防喘振閥閥芯異種鋼的焊接

（江蘇丹化集團(tuán)有限責(zé)任公司，江蘇 丹陽 212300）

1 故障簡介

原料氣壓縮機(jī)是我公司幾臺大型機(jī)組之一。煤氣化后，經(jīng)除塵、脫硫，再由原料氣壓縮機(jī)增壓送往變壓吸附進(jìn)行氣體分離，最后送往后續(xù)車間生產(chǎn)產(chǎn)品。原料氣壓縮機(jī)起著承前啟后的作用，防喘振閥是該機(jī)組的一個重要部件，是為防止壓縮機(jī)在運行過程中因管網(wǎng)壓力大于壓縮機(jī)出口壓力引發(fā)喘振而設(shè)置的，缺少了該閥，壓縮機(jī)將無法安全運行。

2012年公司在檢修時發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)防喘振閥閥芯上有裂紋，裂紋位置見圖1。裂紋沿焊縫的外緣已經(jīng)形成了一個圓，閥芯上部的異徑管將會出現(xiàn)脫落跡象。

圖1

該防喘振閥是美國FISHER生產(chǎn)的籠式控制閥。該閥芯結(jié)構(gòu)如圖2。

經(jīng)初步分析，原因可能有：(1)建廠初期，由于工藝、設(shè)備等各方面原因，生產(chǎn)不穩(wěn)定，防喘振閥處于經(jīng)常啟動、下落狀態(tài)，對閥芯形成撞擊；(2)該閥芯在制造生產(chǎn)中未嚴(yán)格按施工工藝要求進(jìn)行，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋。

圖2 防喘振閥閥芯結(jié)構(gòu)圖

2 焊補(bǔ)方案

由于檢修時間緊，該閥芯沒有備件，進(jìn)口周期又長，因此決定自行焊補(bǔ)。經(jīng)與陜鼓聯(lián)系，得知閥芯下部的不銹鋼圓筒材質(zhì)為S17400，上部異徑管部分為普通20＃碳鋼。

S17400為沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，其化學(xué)成分如下：

C：≤0.07；Mn：≤1.00；Si：≤1.00；Cr：15.5～17.5；Ni：3.0～5.0；P：≤0.04；S：≤0.03；Cu：3.0～5.0；Nb+Ta：0.15～0.45

S17400的物理特性隨著不同的熱處理溫度而有所變化。總體而言是一種高強(qiáng)度、高硬度不銹鋼。

2.1 可焊性分析

S17400為沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，且和20＃碳鋼進(jìn)行異種鋼焊接，因此必須進(jìn)行可焊性分析。

根據(jù)國際焊接協(xié)會推薦的碳當(dāng)量計算公式：

Ceq(%)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，計算出S17400不銹鋼的碳當(dāng)量為Ceq(%)=4.07，可見該材料的可焊性非常差，處理不當(dāng)極易產(chǎn)生裂紋。

異種鋼之間的焊接一般采用舍夫勒組織圖（如圖3）進(jìn)行可焊性分析，根據(jù)舍夫勒組織圖鉻當(dāng)量計算公式Crep(%)=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb，可計算出S17400不銹鋼的鉻當(dāng)量為Crep=17.65%；根據(jù)鎳當(dāng)量計算公式Niep(%)=Ni+30C+0.5Mn，可計算出鎳當(dāng)量Niep=6.6%，按照計算結(jié)果在舍夫勒圖上找出對應(yīng)的坐標(biāo)，可以看出該不銹鋼焊接后的焊縫組織為奧氏體+馬氏體+鐵素體，鐵素體含量約為30%左右。鐵素體含量高，產(chǎn)生裂紋的可能性就大。為了降低鐵素體含量，選擇A302焊條，按照40%的熔合比，經(jīng)計算，預(yù)計焊縫組織中鐵素體含量可降到15%左右。

圖3

經(jīng)過討論，制定了如下嚴(yán)密的焊補(bǔ)工藝。

2.2 焊接方法

焊接方法選擇手工電弧焊，手工電弧焊熔合比小，母材的合金元素稀釋率低，可以有效地降低裂紋產(chǎn)生的可能。

2.3 焊材的選擇

焊接材料選擇A302焊條，A302焊條的Cr和Ni的高含量可以補(bǔ)充S17400被稀釋的合金元素。焊前焊條經(jīng)200-250℃烘焙1h，除去焊條藥皮中的水分。

2.4 坡口的選擇

用角向砂輪機(jī)對焊縫裂紋進(jìn)行打磨，直至見不到裂紋為止，然后進(jìn)行著色檢查，確定裂紋已經(jīng)打磨干凈。將已有的裂紋進(jìn)行打磨，目的是使在后續(xù)的焊接中不存在裂紋源。在確定無裂紋后，對磨出的坡口進(jìn)行改善，以降低熔合比。改善后的坡口如圖4。

圖4 改善后的坡口圖

開始打磨裂紋時，坡口深度已經(jīng)達(dá)到3 mm，改善時將坡口角度增大到40°左右，這樣可降低熔合比，降低母材在熔敷金屬中的含量，降低焊縫對焊接裂紋的敏感性，提高焊縫金屬的力學(xué)性能。

2.5 焊接工藝參數(shù)的選定

焊接工藝參數(shù)對降低熔合比，降低裂紋傾向有著直接影響。小電流、高焊速的短弧焊，可以降低線能量，降低熔合比，因此選定的工藝參數(shù)為：焊前預(yù)熱至200℃焊接，焊速 120mm/min，電流105-115A，電壓18-20V。實際操作時，用繩狀陶瓷電加熱器給閥芯加熱，將整個閥芯用電加熱帶包起來。為防止上部異徑管內(nèi)空腔散熱過快，用保溫棉將異徑管內(nèi)填滿。用紅外線測溫儀測得焊接部位溫度達(dá)到200℃時開始焊接，且在整個施焊過程中，電加熱器一直維持在200℃的保溫狀態(tài)。

2.6 熱處理

圖5 熱處理記錄曲線圖 橫軸-溫度；縱軸-時間

S17400是沉淀硬化型不銹鋼，要保證這種材料的焊接質(zhì)量，有兩大關(guān)鍵因素：一是焊接，二是熱處理。焊后熱處理有兩個目的：一是消氫，二是消除應(yīng)力。異種鋼之間的焊接，由于熔池兩側(cè)的凝固速度不一致，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生較大應(yīng)力，S17400又是沉淀硬化型不銹鋼，焊接時在這一側(cè)的熱影響區(qū)將產(chǎn)生淬硬傾向較大的馬氏體組織，這種馬氏體組織在較大的拘束應(yīng)力的作用下，會產(chǎn)生淬硬脆化裂紋。因此必須采用適當(dāng)?shù)臒崽幚韥硐龖?yīng)力。制定的熱處理工藝是：焊接結(jié)束后，閥芯外面用保溫棉包好，電加熱器繼續(xù)保持200℃的溫度，保溫1.5h，使焊縫中的擴(kuò)散氫逸出，降低焊縫及熱影響區(qū)的含氫量。然后開始升溫，以200℃/h的速度升溫至650℃，在該溫度下保溫4h，然后撤去電加熱器電源，閥芯外面以及異徑管里面的保溫棉不動，進(jìn)行緩冷，目的是消除焊接時產(chǎn)生的應(yīng)力。具體實施過程見熱處理實時記錄曲線圖。

待熱處理結(jié)束，完全冷卻后，隨之對焊縫進(jìn)行了著色探傷。探傷結(jié)果表明，焊縫未產(chǎn)生裂紋，實踐證明我們制定的焊接工藝及熱處理工藝是正確可行的。

3 結(jié)論

S17400不銹鋼與碳鋼焊接時，要選擇合適的焊材、制定合理的焊接工藝，降低熔合比，減少裂紋產(chǎn)生的可能性；還應(yīng)選擇合適的熱處理工藝，消除內(nèi)應(yīng)力，避免裂紋產(chǎn)生。

[1]楊首恩，劉盛波. 異種鋼焊接接頭的裂紋分析[J].金屬熱處理，2011，36（增刊）：273-276.

[2]李玉萍. 25鋼與1Cr13異種鋼焊接[J].熱加工工藝，2007，36(15)：94-95.

[3]李成魁，殷俊林，嚴(yán)彪. 馬氏體時效鋼的熱處理工藝及應(yīng)用[J].熱處理，2010，25(5)：15-19.