楊偉鋒， 許 斌， 吳玉輝， 劉 桑， 王孟果

(廣州文沖船廠有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510725)

0 引 言

近年來，國際公約關(guān)于硫氧化物(SOx)的排放標(biāo)準(zhǔn)愈加嚴(yán)格，全球很多地區(qū)劃定限制排放區(qū)域[1]。為滿足國際海事組織(IMO)的船舶硫排放要求，許多船舶所有人選擇增加廢氣脫硫裝置滿足SOx排放要求。船用脫硫裝置系統(tǒng)可分為開式、閉式和混合式等3種[2]，其中：混合系統(tǒng)由于其兼具開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)的優(yōu)點可在全球海域航行，頗受船舶所有人青睞。由于在船舶尾氣脫硫過程中存在約250 ℃高溫[3]、鈉堿、硫酸、氯離子等工況，形成惡劣的腐蝕環(huán)境，因此脫硫裝置通常的使用材料為帶防腐涂層的碳鋼、玻璃鋼、不銹鋼和鎳基合金[4]。項目產(chǎn)品安裝的脫硫裝置多為混合系統(tǒng)，使用2種耐腐蝕性優(yōu)異的特種不銹鋼：S31254超級奧氏體不銹鋼，用于高溫工況的塔體及管路；S32750超級雙相不銹鋼，用于塔體外管及洗滌水排舷外管。塔體部分外管、洗滌水排舷外管為船廠現(xiàn)配管，其對接縫及與船體外板的角接縫由船廠在安裝脫硫裝置時焊接，船廠需要新設(shè)計合適的焊接工藝并進行評定，確保焊接接頭的質(zhì)量及使用性能。

1 焊接工藝設(shè)計

焊接工藝直接影響管路接頭的質(zhì)量及使用性能，船級社要求在施焊前須進行焊接工藝評定。綜合考慮管材的材質(zhì)、規(guī)格、接頭類型、可焊性及現(xiàn)有資源，新設(shè)計3項焊接工藝用于脫硫裝置安裝過程中的管路焊接。坡口焊縫位置區(qū)分為1G(平焊)、2G(橫焊)、3G(立焊)、4G(仰焊)、5G(管道水平固定焊)、6G(管道斜45°固定焊)。

1.1 S31254管對接縫焊接工藝

洗滌塔外接管為S31254管，直徑為89.0～480.0 mm，壁厚為3.0～4.5 mm，管材對接縫的焊接位置隨管路走向變化多樣?？紤]管壁較薄及焊縫的保護效果，選用手工鎢極氬弧焊(Tungsten Inert Gas Welding，TIG焊)方法焊接對接縫，在焊接時管子內(nèi)部充氬氣保護，使用無襯墊單面多道焊成形工藝。由于超級奧氏體不銹鋼管使用化學(xué)成分與母材相匹配的焊材易出現(xiàn)嚴(yán)重的接頭熔合區(qū)合金元素偏析及較大的熱裂紋傾向現(xiàn)象[5]，因此焊絲選用含Mo的鎳基合金ERNiCrMo-3型焊材，直徑為2.4 mm，管材坡口鈍邊約0.5 mm。坡口節(jié)點設(shè)計如圖1所示。

圖1 S31254管對接縫坡口節(jié)點設(shè)計

1.2 S32750管管板全焊透角接縫焊接工藝

洗滌水排舷外管使用S32750管，直徑為273.0～426.0 mm，管材壁厚通常與船板一致，為13.0～16.0 mm。管材由船體內(nèi)側(cè)垂直穿過船體外板，端部伸出外板10.0～20.0 mm，與船板全焊透角接，焊接位置接近6G。焊縫及伸出外板部分的管外壁設(shè)計玻璃鱗片漆涂層保護，無須考慮被腐蝕的危險。焊縫背面的管材內(nèi)壁直接與腐蝕介質(zhì)接觸，需要保證管內(nèi)側(cè)0.5倍壁厚范圍的基材在受焊接熱影響后的耐蝕性能。考慮該管板角接頭焊接量相對較大及低溫韌性要求不高，焊接方法選用效率較高的CO2氣體保護藥芯焊絲電弧焊(Gas Shielded Flux-Cored Arc Welding，F(xiàn)CAW-G)。適用該異種鋼接頭焊接的藥芯焊絲類型為ER309L或ER309MoL，直徑為1.2 mm。ER309MoL型焊絲含Mo，在接頭焊接時可減少S32750管側(cè)Mo的稀釋，對保持管材的耐點蝕性有益。經(jīng)核算，在項目產(chǎn)品上用于脫硫排舷外管的焊絲年用量不超過90 kg，加上該型焊絲持有船級社認證的廠家較少，若使用該型焊絲會在焊材采購和管理方面帶來諸多不便。ER309L型焊絲不僅可解決使用ER309MoL型焊絲帶來的問題，而且焊材成本可降低約14%。工藝設(shè)計暫定選用ER309L型焊絲，至于管材的耐蝕性問題，可考慮通過控制焊接熱輸入及層間溫度減少焊接對管材內(nèi)壁各種性能的影響，有待進行工藝試驗評估管材在焊后的耐蝕性是否滿足設(shè)計要求。坡口節(jié)點設(shè)計如圖2所示。

圖2 S32750管管板全焊透角接縫坡口節(jié)點設(shè)計

1.3 S32750管對接縫焊接工藝

脫硫排舷外管及部分洗滌塔外接管使用S32750管，直徑為84.0～426.0 mm，壁厚為3.0～16.0 mm，對接縫焊接位置隨管路走向變化多樣?？紤]該類管材對接縫的物料數(shù)量較少及在焊接時可較易控制接頭組織中的相比例，同樣選用手工TIG焊方法進行焊接，在焊接時管子內(nèi)部充氬氣保護，使用無襯墊單面多道焊接成形工藝。焊絲選用ER2594奧氏體-鐵素體型焊材，焊絲直徑為2.0 mm。坡口節(jié)點設(shè)計與S31254管一致。

2 焊接工藝試驗

通過技術(shù)調(diào)研，新引進INCONEL FILLER METAL 625(ERNiCrMo-3型)和SMT-2594(ER2594型)牌號的手工TIG焊焊絲，分別用于S31254管和S32750管對接縫的焊接，S32750管管板全焊透角接縫焊接則使用現(xiàn)有的SW-309L Cored(ER309L型)牌號焊絲?？紤]試管可滿足沖擊試驗取樣及工藝可覆蓋脫硫管路焊接，對接縫試樣選用168.0 mm×3.5 mm規(guī)格的S31254管及168.0 mm×10.0 mm規(guī)格的S32750管，管板角接縫試樣則選用168.0 mm×10.0 mm規(guī)格的S32750管和350.0 mm×350.0 mm×20.0 mm規(guī)格的DH36船用鋼板。要求試管及試板具備材質(zhì)證明書，試管、試板及焊絲具有船級社型式認可，其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))如表1所示。

表1 試管、試板及焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

考慮工藝可覆蓋管材船上焊接工況及后續(xù)檢測取樣要求，安排S31254管6G位置對接焊、S32750管板6G位置全焊透角接焊、S32750管2G和5G位置對接焊共4個焊接工藝試驗項目。

在試驗初期，試管焊縫出現(xiàn)諸如打底焊道焊穿、下垂、凹陷、定位焊處接頭未熔合等問題。技術(shù)人員在后續(xù)試驗中分析、總結(jié)原因及規(guī)律，并對管材裝配及焊接參數(shù)匹配進行持續(xù)的改進及優(yōu)化。經(jīng)過多次試驗及改進，完成特種不銹鋼管4項焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化及定型，如表2～表4所示。

表2 S31254管對接縫手工TIG焊優(yōu)化后的焊接參數(shù)

表3 S32750管管板全焊透角接縫CO2 FCAW-G優(yōu)化后的焊接參數(shù)

表4 S32750管對接縫手工TIG焊優(yōu)化后的焊接參數(shù)

3 工藝評定

將新設(shè)計的焊接工藝的評定方案遞交至挪威船級社(DNV)進行審查并獲得批準(zhǔn)，試管在驗船師的見證下進行焊接、無損檢測(Nondestructive Testing，NDT)、破壞性力學(xué)性能試驗及接頭腐蝕試驗。

試管焊縫的表面成形均勻，焊縫表面光順，未發(fā)現(xiàn)外觀缺陷。對接焊縫經(jīng)射線探傷(Radiographic Testing，RT)未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，焊縫經(jīng)著色滲透探傷(Penetrant Testing，PT)未發(fā)現(xiàn)表面裂紋缺陷，管板全焊透角接縫經(jīng)超聲探傷(Ultrasonic Testing，UT)未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷。

每個對接縫試管各取2個橫向焊縫接頭拉伸試樣和4個彎曲試樣在1 000 kN微機控制電液伺服萬能試驗機上進行試驗。S31254管接頭抗拉強度試驗結(jié)果為722 MPa和712 MPa，滿足規(guī)范不小于650 MPa的要求。S32750管2G試管焊縫接頭抗拉強度試驗結(jié)果為804 MPa和802 MPa，5G試管焊縫接頭抗拉強度試驗結(jié)果為819 MPa和820 MPa，均滿足規(guī)范不小于800 MPa的要求。彎曲試樣經(jīng)4倍直徑的彎芯彎曲180°，正、反面彎曲試樣均未發(fā)現(xiàn)裂紋。考慮后續(xù)S32750管可能用于低溫環(huán)境，由試管接頭取樣進行-51 ℃的沖擊試驗，試驗結(jié)果如表5所示，接頭各區(qū)域平均沖擊值均大于規(guī)范23 J的要求。S32750管對接接頭各區(qū)域硬度值檢測按洛氏硬度標(biāo)尺C(HRC)計算，S32750管板角接接頭各區(qū)域硬度值檢測按維氏硬度HV10計算，檢測結(jié)果如表6所示。測得S32750管對接接頭硬度最大值為30.7 HRC，符合規(guī)范不大于32 HRC的要求；測得S32750管板全焊透角接接頭硬度檢測最大值為295 HV10，符合規(guī)范不大于350 HV10的要求。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，S31254超級奧氏體不銹鋼管免于進行接頭沖擊試驗及硬度檢測。

表5 S32750管對接接頭各區(qū)域沖擊試驗結(jié)果

表6 S32750管對接接頭、管板全焊透角接接頭的硬度檢測結(jié)果

對4個試管的焊縫接頭取樣進行腐蝕試驗。4個焊縫接頭斷面宏觀試樣經(jīng)氯化鐵鹽酸溶液腐蝕，焊縫接頭顯示熔合良好，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。S31254管對接接頭按ASME A262-2015標(biāo)準(zhǔn)取樣并進行晶間腐蝕試驗，未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。S32750管對接接頭按GB/T 13298-2015標(biāo)準(zhǔn)取樣，在拋光截面后經(jīng)85 ℃堿性鐵氰化鉀溶液侵蝕，在顯微鏡下觀察試樣的焊縫、熱影響區(qū)及母材的顯微組織均為奧氏體+鐵素體。按ASTM E562-2002標(biāo)準(zhǔn)采用圓格網(wǎng)點法檢測對接接頭各區(qū)域鐵素體質(zhì)量分數(shù)，2G試管檢測最低值為34.7%，5G試管檢測最低值為34.2%，鐵素體質(zhì)量分數(shù)最低部位均為根部焊縫中心(金相組織見圖3和圖4)，滿足規(guī)范鐵素體質(zhì)量分數(shù)為30%～70%的要求。

圖3 S32750管2G試管根部焊縫中心金相組織

圖4 S32750管5G試管根部焊縫中心金相組織

按ASTM G48-2011方法A標(biāo)準(zhǔn)截取S32750管對接接頭試樣進行點腐蝕試驗，在4個試樣中測得最大腐蝕率僅為0.316 g/m2，滿足規(guī)范腐蝕量小于4.0 g/m2的要求，放大20倍未發(fā)現(xiàn)麻點侵蝕。為驗證6G管板試樣在焊接后其管子內(nèi)壁的耐腐蝕性是否滿足設(shè)計要求，在管材內(nèi)壁焊縫的背面取0.5倍管壁厚即5.0 mm厚的試樣進行點腐蝕試驗，并對5.0 mm內(nèi)面基材的金相組織和鐵素體質(zhì)量分數(shù)進行檢測，檢驗方法與S32750管對接縫一致。試驗測得點腐蝕率為0.06 g/m2，5.0 mm內(nèi)面基材的顯微組織為奧氏體+鐵素體，測得鐵素體質(zhì)量分數(shù)為48.0%(金相組織見圖5)，比S32750管基材的鐵素體質(zhì)量分數(shù)測量值51.0%(基材金相組織見圖6)僅減少3.0%，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

圖5 S32750管6G管板試管5.0 mm內(nèi)面基材金相組織

圖6 S32750管基材金相組織

4 結(jié) 語

在焊工取得船級社頒發(fā)的焊工資格證后，新工藝在2 150 TEU、600 TEU、2 350 TEU型集裝箱船脫硫裝置管路焊接中進行應(yīng)用，焊縫質(zhì)量效用試驗獲得船舶所有人、船舶檢驗機構(gòu)的一致認可。相繼交付帶脫硫裝置的船舶均未有腐蝕問題的反饋。新工藝的設(shè)計體現(xiàn)實用性及經(jīng)濟性，有利于提高施焊效率及降低生產(chǎn)成本。