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        污水處理設(shè)備(奧氏體不銹鋼)的焊接研究

        2016-11-29 11:19:14丁衛(wèi)松張建黨
        中國(guó)設(shè)備工程 2016年14期
        關(guān)鍵詞:晶間腐蝕焊條奧氏體

        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(xì)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(diǎn)、物理性能、力學(xué)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(qiáng)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(dǎo)致設(shè)備的強(qiáng)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?cè)谠O(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(diǎn),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(duì)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(diǎn)

        1.1 奧氏體不銹鋼概述

        當(dāng)合金鋼中鉻量達(dá)到12%以上時(shí),鋼的表面能迅速的形成致密的Cr2O3氧化膜,使鋼的電極點(diǎn)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(shí),具有穩(wěn)定奧氏體組織的不銹鋼。它無(wú)磁性,有極強(qiáng)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(yīng)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(xué)成分見(jiàn)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(xué)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(dǎo)熱率是碳鋼的1/2。奧氏體不銹鋼具有非磁性,見(jiàn)表2。

        表2 碳鋼與奧氏體不銹鋼力學(xué)性能比較

        1.3.2 奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能

        奧氏體不銹鋼具有低的屈強(qiáng)比(40%~50%),伸長(zhǎng)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(huì)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(xué)性能,見(jiàn)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(duì)與不同類型的奧氏體不銹鋼在從高溫冷卻到室溫時(shí)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(wèn)題。

        2.1 接頭的耐蝕性

        表3 奧氏體不銹鋼力學(xué)性能

        2.1.1 晶間腐蝕

        奧氏體焊縫長(zhǎng)期在500—800為溫度區(qū)區(qū)域處理時(shí),過(guò)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(qiáng)度幾乎消失,是一種極危險(xiǎn)的破壞形式。防止產(chǎn)生焊接接頭晶間腐蝕應(yīng)從焊接材料和焊接工藝兩個(gè)方面進(jìn)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(xiǎn)溫度區(qū)域的停留時(shí)間

        2.1.2 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

        應(yīng)力腐蝕是在靜拉伸應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用下引起的一種斷裂現(xiàn)象,包括應(yīng)力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞三種。一般純金屬不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕,在晶界上的合金元素偏析是引起應(yīng)力腐蝕的主要原因。應(yīng)力腐蝕在拉應(yīng)力的作用下才會(huì)產(chǎn)生而在壓應(yīng)力下則不會(huì),應(yīng)力主要是因?yàn)楣こ讨械臍堄鄳?yīng)力和焊接應(yīng)力引起。要防止應(yīng)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(yīng)力集中或焊接缺陷。最后要進(jìn)行消除應(yīng)力處理,可以采用殘余變形和錘擊法松弛殘余應(yīng)力,或者通過(guò)低溫(低于300~350℃)退火處理,也可以實(shí)施大于850℃熱處理消除踐余應(yīng)力。

        2.1.3 接頭的熱裂紋

        奧氏體不銹鋼因?yàn)闊釋?dǎo)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(duì)與奧氏體不銹鋼焊縫,在凝固結(jié)晶過(guò)程中,一些雜質(zhì)和和金元素容易在晶界形成低熔點(diǎn)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(guò)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(duì)控制熱裂紋有一定作用。③減小熔合比。在減小母材對(duì)焊縫稀釋率時(shí),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(jìn)裝配質(zhì)量等。

        3 奧氏體補(bǔ)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(jì)成本等因素的制約,在生產(chǎn)設(shè)備的焊接修補(bǔ)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(zhǎng)度,焊條角度和焊接速度,對(duì)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(duì)焊縫的清理要求相對(duì)較低,工藝靈活,適用性強(qiáng)。

        3.1 焊前坡口準(zhǔn)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(duì)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(duì)與要求高的,在罕見(jiàn)破口涂上白瑩粉或石灰防止焊接飛濺,具體裝配尺寸見(jiàn)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(shí)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力,要求采用嚴(yán)格的定位焊用的焊條應(yīng)與焊接使用的焊條相同,焊條直徑應(yīng)選用較細(xì)的,定位焊縫的高度一半部超過(guò)焊件厚度2/3,如對(duì)于d≦Φ89mm的管采用兩點(diǎn)定位,d=Φ89~Φ219mm采用三點(diǎn)定位,d≧219mm的采用四點(diǎn)定位;焊縫長(zhǎng)度為20~30mm,定位焊的焊接參數(shù)應(yīng)該和正式焊接相同,見(jiàn)表5。

        表5 定位焊縫的長(zhǎng)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(hào),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(duì)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(yīng)根據(jù)不銹鋼的材質(zhì),工作條件來(lái)選,選用不當(dāng)會(huì)降低街頭強(qiáng)度增大晶間腐蝕傾向,縮短使用壽命。第四,焊條選擇在是實(shí)際操作中多選用鈦鈣型不銹鋼酸性焊條,但對(duì)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(jiàn)奧氏體不銹鋼鋼號(hào)和牌號(hào)見(jiàn)表6。

        3.4 奧氏體不銹鋼焊接

        表6 常見(jiàn)奧氏體不銹鋼鋼號(hào)和牌號(hào)見(jiàn)

        (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(yùn)條不做橫向擺動(dòng),焊條較窄。特備是仰焊位置焊接,由于不銹鋼的導(dǎo)熱率小,部容易散熱,熔滴在高溫時(shí)停留時(shí)間長(zhǎng),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(yùn)條的手法,見(jiàn)表7。

        表7 焊接電流參數(shù)表

        (2)焊接厚板時(shí)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(yùn)條要穩(wěn),收弧時(shí)要填滿弧坑。奧氏體不銹鋼并沒(méi)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(qiáng)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(dǎo)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(yǔ)

        隨著工業(yè)的不斷發(fā)展,奧氏體不銹鋼在核動(dòng)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(yīng)用。了解奧氏體不銹鋼的組織特性、力學(xué)特性和焊接工藝,將大大的減少勞動(dòng)強(qiáng)度,提高焊接效率,降低生產(chǎn)成本。

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

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

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

        [4]焊接材料簡(jiǎn)明選用手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社,1999.5.

        [5]徐初雄.焊接工藝500問(wèn).機(jī)械工業(yè)出版社,2003.1.

        圖2 部分管點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)圖

        3 結(jié)論

        本文結(jié)合不同軟件的優(yōu)勢(shì),提出了聯(lián)合運(yùn)用CAESARII、AUTOPIPE和PULS軟件對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)管道進(jìn)行應(yīng)力分析的方法。文中所述方法對(duì)某氣田往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行應(yīng)力分析,建立了其進(jìn)排氣管道的模型,模型正確反映了往復(fù)式壓縮機(jī)管道的振動(dòng)問(wèn)題。

        參考文獻(xiàn):

        [1]黨錫淇,陳守五.活塞式壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)與管道振動(dòng)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1984.

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

        [3]章罡本,彭學(xué)院.CAESARII在往復(fù)壓縮機(jī)管道振動(dòng)及應(yīng)力分析中的應(yīng)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(jì)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(yīng)力校核結(jié)果

        U664.9+2

        A

        1671-0711(2016)10(下)-0084-03

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