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奥氏体不锈钢压力容器的制造特点
发布时间:2019-02-19    阅读次数:

   奥氏体不锈钢压力容器的制造特点

   梅应虎,张东辉,孙树惠液化空气(杭州)有限公司,浙江杭州

   摘要:奥氏体不锈钢因其具备良好的耐腐蚀、耐高温、耐低温、综合力学和工艺性能,已大量运用于压力容器制造领域,如何做好奥氏体不锈钢压力容器的制造工作,这已成为许多制造企业面临的问题。结合十多年的制造经验,详细阐述了奥氏体不锈钢压力容器的制造特点、产生这些特点的原因和针对这些特点采取的策略。

   。引言

   压力容器制造用钢板,可采用碳素钢钢板、低合金钢钢板、奥氏体不锈钢钢板、铁素体不锈钢钢板、双相不锈钢钢板和复合钢板[1-3]。其中,经固溶处理、碳含量低(C≤0.08%)、铬镍含量高≥16.00%,Ni≥8.00%)、常温下具有稳定且均一的面心立方组织的奥氏体不锈钢钢板,因其具备良好的耐腐蚀、耐高温、耐低温、综合力学和工艺性能,已大量运用于压力容器制造领域。

   与常见的碳素钢、低合金钢压力容器相比,奥氏体不锈钢压力容器在制造过程中有其自身的特点,制造企业应该掌握这些特点,理解这些特点的原因,并采取相适应的策略。

   。制造特点.1奥氏体不锈钢材料容易受到铁离子、氯离子、碳素钢或低合金钢的污染奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性,这与它的铬含量有关:当铬的质量分数达到10.5%~时,合金表面就能够形成一层致密的、具有保护性的钝化膜[4];一旦钝化膜遭到破坏且因局部含铬量低而难于自身修复时,其耐腐蚀性就会降低甚至丧失。

   如果奥氏体不锈钢与铁离子接触,铁离子会吸附在钝化膜上,并形成原电池,引发电偶腐蚀。

   如果奥氏体不锈钢与氯离子接触,钝化膜在穿透性很强的氯离子作用下极易遭到破坏,氯离子在奥氏体不锈钢表面形成众多、微细的腐蚀小坑,这些腐蚀小坑会加剧奥氏体不锈钢耐腐蚀性的降低。如果奥氏体不锈钢与碳素钢或低合金钢直接接触,碳素钢和低合金钢在空气中极易生锈,铁锈因富含铁离子而会致使奥氏体不锈钢发生电偶腐蚀;如果奥氏体不锈钢与碳素钢、低合金钢长期接触,碳素钢、低合金钢中的碳元素会渗透到奥氏体不锈钢中,碳与钝化膜发生化学反应,并且碳与铬结合成高铬碳化物,导致高铬碳化物周围局部贫铬而加剧腐蚀倾向。同时也有一种理论认为:附着和嵌入在奥氏体不锈钢表面的碳素钢或低合金钢颗粒会使奥氏体不锈钢发生电偶腐蚀[5]。

   R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》[6](以下简称《固容规》)中4.9.3条规定:不锈钢压力容器制造应当有专用的制造车间或者专用的工装和场地,不得与其他产品混杂制造。GB150.4—2011《压力容器第4部分:制造、检验与验收》[7](以下简称GB150.4)中.4.9.1条规定:奥氏体不锈钢压力容器的水压试验合格后应立即将水排净吹干,无法完全排净吹干时,应控制水的氯离子含量不超过25mg/L。

   《固容规》和GB150.4中之所以有这些规定,就是因为奥氏体不锈钢容易受到铁离子、氯离子、碳素钢或低合金钢的污染。当然,这些规定是制造企业必须达到的最基本要求;制造企业(尤其是行业标杆型的制造企业)在满足法规和技术标准的基础上,应该对自己的制造环节有更高的要求和控制。

   制造企业在控制奥氏体不锈钢的铁离子、氯离子、碳素钢或低合金钢污染方面应做到以下几点应有奥氏体不锈钢板材、管材、封头、零件、半成品、成品专用的室内存放场地;且它们存放时不得与铁锈、碳素钢、低合金钢等接触。

   应有专用的奥氏体不锈钢压力容器制造车间;制造环境应保持清洁、干燥,并严格控制灰尘;制造车间宜采用硬化水泥地面,地面清洁宜使用集清洗、吸干为一体的洗地设备。

   制造过程中应避免奥氏体不锈钢表面机械损伤;在进行焊接或热切割前,在可能遭受飞溅物的奥氏体不锈钢表面应喷涂或涂敷防飞溅剂涂层(如:BD-A005等)。

   奥氏体不锈钢钢板下料用的自动等离子切割机应专一使用,避免用其切割碳素钢、低合金钢,其切割水箱和内部托架应采用奥氏体不锈钢制作。

   应将卷板机的碳素钢压辊进行表面处理,对于专一或经常卷制奥氏体不锈钢钢板的卷板机,应将其压辊进行不锈钢材料的表面堆焊;对于偶尔卷制奥氏体不锈钢钢板的卷板机,应清除压辊表面铁锈并采用衬垫(如:铝箔等)将压辊与奥氏体不锈钢钢板隔离卷制。

   材料标志移植和焊缝标记应采用无氯记号笔(不得采用钢印标记);容器的碳素钢抱箍在安装时应采用衬垫(如:铝箔等),不得将碳素钢抱箍与奥氏体不锈钢直接接触;与奥氏体不锈钢筒体直接接触的滚轮架滚轮宜采用聚氨酯材料不得采用碳素钢和低合金钢材料);角向磨光机应采用不锈钢专用砂轮片(不得采用普通砂轮片);焊道清根或焊缝返修宜采用角向磨光机打磨(为防止渗碳,避免使用碳弧气刨);临时焊接于母材或与母材直接接触的组对用具和临时吊耳等,其焊接面、接触面应选用奥氏体不锈钢材料不得采用碳素钢和低合金钢);吊装索具应采用吊带索具或不锈钢链条索具(避免采用碳素钢钢丝绳索具);吊装夹具应采用具有聚氨酯夹持片的不锈钢专用夹具;运输用的平板车或叉车,应具有奥氏体不锈钢的车身平板或叉套;水压试验用的试压泵水箱应采用奥氏体不锈钢制作;焊机搭铁线夹头应采用铜夹头(不得采用碳素钢夹头)。(7)经机械加工或热切割的坡口和距离坡口范围内的区域,在焊接前应使用不锈钢钢丝刷、异丙醇清洁剂和白布进行清理清洁,应彻底清除表面的熔渣、铁锈、油污和碳、磷、硫元素等有害杂质。

   用于清洗和试压的自来水氯离子含量应得到有效监测,每月应将取样自来水送至检测部门检测,若氯离子含量超标(即大于25mg/L),则需对自来水水质采取相应措施(笔者注:杭州地区的自来水经过10多年的检测,未出现氯离子含量超标现象)。

   有耐腐蚀要求的奥氏体不锈钢压力容器,应按设计图样要求进行酸洗、钝化处理;酸洗后的表面不得残留酸洗液;钝化后应用水冲洗,呈中性后擦干水迹。

   .2焊缝收缩变形大,容易出现热裂纹缺陷和应力腐蚀、晶间腐蚀、低温脆化倾向奥氏体不锈钢的热物理特性是:导热系数小、线膨胀系数大。奥氏体不锈钢的导热系数大约为碳素钢的31%,奥氏体不锈钢的线膨胀系数大约是碳素钢的1.46倍;在100℃时,和碳素钢的导热系数分别为16.-1K-1和51.8Wm-1K-1[8],在20~100℃时,和碳素钢的线膨胀系数分别为16.84×10-6K-1和11.53×10-6K-1[1]。这些热物理特性不利于焊接,导致的直接结果是:焊缝收缩变形大和焊接应力大。

   焊缝收缩变形大,这无疑会给压力容器制造带来困难;并且在制造时也难以满足GB150.4中关于环向与轴向棱角(6.5.2条)、筒体直线度.5.4条)、壳体内径差(6.5.10条)、外压壳体圆度(6.5.11条)等要求。

   奥氏体不锈钢的焊缝组织有一个特点:晶粒粗大且方向性强,非常利于磷、硫的偏析。这一焊缝组织特点,再叠加“焊接应力大”的特点,导致奥氏体不锈钢在焊接时很容易引发热裂纹缺陷。

   另外,“焊接应力大”的特点,也为压力容器发生应力腐蚀(也称“应力腐蚀开裂”)创造了必要条件。

   当焊缝和热影响区的温度停留在敏化温度区间(即450~850℃,也称“危险温度区间”)时,原本固溶于奥氏体中的碳容易析出、与铬形成高铬碳化物并聚集在晶粒边界,导致晶粒边界出现局部贫铬缺陷[4];奥氏体不锈钢导热性差的热物理特性,又会延缓焊缝和热影响区在敏化温度区间停留的时间,为晶粒边界贫铬区的形成创造了有利条件。

   奥氏体不锈钢在焊接时,如果焊接方法和焊材选择不当,还可能出现铁素体含量超标的缺陷。

   这对于奥氏体不锈钢低温容器(如:空气分离设备中的精馏塔)极为不利,焊缝的铁素体数应控制在FN≤10范围内,铁素体超标缺陷会导致焊缝在低温环境下延伸率、断面收缩率及冲击韧性降低(即“低温脆化”)。

   可见,收缩变形大、热裂纹、应力腐蚀倾向、晶间腐蚀倾向和低温脆化倾向是奥氏体不锈钢压力容器制造时容易出现的焊缝缺陷。为了有效控制这些焊缝缺陷,制造企业应在焊接方面采取以下策略。

   选择合适的焊接工艺。对于奥氏体不锈钢压力容器焊接,一般可采用氩弧焊、埋弧焊和小孔型等离子弧焊工艺。对于筒节的拼板纵缝焊接,宜采用具有紫铜垫板、冷却水循环装置和压紧装置的埋弧焊机,它非常有利于焊接时的导热和控制变形。对于筒节卷制后的纵缝和环缝的焊接,如果条件允许,选择具有热输入量小、焊接应力小、焊接变形小、高质量高效率等许多优点的小孔型等离子弧焊工艺,无疑是最佳选择;当采用便捷的埋弧焊工艺时,需要特别注意焊接热输入量的控制,尽量选用小电流、速度快的焊接参数和多道焊工艺。对于无法进行内部施焊、且无法进行内部气体保护的最后一道封闭环缝的焊接,一般需要采用使用永久性衬环的单面手工氩弧焊工艺。

   对于厚板的多道焊焊接接头,应采用合理的焊接顺序:先进行内坡口组对、点固焊、内坡口1~2道填充焊;然后进行外坡口清根、外坡口多道填充焊和盖面焊;最后完成内坡口余下的填充焊和盖面焊。

   选择小电流、速度快的焊接参数,降低焊接热输入量。

   表1列出了某公司在进行8mm壁厚奥氏体不锈钢压力容器纵环缝焊接时的焊接参数。

   每个焊道施焊后,最好采用压缩空气强制冷却,并控制层间温度低于100℃,以便缩短焊缝和热影响区在敏化温度区间停留时间,避免形成具有晶间腐蚀倾向的贫铬区。

   选择合适的焊材。对于有控制铁素体含量要求的低温奥氏体不锈钢压力容器(如:空气分离设备中的精馏塔),应选择碳含量极低且铬、镍含量能保证焊缝金属为奥氏体组织的不锈钢焊材(如:C含量为0.03%、Cr含量为20.0%、Ni含量为10%的ER308L焊材等)。

   组对间隙、坡口形式应严格遵照评定合格的焊接工艺。

   .3采用埋弧焊工艺焊接的纵缝、环缝容易出现咬边和余高超标缺陷与氩弧焊、等离子弧焊工艺相比,埋弧焊工艺的热输入量大;采用埋弧焊工艺进行奥氏体不锈钢压力容器纵缝和环缝焊接时,容易出现焊缝咬边和焊缝余高超标缺陷。

   .4中7.3.4条规定:不锈钢材料制造的压力容器焊缝表面不得有咬边。焊缝咬边缺陷对压力容器的危害是:(1)产生应力集中;(2)介质进入咬边内,会加剧局部腐蚀;(3)咬边处容易诱发裂纹[10-13]。因此,在焊接奥氏体不锈钢压力容器时,应严格按照评定合格的焊接工艺精心施焊,不得采用超过焊接工艺要求的大电流施焊;一旦发现焊缝咬边,应采用角向磨光机修磨去除。

   同样,焊缝余高超标缺陷也容易产生应力集中。GB150.4中7.3.1条对焊缝余高提出了限制性规定。一旦出现焊缝余高超标,应采用角向磨光机修磨达到规范要求。

   .4容易出现尺寸偏差和强力组装由于奥氏体不锈钢压力容器的焊缝收缩变形大,筒体直径、长度、圆度、环向棱角、轴向棱角、直线度和接管开口位置等都会因为焊缝收缩而变化。

   因此,奥氏体不锈钢压力容器的制造很容易出现几何尺寸偏差缺陷,同时,局部尺寸偏差也会给压力容器组装带来困难、容易出现强力组装现象。

   《固容规》中4.2.3条规定:压力容器制造中不允许强力组装。GB150.4中6.8.2条规定:容器受压元件的组装中不得强力进行对中、找平等。

   强力组装是指用大锤敲打、用千斤顶顶压等方法进行组对[14-17]。强力组装对材料性能会造成伤害,同时也会增加组装和焊接的残余应力[10]。因此,相关法规和技术标准都限制强力组装。

   为了应对焊缝收缩变形、减小几何尺寸偏差、避免强力组装,制造企业应该采取以下策略通过验证性试验,确定不同材质和厚度的板材在不同的焊接工艺和参数下的焊缝收缩量板材下料时,应根据确定的焊缝收缩量和焊缝数量预留焊缝收缩裕量(筒体纵缝收缩量因为数量少而对直径变化的影响较小;筒体环缝收缩量因为数量多而对筒体长度变化影响较大组对时应严格控制错边量和0°,90°,°,270°圆周母线侧的直线度筒节在纵缝焊接后应利用卷板机进行二次回圆,减小椭圆度和环向棱角在质量控制方面,应严格控制主要几何尺寸;只有在确认尺寸符合图样要求后,才能进行后续组装作业不得采用大锤敲打、千斤顶顶压的方式进行强力组装;用于冷作作业的不锈钢锤和木锤应控制在8磅以内。

   。结语

   压力容器是涉及安全且危险性较大的特种设备。奥氏体不锈钢压力容器制造企业,应该掌握奥氏体不锈钢压力容器的制造特点,采取切实有效的策略,确保奥氏体不锈钢压力容器的制造质量和运行安全———尤其在材料储存和制造的每个工序中,应尽可能地避免奥氏体不锈钢遭受铁离子、氯离子、碳钢或低合金钢的污染;在焊接工序中,应采取最合适且评定合格的焊接工艺对奥氏体不锈钢焊接缺陷加以控制;在装配工序中,应控制几何尺寸偏差和避免强力组装。


   参考文献

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