何元沁,袁文榮,王彥
(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)
業(yè)內(nèi)為應(yīng)對(duì)IMO即將實(shí)施船舶燃油硫含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.50%的規(guī)定,主要有使用低硫燃料油、采用清潔能源LNG(液化天然氣)燃料代替燃油,以及加船舶廢氣洗滌系統(tǒng)3種措施[1],從經(jīng)濟(jì)效益及功能性考慮,目前船舶都是通過(guò)安裝船舶廢氣洗滌系統(tǒng)來(lái)滿足對(duì)船舶燃油含硫上限的要求。脫硫塔是船舶廢氣洗滌系統(tǒng)中廢氣洗滌與排放的主要裝置,上口排氣管和下口排沖洗水管采用了雙相不銹鋼的材質(zhì)來(lái)保證其耐腐蝕、耐熱的要求。由于雙相不銹鋼是作為新材料首次在脫硫塔中應(yīng)用,有必要對(duì)材料進(jìn)行焊接性能分析,按《鍋爐及壓力容器規(guī)范 ASME IX卷》的要求設(shè)計(jì)并進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)。
雙相不銹鋼由鐵素體和奧氏體2相組成,通常雙相不銹鋼鐵素體含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%~60%。它保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、耐點(diǎn)腐蝕,以及氯化物應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn);又具有奧氏體不銹鋼韌性好、抗晶間腐蝕、力學(xué)性能以及焊接性能好的優(yōu)點(diǎn)[2],其鎳含量多為1%~2%,而奧氏體不銹鋼鎳含量多為8%~25%,主要通過(guò)降低鎳含量降低成本[2]。雙相不銹鋼在海洋工程(LNG)、化工行業(yè)、石油、造紙、海水利用、發(fā)電等眾多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[3],也符合公司脫硫塔裝置部件材料的性能要求。公司所采用的雙相不銹鋼主要是美標(biāo)牌號(hào)UNS S31803,歐標(biāo)牌號(hào)對(duì)應(yīng)為EN1.4462,國(guó)內(nèi)俗稱2205雙相不銹鋼。
脫硫塔是船舶廢氣洗滌系統(tǒng)中廢氣洗滌與排放的主要場(chǎng)所,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
圖1 脫硫塔裝置
含硫廢氣在脫硫塔中與泵壓的沖洗水充分接觸洗滌,經(jīng)洗滌后的廢氣向上往外排放,由于廢氣在向上過(guò)程中冷凝會(huì)附著于排氣管壁,有很強(qiáng)的腐蝕性,因此洗滌塔出口的排氣管要求使用雙相不銹鋼來(lái)防腐蝕。沖洗水通過(guò)脫硫塔下端管道排出入海,下端管道大多為玻璃鋼管,由于玻璃鋼管與船舷側(cè)外板不能焊接,故末端是以雙相不銹鋼與船體焊接,再通過(guò)法蘭與玻璃鋼管連接的形式。雙相不銹鋼處于極易腐蝕的工況下,其焊接工藝尤其重要。
S31803雙相不銹鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。
S31803雙相不銹鋼的焊接性相對(duì)于奧氏體不銹鋼熱裂敏感性低,相對(duì)于鐵素體不銹鋼塑性降低及冷裂傾向小[4]。所以重點(diǎn)在于熱影響區(qū)性能變化及接頭鐵素體含量的控制。為了抑制焊縫金屬中鐵素體的過(guò)量增加,采用奧氏體占優(yōu)勢(shì)的焊縫金屬是雙相不銹鋼的焊接趨勢(shì),故在焊接材料的選擇上盡量選擇鎳含量較高的焊接材料。
表1 S31803雙相不銹鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能
由于雙相不銹鋼在高溫下是鐵素體,若線能量過(guò)小,熱影響區(qū)冷卻速度快,奧氏體來(lái)不及析出,過(guò)量的鐵素體就會(huì)在室溫下過(guò)冷保持下來(lái)。若線能量過(guò)大,冷卻速度太慢,盡管可以獲得足夠的奧氏體,但也會(huì)引起熱影響區(qū)的鐵素體晶粒長(zhǎng)大及有害金屬相的析出[5],造成接頭脆化。因此,焊接試驗(yàn)中需設(shè)置合理的焊接參數(shù),并采用多層多道焊的焊接形式,使后面焊道對(duì)前面焊道有熱處理作用,焊縫金屬中的鐵素體能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為奧氏體。
實(shí)船有S31803雙相不銹鋼管子對(duì)接(同種材質(zhì))、S31803管-EH36板全熔透角接(異種材質(zhì))2種形式,管子規(guī)格為1 600 mm×6 mm和356 mm×12.5 mm,材質(zhì)為S31803雙相不銹鋼;結(jié)構(gòu)板厚20 mm,材質(zhì)為AH36。管子焊接工藝評(píng)定按《鍋爐及壓力容器規(guī)范ASME IX卷》的要求進(jìn)行認(rèn)可試驗(yàn),外徑覆蓋依據(jù)QW-452.3,壁厚覆蓋依據(jù)QW-451,并根據(jù)現(xiàn)有材料,最終確定工藝試驗(yàn)A組130 mm×11 mm(管子對(duì)接),B組356 mm×12.5 mm+20 mm(管板全熔透角接)。為保證有足夠多的性能測(cè)試件,A組制3份試件。2組試驗(yàn)焊接位置都為6G。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工位,確定雙相不銹鋼管子對(duì)接采用鎢極氣體保護(hù)焊(GTAW),雙相不銹鋼管板全熔透角接采用CO2氣體保護(hù)焊(FCAW)。焊接材料應(yīng)選擇比母材性能更優(yōu)的材料,因此同種材質(zhì)的焊接采用2209系列的氬弧焊焊絲,異種材質(zhì)的焊接采用309L系列CO2焊絲,化學(xué)成分對(duì)比見(jiàn)表2。
確定管子對(duì)接采用V形坡口,單邊角度為30°,鈍邊0~2 mm,根部間隙2~4 mm,坡口形式見(jiàn)圖2;管板穿接采用單邊V形坡口,單邊45°,鈍邊0~3 mm,根部間隙0~3 mm。坡口形式見(jiàn)圖3。
表2 化學(xué)成分對(duì)比 %
圖2 管子對(duì)接坡口
圖3 管板全熔透角接坡口
焊接前焊件無(wú)需預(yù)熱,但焊前必須將焊處表面的鐵銹、油污、水份等雜質(zhì)清除干凈。在進(jìn)行焊接前的清潔和打磨時(shí),只能采用不銹鋼刷子和砂輪片進(jìn)行,避免管子表面碳元素的污染。在進(jìn)行GTAW焊接時(shí),鎢極伸出長(zhǎng)度相對(duì)噴嘴盡可能短些,電弧長(zhǎng)度一般控制在1~3 mm左右。在高溫加熱時(shí)具有晶粒長(zhǎng)大的傾向,多層多道焊焊接時(shí)應(yīng)采用較小的焊接線能量,一般應(yīng)控制在0.5~2.5 kJ/mm,層間溫度控制在150 ℃以下。A組焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3,B組焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。
表3 A組焊接工藝參數(shù)
表4 B組焊接工藝參數(shù)
依據(jù)《ASME IX》標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際要求,對(duì)A組130 mm×11 mm(管子對(duì)接)設(shè)置VT、PT、RT探傷試驗(yàn),探傷合格后按QW-150、QW-160、QW-170、QW-180進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)和微觀金相觀察;對(duì)B組356 mm×12.5 mm+20 mm(管板全熔透角接)設(shè)置UT、PT探傷試驗(yàn)和宏觀金相觀察。
4.1 A組130 mm×11 mm(管子對(duì)接)檢測(cè)結(jié)果
4.1.1 拉伸試驗(yàn)
探傷合格的試樣按QW-462.1(b)制成2個(gè)板狀拉伸試樣,每個(gè)試樣厚度約13 mm。在sans萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),速度為1 mm/min,由應(yīng)力和位移傳感器記錄應(yīng)力-應(yīng)變值,由此測(cè)得材料經(jīng)過(guò)屈服階段后進(jìn)入強(qiáng)化階段的最大載荷,由公式δ=Fb/S0計(jì)算出抗拉強(qiáng)度,見(jiàn)表5。
表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果
試樣抗拉強(qiáng)度約490 MPa。2個(gè)試樣的斷裂位置均在母材,表明焊縫區(qū)域強(qiáng)度要高于母材。
4.1.2 彎曲試驗(yàn)
側(cè)彎試樣按QW-462.2標(biāo)準(zhǔn)制備。拉伸試驗(yàn)使用的上海申力連續(xù)彎曲試驗(yàn)機(jī),壓模壓頭直徑為44 mm,將試樣彎曲180°以觀察焊縫內(nèi)部是否有裂紋或夾渣等焊接缺陷。彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。經(jīng)過(guò)觀察,試樣受拉面的焊縫和熱影響區(qū)均無(wú)裂紋產(chǎn)生,表明焊縫合格。
表6 彎曲試驗(yàn)結(jié)果
4.1.3 沖擊試驗(yàn)
采用濟(jì)南時(shí)代公司生產(chǎn)的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī),最大沖擊能量300 J。采用Charpy-V形缺口、橫向取樣方式制備沖擊試樣,試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm。沖擊試驗(yàn)在-40 ℃環(huán)境溫度中進(jìn)行。每種狀態(tài)試樣取3個(gè),取其沖擊破壞吸收能量的平均值作為評(píng)價(jià)該狀態(tài)下的沖擊性能指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 沖擊試驗(yàn)結(jié)果
由表7可見(jiàn):材料沖擊吸收功不論是單值、均值都遠(yuǎn)大于船級(jí)社供貨要求。但焊縫熱影響區(qū)的材料韌性略高于焊縫中心,這可能是由于焊縫中心組織晶粒較大導(dǎo)致強(qiáng)度低于熱影響區(qū)所致。
4.1.4 微觀金相檢測(cè)
按船級(jí)社要求對(duì)試樣進(jìn)行微觀檢驗(yàn),取樣部位分別為:a)左側(cè)母材、b)右側(cè)母材、c)底部焊縫、d)焊縫中心。
微觀檢測(cè)放大倍數(shù)200×,微觀金相照片及檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。采用面積法檢測(cè)各取樣區(qū)域鐵素體含量,圖中黑色條狀為視為鐵素體組織,。從測(cè)得結(jié)果看,焊縫區(qū)、熱影響區(qū)鐵素體含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為50%~60%,表明所采用的焊接參數(shù)能得到比較均勻的雙相接頭組織。
4.1.5 腐蝕試驗(yàn)
參照ASTM A923C法對(duì)制取的試樣進(jìn)行腐蝕試驗(yàn),通過(guò)測(cè)量材料在一定時(shí)間內(nèi)的腐蝕失重來(lái)確定其抗腐蝕性能。試驗(yàn)前對(duì)試樣打磨、清潔并進(jìn)行稱量,精度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后5位,試樣尺寸、試驗(yàn)步驟等要素見(jiàn)表8。
2組試樣所測(cè)得的腐蝕率表明,滿足抗腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。
取4個(gè)接頭試樣進(jìn)行加工,用20%濃度硝酸水擦拭表面進(jìn)行腐蝕,待加工表面逐漸失去金屬光澤至合適后用水沖洗干凈,吹干后至于金相顯微鏡下觀察。經(jīng)宏觀腐蝕試驗(yàn),在焊縫、熔合線、熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、氣孔、夾渣等焊接缺陷。
表8 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果
在本次工藝試驗(yàn)設(shè)置的試驗(yàn)參數(shù)下,雙相不銹鋼管子與管子同種材料焊接、雙相不銹鋼管子與EH36材質(zhì)板的異種材料焊接均能得到性能較好的焊縫,兩相比例沒(méi)有發(fā)生太大轉(zhuǎn)變,焊縫耐腐蝕性能達(dá)到船級(jí)社要求。由于條件有限,焊縫經(jīng)過(guò)類時(shí)效處理產(chǎn)生δ2、γ2和金屬間化合物的情況還待進(jìn)一步探究。本次試驗(yàn)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)已整理成相應(yīng)的焊接工藝規(guī)程文件,為公司船舶脫硫塔中雙相不銹鋼的焊接提供了工藝依據(jù)。這2種接頭形式均已在實(shí)船脫硫塔相應(yīng)的雙相不銹鋼焊接中應(yīng)用,并取得良好的效果。