１８－８大型不銹鋼立式儲罐焊接要點分析

鄒家齊

摘要：18-8不銹鋼作為一種常用的鋼材，在化工及食品、制酒等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，但應(yīng)用在大規(guī)模的立式儲罐上還是不多。本文以5000m3不銹鋼罐（0Cr18Ni9）的焊接為依托，結(jié)合立式儲罐的焊接工藝方法，簡要介紹了如何保證不銹鋼儲罐焊接時容易出現(xiàn)的角變形、晶間腐蝕、熱裂紋等問題。

關(guān)鍵詞：晶間腐蝕 熱裂紋 角變形

1 概述

18-8不銹鋼供貨狀態(tài)為固溶酸洗，固溶化處理將鉻的碳化物溶到奧氏體中提高其耐腐蝕能力。18-8不銹鋼焊接時易出現(xiàn)晶間腐蝕，因其導(dǎo)熱系數(shù)小，焊接熱影響區(qū)在450℃—850℃溫度區(qū)停留時間長，易在晶界處形成鉻的碳化物，其中鉻來自晶粒的表層，而內(nèi)部的鉻來不及補(bǔ)充，造成晶粒表層含鉻量不足，形成貧鉻區(qū)域，在腐蝕嚴(yán)重的情況下貧鉻區(qū)域優(yōu)先腐蝕，這樣就形成了熱影響區(qū)晶間腐蝕；焊縫金屬由于多層焊道施焊反復(fù)加熱處于敏化溫度的時間長，造成焊縫的晶間腐蝕。由于導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，在焊接期降溫區(qū)焊接接頭承受較大的應(yīng)力，其次焊縫組織易形成柱狀晶體，有利于雜質(zhì)偏析及晶間液態(tài)夾層形成，再次，鎳與硫磷等雜質(zhì)形成易熔共晶體，為此18-8不銹鋼易出現(xiàn)焊縫的熱裂紋現(xiàn)象。由于18-8不銹鋼電阻是碳素鋼的5倍，導(dǎo)熱系數(shù)為碳素鋼的1/3，線膨脹系數(shù)為碳素鋼的1.5倍，再次相對于管材及其他小直徑的容器，大型儲罐曲率小，相同厚度時，其徑向剛性小，容易產(chǎn)生焊接角變形。

2 具體解決措施

2.1 避免晶間腐蝕的方法 引起晶間腐蝕的原因是復(fù)雜多樣的，針對立式儲罐的施工特點，有效可行的方法有以下幾點①選用超低碳或添加了鈦和鈮合金的焊條；②采用小的焊接線能量，快速冷卻，避免高溫停留區(qū)；③采用雙面焊接方法，與介質(zhì)接觸的焊接面后焊。選用超低碳或添加了鈦和鈮合金的焊條，利用鈦和鈮優(yōu)先于鉻與碳形成穩(wěn)定的碳化物，從而阻止形成富鉻碳化物，減少晶間腐蝕。但在母材不是超低碳不銹鋼的情況時，采用超低碳或添加了鈦和鈮合金的焊條效果不是十分明顯，因為熔合比的作用將會使母材向焊縫中增碳，達(dá)不道預(yù)期目的，反而造成浪費。采用小的焊接線能量，快速冷卻。兩者的目的都是減少高溫過熱區(qū)及中溫敏化區(qū)停留時間，減少Cr23C6擴(kuò)散及沉淀形成所需要的時間。小的線能量可采用短電?。ú粩[弧）、窄焊道、快速焊、小電流來實現(xiàn)，而層與層、道與道之間焊接時要控制好間隔溫度，將溫度控制在100℃以下。采用水冷的方法，可以達(dá)到快速冷卻，通過敏化區(qū)的目的，同時節(jié)省空冷時間，增加工效。水冷方法：采用海綿吸足水，將海綿敷在焊道及熱影響區(qū)，水冷前勿需敲掉藥皮，防止水蒸氣侵入焊縫表層，待水冷卻后藥皮自行脫落。儲罐內(nèi)側(cè)與介質(zhì)接觸，放在最后焊接，焊后做酸洗鈍化處理，增強(qiáng)耐腐蝕能力。

2.2 避免熱裂紋的方法 控制熱裂紋的方法有:①使焊縫為A+F雙相組織②控制焊縫金屬Cr/Ni比大于2③控制P、S等雜質(zhì)含量④控制合理的焊接工藝。對于既定的板材焊接,前三個因素通過焊材的選擇來控制。以0Cr18Ni9鋼焊接為例,選用A102焊條主要成分（見表一）：

采用該種焊材，焊縫中F組織占7－10％，能溶解P、S等雜質(zhì)，阻止低熔點共晶體形成網(wǎng)狀，從而阻止裂紋擴(kuò)展和延伸。且，Cr/Ni比大于2，P、S雜質(zhì)含量低于母材，有利于避免熱裂紋形成。制定合理的焊接工藝（見表二）。儲罐環(huán)縫焊接過程中，幾乎沒有熱裂紋出現(xiàn)，而在立焊縫焊接過程中容易出現(xiàn)熱裂紋。主要原因是：首先，由于儲罐施工立焊縫先焊接，其組對焊接應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)焊縫受的應(yīng)力；其次，橫焊縫電弧連續(xù)，借助于電弧吹力，再加上橫焊縫熔池流淌性好于立焊縫，能保證熔池內(nèi)鐵水飽滿；再次，因為立焊縫采用滅弧焊手法，收弧、引弧點多，點與點之間時間間隔難控制，容易形成弧坑熱裂紋。具體解決措施如下：橫焊時操作手法：少擺動，窄焊道，多道焊；短電弧，快速焊。焊條與行走方向成85°角。立焊操作手法：滅弧焊，焊條與壁板成90°角，收弧時要慢，填滿弧坑，成月牙型收弧。控制好每次引弧、滅弧時間間隔，應(yīng)保證上一次弧點變?yōu)榘导t色之前，進(jìn)行下一點引弧焊接，否則容易在應(yīng)力作用下出現(xiàn)熱裂紋及弧坑裂紋；保證下一焊點壓蓋住上一焊點的3/4，即使上一焊點出現(xiàn)裂紋，進(jìn)行下一焊點時也將其熔化；控制好運條角度及弧長，短電弧，電弧吹力小，再加上大的焊接角度能保證弧坑熔池內(nèi)鐵水，避免出現(xiàn)弧坑裂紋。

2.3 防止焊接角變形措施 預(yù)防焊接變形，焊前可以通過焊接工藝參數(shù)、坡口形式、反變形、剛性固定、焊接順序等方面加以控制；焊后通過火焰局部加熱、機(jī)械進(jìn)行矯正。但針對不銹鋼儲罐的可操作方法不多，焊接工藝參數(shù)采用的是小電流、多道、多層焊，小線能量輸入，有利于減小焊接變形，不需要調(diào)整；從罐板組裝方式及規(guī)格來看，反變形法無法實現(xiàn)；焊后進(jìn)行加熱矯正變形對于不銹鋼罐也行不通。為此可行的方法只有剛性固定、焊接順序安排、坡口形式選擇三種。儲罐的立焊縫相對較短，受力簡單，通過段焊（隔500mm焊500mm）及控制層間溫度的方法即可控制住角變形量。但，環(huán)焊縫焊道長，總體收縮量大，受力復(fù)雜，角變形量隨著板厚增大而不易控制。防止厚板環(huán)縫角變形根本的措施是開K型坡口。K型坡口保證在壁板兩側(cè)填充金屬量相當(dāng)，熱輸入量相當(dāng)，消除角變形的根源，同時，K型坡口使焊縫的總填充量小于單V型坡口，節(jié)省了焊材。焊接環(huán)焊縫時，根據(jù)不同情況確定不同焊接順序，見表三。

對于單V型坡口先焊內(nèi)側(cè)面，是因為內(nèi)外焊道層數(shù)相差較多，熱量輸入相差大，易引起焊接角變形。先焊內(nèi)側(cè)焊道，增大焊道及熱影響區(qū)剛度，能有效遏止焊接角變形，同時利用坡口在外側(cè)清根容易。但此種焊接方法違背了不銹鋼焊接時最后焊與介質(zhì)接觸部分的防晶間腐蝕原理，為此在外側(cè)焊接時應(yīng)及時對焊道進(jìn)行水冷降溫，快速通過奧氏體不銹鋼的貧鉻敏化溫度區(qū)（450-850℃）。采用K型坡口的同時也必須嚴(yán)格控制焊接順序。若先焊完一面再焊另一面，焊第二面時所產(chǎn)生的角變形不能完全抵消第一面的角變形，因為焊第二面時，第一面的焊縫已完成，接頭剛度大大增加，角變形比第一面小。應(yīng)該先在內(nèi)側(cè)焊接少數(shù)幾層，然后焊外側(cè)，焊的層數(shù)比內(nèi)側(cè)多，最好一次把外側(cè)焊滿，使它所產(chǎn)生的角變形抵消內(nèi)側(cè)所產(chǎn)生的變形并稍稍超過一點，然后焊內(nèi)側(cè)，將該面剩下的焊完。每一層環(huán)焊縫焊接時采用倒退跳焊的方法進(jìn)行焊接(如圖一)。焊工均布，隔1000mm焊500mm，每一層焊縫每個焊工分3次跳焊完畢，層與層之間跳焊位置錯開上一層，避免焊縫接頭重合。蓋面焊接不分段。

3 結(jié)束語

大慶油田化工集團(tuán)一期工程醋酸項目的不銹鋼罐群，罐主體采用0Cr18Ni9不銹鋼板，包括1臺100m3儲罐，2臺600m3儲罐，2臺1000m3儲罐，3臺5000m3儲罐。采用以上焊接工藝及手法收到良好效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]周振豐編.金屬焊接性.

[2]張文許編.焊接冶金學(xué).

[3]吳越編.焊接結(jié)構(gòu).

[4]張其樞，堵耀庭編.不銹鋼焊接.