applications,《Welding Journal》,2011(9).