阐述了不锈钢的类型和抗腐蚀原理,介绍了奥氏体不锈钢316L与双相不锈钢2205的焊接工艺,并在分析不锈钢大管道焊接特点的基础上,对氩弧焊打底充氩方式进行调整,保证了焊接过程中不发生背面氧化问题。

1概述

河北国华沧东发电有限责任公司设计装机容量为2600MW(一期工程)亚临界燃煤机组和2660MW(二期工程)超临界燃煤机组,目前一期工程已经投产发电,二期工程正在建设之中。为了节约淡水资源,一期工程配套建设了2台蒸发量为1000m3/d的海水淡化装置,2台海水淡化装置采用法国Sidem公司MEDCTV技术,是我国引进的第1个海水淡化大型项目。

海水淡化装置包括蒸发器(本体)系统、海水供水和分配系统、蒸汽供汽系统、抽真空系统、产品水收集系统、浓盐水收集系统等。蒸发器筒体直径6.7m,壳体厚度11mm,壳体材料为奥氏体不锈钢316L(简称“316L);一级喷射器、二级喷射器的抽汽管道材料为双相不锈钢2205(简称“2205合金”),直径为2500mm,厚度为8mm。海水淡化装置分段运至施工现场,喷射器的抽汽管道和蒸发器接管需要在现场进行焊接,316L2205合金的焊接是新型焊接技术,相关资料较少,以下对这2种材料的抗腐蚀原理、焊接工艺和实际操作中遇到的问题进行分析。

2不锈钢的分类与抗腐蚀原理

不锈钢按室温下的组织结构可分为马氏体、奥氏体、铁素体和双相不锈钢;按主要化学成分可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢;按用途可分为耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐海水不锈钢等;按耐蚀类型可分为耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、耐晶间腐蚀不锈钢等。

不锈钢的腐蚀形式有2:化学腐蚀和电化学腐蚀。在生产工作中主要遇到的是化学腐蚀,在腐蚀过程中,不锈钢表面形成一层Cr2O3氧化膜,由于Cr2O3氧化膜稳定、致密、完整,并同金属表层牢固结合,可防止腐蚀的进一步发展,对不锈钢起保护作用。另外不锈钢中加入了CrNiSi等合金元素,提高了不锈钢基体的电极电位,从而提高了不锈钢的抗电化学腐蚀能力。

一般18-8型奥氏体不锈钢容易发生应力腐蚀断裂,而含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能,含氮的高铬双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了316L

2.1奥氏体不锈钢316L

316L含有AlMo等合金元素,是奥氏体不锈钢316的变种,它的含碳量虽然低于奥氏体不锈钢316,但其耐高温性能、加工硬化性能和抗腐蚀性能均优于奥氏体不锈钢316,可以使用在恶劣环境中。

2.2双相不锈钢

双相不锈钢指不锈钢中既有奥氏体又有铁素体组织结构的钢种,也称为奥氏体+铁素体(α+γ)双相不锈钢。实际工程中使用的双相不锈钢多以奥氏体为基,铁素体的质量分数不小于30%,最常见的是两相各占50%的双相不锈钢2205合金。2205合金在经过10401080°C固熔退火处理后,理想的微观结构为50%α+50%γ。

2205合金是由22%铬、3%钼和5%6%镍氮合金构成的复式不锈钢。由于具有50%α+50%γ双相组织结构,兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点。与铁素体不锈钢相比,2205合金韧性高,脆性转变温度低,耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高;同时又保留了铁素体不锈钢的一些特点,475℃脆性、导热系数高、线膨胀系数小、具有超塑性等。与奥氏体不锈钢316L相比,2205合金强度高,特别是屈服强度显著提高,且耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能有明显改善,它具有高强度、良好的冲击韧性以及良好的整体和局部抗腐蚀能力。

3316L2205合金的焊接工艺

a.焊接材料选用ER316L16E316L16;

b.坡口加工采用机械方法,坡口型式为V型。坡口加工完毕后,对焊口两侧进行打磨,直至露出金属光泽,焊接前对坡口和两侧采用丙酮或酒精进行擦洗;

c.为防止电焊飞溅对母材造成污染,采用氩弧焊打底电焊填层、氩弧焊盖面的焊接方法,氩弧打底时要做好背面充氩保护;

d.在焊接过程中为了防止变形,4人对称同时进行焊接;

e.焊前进行预热,预热温度要大于等于10,环境温度要在0℃以上;

f.焊接时尽量选用小的热输入,即在保证焊接质量的前提下采用小的焊接电流和较快的焊接速度。

g.在焊接过程中控制层间温度,层间温度小于100;

h.焊接完成后进行严格的自检和表面修整,确保外型美观;

i.外观检验合格后进行100%渗透探伤检验。

4焊接过程中的问题及解决措施

管道对口焊接过程中发现坡口间隙相差较大,为了保证焊接质量和外观美观,决定采用氩弧焊打底。打底时首先用氩弧焊打底背面充氩方式(见图1)进行试验,发现:由于管道表面为圆弧型,充氩装置与罐体间的密封效果较差;若充氩装置太大,则氩气密度低,保护效果差,反之则在焊接过程中容易引燃密封胶管。

为解决这些问题,对氩弧焊打底背面充氩方式进行了调整(见图2)。对图2改进的关键进行说明,焊接开始时由2人对称焊接,焊接过程中发现管道有变形问题,最终采用4人对称分段焊接的方法,焊接后未发现变形问题。焊接时采用小的焊接输入量,控制层间温度在100℃以下。

5结束语

a.2205合金和316L的焊接材料选择ER316L16E316L16是可行的,焊接过程中未发现由于选材不当或工艺原因产生裂纹等缺陷。

b.焊接时采用了氩弧打底、电焊填层、氩弧盖面的焊接方法,既保证了焊接速度,又有效防止了电焊飞溅对母材造成的污染,提高了抗海水腐蚀效果。

c.采用调整后的氩弧焊打底背面充氩方式进行2205合金和316L的焊接,焊接过程中未发现背面氧化现象,证明该方式在大型不锈钢管道和罐体的氩弧焊背面保护中具有应用价值。