S22053雙相不銹鋼壓力容器的制造工藝

康聰聰，王秋利

（1.北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075；2.西安航天華威化工生物工程有限公司，陜西 西安710075）

雙相不銹鋼從20世紀30年代開始才逐漸得到發(fā)展和應用，但到現(xiàn)在仍沒有明確的定義，它是指奧氏體和鐵素體各約占50%，其中較少相的最小含量也要達到30%的不銹鋼[1]。雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體雙重金相組織，其性能介于兩者之間，并隨著不同微量元素的添加，對化學成分進行控制的同時，力學性能得到了改善，雙相不銹鋼的力學性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的奧氏體不銹鋼。特別是耐點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕及腐蝕疲勞性能等，完全可與高合金奧氏體不銹鋼相媲美。同時，雙相不銹鋼也具有良好的焊接性。與鐵素體不銹鋼及奧氏體不銹鋼相比，它既不像鐵素體不銹鋼的焊接影響區(qū)，由于晶粒嚴重粗化和金屬間析出相而使耐蝕性能和沖擊性能大幅度降低；也不像奧氏體不銹鋼那樣，對焊接裂紋比較敏感[2]。因此鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼在石油化工、海水與廢水處理、輸油輸氣、造紙、發(fā)電、造鹽等工業(yè)領域獲得越來越廣泛的應用[3]。

S22053雙相不銹鋼由 22%～23%鉻，3%～3.5%鉬及4.5%～6.5%鎳氮合金構成，其屈服強度是奧氏體不銹鋼的兩倍，在設計時可以減輕產(chǎn)品重量，同時具有良好的耐蝕性能，價格又比S31603低，因此有很高的實用價值。

本文以某化工設備項目中的硅藻土過濾器為例，對制造過程中的主要控制點進行論述。

1 設備概況

設備名稱：硅藻土過濾器。

設備尺寸：φ2200mm/φ600mm,δ=8mm,H=5700mm。

設計壓力：0.8MPa。

設計溫度：80℃。

介質：15%硫酸銅、壓縮空氣。

容器類別：I類。

硅藻土過濾器上部為橢圓形封頭，下部為錐形封頭，橢圓形封頭與筒體之間采用法蘭連接，錐形封頭與筒體之間采用焊接。此外，過濾器內(nèi)部還有較為復雜的內(nèi)件，內(nèi)件材質為S22053。

2 設備選材及訂貨要求

由于介質中有氯離子，本設備存在點腐蝕的風險，但是硫酸銅對于S31603來說，是非常有效的緩蝕劑?？紤]到更好的耐蝕性能、力學性能以及價格等因素，本設備主體選用了S22053雙相不銹鋼材料(比S31603強度高、耐蝕性強)。由于制造周期較緊，設備筒體、封頭等主要受壓元件所用的板材直接采購境外牌號。按照國內(nèi)相關規(guī)范的要求，需對主要受壓元件的板材進行化學成分和力學性能的復驗，復驗后的結果應滿足《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》(GB/T 24511-2017)的相關要求。S22053的化學成分見表1，室溫下的力學性能見表2。

表1 化學成分（質量分數(shù)）%

表2 室溫下的力學性能

3 焊接

雙相不銹鋼S2205的焊接過程中，不易出現(xiàn)冷裂紋和熱裂紋。因此常規(guī)的處理方式是焊前不進行預熱，焊后不進行熱處理。當選擇合理的焊接材料，同時確定合適的焊接線能量時，焊接接頭就具有良好的綜合性能[4]。同時，為了保證雙相不銹鋼的優(yōu)良力學性能和耐腐蝕性能，需要在選擇焊接材料時以及在后續(xù)的焊接過程中，嚴格控制氫的來源[5]。

3．1 焊前準備

本設備筒體壁厚較薄，但表面要求卻很高，因此首先對外表面進行拋光，控制其表面粗糙度為Ra1.6，再整體進行拉絲處理。焊前應對焊絲表面、坡口及其附近50mm范圍內(nèi)的油污、油脂、水份等雜質進行清除，焊條、焊劑烘干后存放在專用的保溫桶內(nèi)，焊接坡口采用機械加工的方式。

3．2 焊接方法的選用

雙相不銹鋼的焊接可以采用多種焊接方法，如氣體保護焊、焊條電弧焊、埋弧焊、氬弧焊和等離子焊等。對于單面開坡口焊接，通常采用氬弧焊。同時，焊接方法的選擇還要考慮焊接材料，同時兼顧經(jīng)濟性[6]。

鎢極氬弧焊焊接質量優(yōu)良，自動焊的效率也較高，焊縫成型美觀。采用鎢極電弧焊進行雙相鋼的焊接，可以獲得均勻的鐵素體—奧氏體兩相金相組織，由此得到更加優(yōu)秀的綜合力學性能，從而也保證了優(yōu)良的耐腐蝕性能[7]。

本設備直徑不大，壁厚也較薄，綜合考慮后，本設備全部采用氬弧焊，且背面采用99.99%的純氬氣進行保護。

3．3 焊接坡口及焊接參數(shù)

基于設備的整體尺寸及結構，整臺設備的主體對接焊縫選用外單V形坡口，坡口詳圖如圖1所示。

圖1 坡口詳圖

雙相不銹鋼因其材料特殊性，要求焊縫中奧氏體與鐵素體含量也在一定范圍內(nèi)，而焊接熱輸入對兩相組織的平衡有著重要影響：熱輸入過小時，導致焊接熱影響區(qū)冷卻過快，奧氏體的轉化率降低，嚴重時可抑制鐵素體向奧氏體的轉變過程，最終導致鐵素體含量高，材料的韌性降低；熱輸入過大時，冷卻時間變長，導致鐵素體晶粒不斷長大，同時σ相等脆性相得以析出，會造成焊接接頭脆化[8]。因此在焊接過程中，需要嚴格控制焊接工藝過程，控制線能量的輸入以及層間溫度。本設備焊接時，需將層間焊渣清除干凈,并控制層間溫度≤150℃。

焊接材料的選擇既要保證焊縫金屬的綜合力學性能，不低于母材力學性能的標準值，也要保證焊縫金屬具有和母材接近的兩相組織比例[9]。根據(jù)這一原則和相關標準規(guī)定，本設備焊材選用S2209。

焊接采用多道焊，全部使用氬弧焊。焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

4 主要工藝控制點

4．1 殼體成型

殼體在卷制成形前先檢查，首先檢查軋輥表面，不應有雜物、毛刺等，防止殼體表面被劃傷，并調(diào)整卷板機上、下棍使其平行；卷制過程中控制筒體的圓度，重點在于焊縫區(qū)，隨時用樣板檢查，保證殼體曲率均勻一致。

設備采取分段加工的方法，但是設備一側120°夾角范圍內(nèi)布滿了排管，同時設備主管口的法蘭密封面（DN2200）襯環(huán)還需要焊后再進行精加工，因此需充分考慮開孔的方位以及筒體縱縫的位置。為確保管孔避開縱焊縫，設備組對環(huán)焊縫時，要求相鄰縱縫不小于100mm。

為保證設備尺寸公差要求，設備外側排管組件、接管的相貫線，均采用軟件模擬并放樣，減小放樣誤差；采用線切割進行加工，提高了加工精度，為后續(xù)內(nèi)件的裝配奠定了基礎。

4．2 內(nèi)件裝配

設備使用時要求內(nèi)件各支撐橫梁之間水平的距離相等，同時垂直向下的各螺紋管孔之間的距離成正三角形分布。為了達到設備的使用要求，減小裝配誤差，需采取工裝以保證內(nèi)件的水平度及垂直度。內(nèi)件簡圖如圖2所示。

圖2 內(nèi)件簡圖

4．2．1 排管開孔控制

為減小開孔誤差，將排管組件的法蘭用螺栓連接在工裝上，工裝上的螺栓孔的尺寸須嚴格要求并控制，確保法蘭之間的距離及法蘭密封面的平面度。將排管組件先試組裝，從而比較精確的確定筒體的排管位置，保證制造精度，為下一步的開孔提供了便利。

4．2．2 裝配順序

利用工裝將設備立起來，然后進行翻轉，使設備小端朝下，筒體內(nèi)側利用工裝固定一個平面基準。內(nèi)件進行裝配時，都以此平面作為基準。內(nèi)件試組裝時，需確保各內(nèi)件的水平度和垂直度，這樣才能保證內(nèi)件測量桿上各垂直的管口螺紋都在這個平面上，最終在正式組裝時減輕工作量，同時滿足設備的裝配要求。

4．3 無損檢測

為減少制造缺陷，保證設備制造質量，所有A、B類焊縫要求按NB/T47013.2-2015進行100%射線檢測，Ⅱ級合格，并附加100%滲透檢測，Ⅰ級合格。

5 結論

本設備的制造難點在于材料的焊接以及內(nèi)件的裝配。在制造過程中，合理安排各類焊縫位置，避免焊縫重疊；選擇合理的焊接方法，擬定合理的焊接參數(shù)，控制層間溫度，保證焊接質量，同時保證良好的力學性能和耐腐蝕性能；利用工裝完成內(nèi)件的裝配，減小了內(nèi)件裝配的誤差。通過對各個關鍵制造工藝點的控制，設備的制造質量得以保證，滿足了客戶的需求的同時，縮短了生產(chǎn)周期。