谈压力容器奥氏体不锈钢制造特点

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摘要：奥氏体不锈钢性能特殊，具有良好的耐腐蚀、耐高温、耐低温、综合力学性能突出以及工艺性能良好的特点，实际使用也比较广泛，在压力容器制造方面有明显的优势，目前以大量运用压力容器制造领域。奥氏体不锈钢因材料本身的特殊性，在制造过程中防护措施很重要。介绍了不锈钢压力容器制造过程中制造特点及出现的一些问题、不锈钢表面防护技术、焊接特点，合理地控制好每一个制造环节从而保证不锈钢压力容器的制造质量。

关键词：奥氏体不锈钢；压力容器；防护；焊接

通常压力容器制造中所使用的钢板由之前的单一化逐渐演变为很多种，而在平常用途中能广泛应用到的有碳素钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢以及复合钢板，它们因具有不同的力学性能而被应用于不同的方面，每种钢板都具备自身的特点及优势，适用于不同环境场所[1-3]。上述钢板都会经过一定的特殊处理来改变力学性能，从而满足使用要求。其中，经过一些特殊的处理后主要使得钢板中的含碳、铬、镍等合金元素含量满足使用要求，用于不同的工况下。奥氏体不锈钢板因为它的性能满足压力容器使用方面中的很多要求，因而性能在经过特殊处理后表现较为突出，而被广泛应用。它的主要特性表现为抗腐蚀、抗高温、抗低温方面，其综合力学性能以及工艺性能也都得到了验证，并在制造过程中广泛应用。奥氏体不锈钢经过特殊处理后使其在内部具备了一些特殊的金相组织结构，在表面形成了钝化膜，这些特殊的组织及结构使得奥氏体不锈钢在一些平常环境下很稳定，很难与介质发生化学反应，但往往会在转运和翻转的时候将表面划伤，以及制造厂制造过程中由于没有采取相应的不锈钢表面防护措施，很容易将表面划伤、擦伤，在焊接、气割过程中不注意防护，焊接飞溅、割渣等因素都会与介质发生缓慢的化学和电化学腐蚀，这在平常的生产中不易发现，时间一长就会发生大的事故，所以在制造过程中必须采取必要的防护措施。

1奥氏体不锈钢制造特点及问题

1.1制造特点

奥氏体不锈钢的特殊性能主要依靠钢板中的Cr元素及一些合金元素，这些元素的添加使得奥氏体不锈钢具有较强的抗高温、抗低温及耐腐蚀性能，而Cr元素本身可以通过自身的性能使得合金表面形成一层致密的保护膜，该保护膜具有一定的防护性。一旦保护膜破了就会由于腐蚀而产生缺陷，具体特点如下：1）奥氏体不锈钢板与碳钢钢板放在一起，碳钢钢板上部分游离的铁离子将会吸附在不锈钢表面，这些游离的铁离子与不锈钢钢板中的其他元素结合形成原电池引发电偶腐蚀。2）奥氏体不锈钢板放置在含氯离子的环境中或者直接跟富含氯离子的物体接触，不锈钢表面的保护膜将会被穿透性很强的氯离子破坏，被破坏的保护膜失去阻止碳离子、铁离子之类元素的进入，这些元素进入后会在不锈钢表面发生电化学腐蚀，由于这些杂质元素的堆积在不锈钢表面形成大量的、细小的凹坑，这些凹坑慢慢扩展形成大面积凹坑，降低奥氏体不锈钢的耐腐蚀性。这也就是水压试验的时候要求氯离子的质量浓度小于等于25mg•L-1的原因，并且在水压试验合格后要求奥氏体不锈钢压力容器请将水尽快排干净并且吹干。这在《压力容器第4部分制造、检验、验收》（GB150.4—2011）中有详细的要求，控制氯离子的含量[4]。

1.2存在问题

运输、加工过程中人为因素比较严重，钢板到厂后吊装、转运、加工过程中，不锈钢表面磕碰、锤击、划伤等使得表面产生缺陷，引发铁离子电化学腐蚀。焊接过程由于焊接速度过快产生大量的飞溅，导致飞溅中的铁离子在不锈钢表面形成原电池，产生电化学反应；另外，在处理这些飞溅的时候采用机械打磨的方法，焊缝不合格返修后造成局部表面保护膜被破坏，引起电化学腐蚀及形成表面质量不均匀。在一些设备规格尺寸较大的情况下往往酸洗钝化过程中存在酸洗膏涂抹不均匀，在清洗的过程中清洗力度均匀，就会导致清洗后在不锈钢表面出现颜色深浅不一致，影响外观质量。没有专用的不锈钢加工设备，采用其他设备混用的加工设备进行切割、刨边、割坡口、卷板等过程，设备上的油渍、划伤、污染物诱导腐蚀。

2表面防护技术

按照《固容规》[5]中4.9.3条规定要求凡是具备奥氏体不锈钢制造的资质在制造不锈钢压力容器过程中，应当建有专用的不锈钢制造场地或车间，为了防止杂质元素进入不锈钢表面形成电化学腐蚀，不应该将不锈钢与其他产品混杂在一起制造。具体应该做到如下：1）应有奥氏体不锈钢钢板、零部件、半成品、加工成品专用的存放场地，该场地应与碳钢、低合金钢隔开，做好隔离带，避免空气中游离铁离子进入不锈钢制造环境中。2）筒体纵缝、环缝组对焊接过程中应在坡口两侧涂抹大白粉防止飞溅。3）应该对碳素钢卷板机辊子进行表面处理，将碳钢残留物清理干净，辊子表面平整圆滑，在卷制不锈钢钢板时辊子表面采用衬垫；对于经常性卷制不锈钢应对卷板机辊子进行不锈钢堆焊。4）在原材料、半成品、成品不锈钢零部件上做标记移植时，应采用不含氯元素记号笔，防止氯元素穿透保护膜。5）将奥氏体不锈钢放置在滚轮架上转动时，应在滚轮架滚轮上采用保护膜（聚氨酯材料）将不锈钢与碳钢分开。6）与设备相焊的吊耳，其焊接面或者相接触的表面采用奥氏体不锈钢材料连接。7）凡是奥氏体不锈钢设备接触水，如设备清洗、水压试验，都应该严格按照标准规定中的要求，对氯离子含量进行控制。在清洗、水压试验合格后应立刻将水排干净并且吹干。

3焊接

奥氏体不锈钢由于材料在经过特殊处理后，内部结构发生变化，焊接过程中由于热量比较大，使得焊缝收缩变形大。在选择焊接参数的时候应该考虑热裂纹、应力腐蚀、晶间腐蚀、低温脆化倾向等因素出现。在经历过特殊处理的奥氏体不锈钢组织结构中的晶间晶粒粗大、具备了一定的倾向方向，使其在热量的驱散下向不同方向进行延展，加上存在硫、磷等杂质元素的存在，焊接过程中往往会出现应力集中现象，应力集中将最终导致奥氏体不锈钢在焊接过程中形成热裂纹缺陷。为了提高奥氏体不锈钢的焊剂而质量，奥氏体不锈钢压力容器在制造过程中应该按照制造工艺和焊接规范，在焊接过程中主要注意以下几点：1）焊接工艺人员应当根据设备能力、焊接环境、条件针对不锈钢焊接选择合适的焊接工艺，一般对于奥氏体不锈钢压力容器中，通常采用的焊接方法主要有埋弧焊、氩弧焊手工焊，这些焊接方法各自具有各自的特点，在选择焊接方法之前应该确定合理的焊接参数及工艺。2）采用合理的焊接顺序，依次序进行焊接，防止变形的产生，一般来说先进行坡口纵缝组对，再进行引收弧板点焊，根据直径大小选择从内部还是外部焊接，一般从内坡口填充焊、外部清根、外坡口多道填充焊和表面焊。3）原则上焊接参数的选择应选择电流较小、焊接速度较快的焊接参数，并且降低焊接热输入量。4）选择焊材的时候应根据奥氏体不锈钢的特点选择含碳量较低且铬、镍含量适中，能保证焊缝金属成型的奥氏体组织的不锈钢焊材，一般来说C质量分数不宜超过0.03%、铬质量分数在22%左右、镍质量分数在9%左右的E316L焊条。5）坡口组对、型式、大小严格按照焊接工艺执行。6）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接。

3.1S31603奥氏体不锈钢焊接工艺

以多晶硅不锈钢压力容器为例说明奥氏体不锈钢压力容器的焊接，该设备高度为76000mm，设备直径、壁厚规格：Φ2400mm×45820mm×26/22/20/18mm(筒体)/26/18mm（封头），体积为211.3m3。设备主要受压元件材料为S31603，金属质量为375000kg。该设备纵、环缝焊接参数：纵、环缝焊接根据焊接部位采用里、外焊接方法及清根方法，该设备里、外均采用埋弧焊，所使用的焊材为ER316L+JWF601A，在焊接之前应先进行烘干，使用焊条直径为Φ3.2mm，电源电流采用直流反接，控制在350~380A，焊接电压在30~32V，焊接速度大于等于22m•h-1。焊接时应先对焊材进行烘干，对基材厚度较厚的进行预热，合理控制好预热温度，一般预热温度为≥15℃，并且在坡口两边宽度150mm处进行预热，在焊接过程中严格控制焊接过程中层间温度，定期进行测温，层间温度控制在15~100℃，并做好探伤。

3.2注意事项

焊前检查焊材牌号及规格，保证焊材处于烘干状态及干净。坡口严格按照焊接工艺尺寸进行加工，并且在加工坡口的同时注意不锈钢表面的保护。坡口机加工后进行除油、除锈。一面焊接完后，反面清根处理时采用等离子气刨清根，禁止采用碳弧气刨清根，并对清根后坡口进行打磨。最后焊接完后，保证焊缝与母材齐平。焊缝内、外表面在焊接前在焊缝两边150mm范围内涂抹白垩粉，防止飞溅。

4结论

压力容器是危险性较大的特种设备，一旦出现事故将会带来不可估量的损失，因此奥氏体不锈钢压力容器在制造中应严格对每一道工序进行把关，由于奥氏体不锈钢的特殊性能，近些年奥氏体不锈钢压力容器的应用范围越来越广，尤其对它的制造工艺以及防护技术格外关注，切实有效的策略是确保奥氏体不锈钢压力容器的制造质量和运行安全的前提，尤其在每一个工序上都应该严格把关。在制造过程中形成隔离带尽可能地避免奥氏体不锈钢与铁离子、氯离子、碳钢以及低合金钢的接触。在焊接过程中应先进行评定合格，采取最适合该设备的焊接工艺；在装配制造工艺中，应严格按照相关标准、规范及制造工艺控制几何尺寸，绝对不能强力组装。

参考文献：

［1］GB150.2—2011，压力容器第2部分，材料[S].

［2］GB24511—2009，承压设备用不锈钢钢板及钢带[S].

［3］GB713—2014，锅炉和压力容器用钢板[S].

［4］GB2150.4-2011，压力容器第4部分制造、检验、验收[S].

［5］GB713—2014，固容规[S].

作者：白崇晖 白崇阳 张正棠 单位：中国石化销售股份有限公司甘肃石油分公司