闡述了不銹鋼的類型和抗腐蝕原理,介紹了奧氏體不銹鋼316L與雙相不銹鋼2205的焊接工藝,并在分析不銹鋼大管道焊接特點的基礎上,對氬弧焊打底充氬方式進行調整,保證了焊接過程中不發生背面氧化問題。

1概述

河北國華滄東發電有限責任公司設計裝機容量為2600MW(一期工程)亞臨界燃煤機組和2660MW(二期工程)超臨界燃煤機組,目前一期工程已經投產發電,二期工程正在建設之中。為了節約淡水資源,一期工程配套建設了2臺蒸發量為1000m3/d的海水淡化裝置,2臺海水淡化裝置采用法國Sidem公司MEDCTV技術,是我國引進的第1個海水淡化大型項目。

海水淡化裝置包括蒸發器(本體)系統、海水供水和分配系統、蒸汽供汽系統、抽真空系統、產品水收集系統、濃鹽水收集系統等。蒸發器筒體直徑6.7m,殼體厚度11mm,殼體材料為奧氏體不銹鋼316L(簡稱“316L);一級噴射器、二級噴射器的抽汽管道材料為雙相不銹鋼2205(簡稱“2205合金”),直徑為2500mm,厚度為8mm。海水淡化裝置分段運至施工現場,噴射器的抽汽管道和蒸發器接管需要在現場進行焊接,316L2205合金的焊接是新型焊接技術,相關資料較少,以下對這2種材料的抗腐蝕原理、焊接工藝和實際操作中遇到的問題進行分析。

2不銹鋼的分類與抗腐蝕原理

不銹鋼按室溫下的組織結構可分為馬氏體、奧氏體、鐵素體和雙相不銹鋼;按主要化學成分可分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼;按用途可分為耐硝酸不銹鋼、耐硫酸不銹鋼、耐海水不銹鋼等;按耐蝕類型可分為耐點蝕不銹鋼、耐應力腐蝕不銹鋼、耐晶間腐蝕不銹鋼等。

不銹鋼的腐蝕形式有2:化學腐蝕和電化學腐蝕。在生產工作中主要遇到的是化學腐蝕,在腐蝕過程中,不銹鋼表面形成一層Cr2O3氧化膜,由于Cr2O3氧化膜穩定、致密、完整,并同金屬表層牢固結合,可防止腐蝕的進一步發展,對不銹鋼起保護作用。另外不銹鋼中加入了Cr、Ni、Si等合金元素,提高了不銹鋼基體的電極電位,從而提高了不銹鋼的抗電化學腐蝕能力。

一般18-8型奧氏體不銹鋼容易發生應力腐蝕斷裂,而含鉬雙相不銹鋼在低應力下有良好的耐氯化物應力腐蝕性能,含氮的高鉻雙相不銹鋼的耐孔蝕和縫隙腐蝕性能超過了316L。

2.1奧氏體不銹鋼316L

316L含有Al、Mo等合金元素,是奧氏體不銹鋼316的變種,它的含碳量雖然低于奧氏體不銹鋼316,但其耐高溫性能、加工硬化性能和抗腐蝕性能均優于奧氏體不銹鋼316,可以使用在惡劣環境中。

2.2雙相不銹鋼

雙相不銹鋼指不銹鋼中既有奧氏體又有鐵素體組織結構的鋼種,也稱為奧氏體+鐵素體(α+γ)雙相不銹鋼。實際工程中使用的雙相不銹鋼多以奧氏體為基,鐵素體的質量分數不小于30%,最常見的是兩相各占50%的雙相不銹鋼2205合金。2205合金在經過10401080°C固熔退火處理后,理想的微觀結構為50%α+50%γ。

2205合金是由22%鉻、3%鉬和5%6%鎳氮合金構成的復式不銹鋼。由于具有50%α+50%γ雙相組織結構,兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點。與鐵素體不銹鋼相比,2205合金韌性高,脆性轉變溫度低,耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高;同時又保留了鐵素體不銹鋼的一些特點,475℃脆性、導熱系數高、線膨脹系數小、具有超塑性等。與奧氏體不銹鋼316L相比,2205合金強度高,特別是屈服強度顯著提高,且耐晶間腐蝕、耐應力腐蝕、耐腐蝕疲勞等性能有明顯改善,它具有高強度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部抗腐蝕能力。

3316L2205合金的焊接工藝

a.焊接材料選用ER316L16、E316L16;

b.坡口加工采用機械方法,坡口型式為V型。坡口加工完畢后,對焊口兩側進行打磨,直至露出金屬光澤,焊接前對坡口和兩側采用丙酮或酒精進行擦洗;

c.為防止電焊飛濺對母材造成污染,采用氬弧焊打底電焊填層、氬弧焊蓋面的焊接方法,氬弧打底時要做好背面充氬保護;

d.在焊接過程中為了防止變形,4人對稱同時進行焊接;

e.焊前進行預熱,預熱溫度要大于等于10,環境溫度要在0℃以上;

f.焊接時盡量選用小的熱輸入,即在保證焊接質量的前提下采用小的焊接電流和較快的焊接速度。

g.在焊接過程中控制層間溫度,層間溫度小于100;

h.焊接完成后進行嚴格的自檢和表面修整,確保外型美觀;

i.外觀檢驗合格后進行100%滲透探傷檢驗。

4焊接過程中的問題及解決措施

管道對口焊接過程中發現坡口間隙相差較大,為了保證焊接質量和外觀美觀,決定采用氬弧焊打底。打底時首先用氬弧焊打底背面充氬方式(見圖1)進行試驗,發現:由于管道表面為圓弧型,充氬裝置與罐體間的密封效果較差;若充氬裝置太大,則氬氣密度低,保護效果差,反之則在焊接過程中容易引燃密封膠管。

為解決這些問題,對氬弧焊打底背面充氬方式進行了調整(見圖2)。對圖2改進的關鍵進行說明,焊接開始時由2人對稱焊接,焊接過程中發現管道有變形問題,最終采用4人對稱分段焊接的方法,焊接后未發現變形問題。焊接時采用小的焊接輸入量,控制層間溫度在100℃以下。

5結束語

a.2205合金和316L的焊接材料選擇ER316L16、E316L16是可行的,焊接過程中未發現由于選材不當或工藝原因產生裂紋等缺陷。

b.焊接時采用了氬弧打底、電焊填層、氬弧蓋面的焊接方法,既保證了焊接速度,又有效防止了電焊飛濺對母材造成的污染,提高了抗海水腐蝕效果。

c.采用調整后的氬弧焊打底背面充氬方式進行2205合金和316L的焊接,焊接過程中未發現背面氧化現象,證明該方式在大型不銹鋼管道和罐體的氬弧焊背面保護中具有應用價值。