1、用 0Cr18Ni9 不锈钢制作低温储罐如何控制焊接质量.本工程为二台 5000m3低温液体储罐建造工程，罐体采用 0Cr18Ni9 不锈钢手工电弧焊接，为使 0Cr18Ni9 不锈钢在低温状态下能安全使用，必须有一个高质量的焊缝作保证。分析铬镍奥氏体不锈钢焊接存在的质量问题，从根本上控制焊接质量。我们从奥氏体不锈钢接头的耐蚀性、热裂敏感性、接头脆化倾向及气孔倾向四个方面来探讨铬镍奥氏体锈钢焊接质量问题，提出奥氏体不锈钢焊接质量问题的控制途径。一、铬镍奥氏体不锈钢的焊接质量问题产生原因及影响因素1铬镍奥氏体不锈钢接头的耐蚀性，晶间腐蚀形成机理及影响因素如下：(1)关于奥氏体不锈钢接头的晶间腐蚀
2、形成机理，称之为 “贫铬理论”。室温下C 元素在奥氏体中的溶解度很小，约为 0.020.03，而一般奥氏体钢中wC，均超过 0.020.03 ，如本钢中 wC=0.08，接近 0.1，它是靠淬火状态下使 C 固溶在奥氏体中，以保证该钢具有较高的化学稳定性，这样奥氏体组织必然为 C 所过饱和而呈不稳定状态。当接头被加热，温度一般在450850之间，超过溶解度的 C 将向晶界扩散，并和 Cr 结合形成 Cr 的 C化物 Cr23C6 或(Cr 、Fe) 23C6 沉淀于晶界。这时由于晶粒内部 Cr 的扩散速度较慢，在形成 Cr 的 C 化物时可能发生“供不应求”现象，致使靠近晶界的晶粒表面一个薄层
3、严重缺 Cr，以至于 Cr 含量低于不锈钢必须的临界值 12，于是导致晶粒边缘贫铬而丧失了耐腐蚀性能。(2)晶间腐蚀的影响因素 焊缝化学成分的影响。焊缝中加入适量铁素体形成元素，如 Ti、Nb、Mo、V、Si 等，促使焊缝形成 + 双相组织，分裂或割断奥氏体晶粒，使其难以形成连续网状 Cr 的 C 化物，改善焊缝抗晶间腐蚀能力。焊缝中加入强烈形成 C 化物的元素，如 Ti、Nb、Ta、Zr 等，优先与 C 结合，减少形成 Cr 的 C 化物的可能性，也可避免晶间腐蚀。减少焊缝中的含 C 量，减少或避免 C 化物的析出，能降低晶间腐蚀倾向。 加热温度和时间的影响。450850为危险温度区，在这一
4、区间最易发生 Cr 的 C 化物析出，在此区间停留时间越长，发生晶问腐蚀越严重。低于 450和高于 850，不发生晶间腐蚀。焊后热处理规范的影响，焊后不进行热处理，接头抗晶问腐蚀性能较差；进行稳定化处理(8802h，空冷)，或固溶处理 (10500.5 h，水冷)，抗晶问腐蚀性能最好。2应力腐蚀开裂形成机理及影响因素如下：(1)应力腐蚀开裂形成机理有三种活化通路型机理。保护膜破坏型机理。氢致脆化型机理。(2)应力腐蚀开裂的影响因素如下：应力的影响。对于奥氏体不锈钢接头，由于它的导热性差，线胀系数大，会产生较大的焊接残余应力。但是，通常压应力不会引起应力腐蚀裂纹，只有在拉应力作用下才会导致应力腐
5、蚀裂纹的产生。一般情况下，产生应力腐蚀的拉应力都很低，若没有腐蚀介质的联合作用，焊件可在该应力下长期工作而不产生断裂。可见拉应力的存在只是应力腐蚀产生的必要条件。腐蚀介质的影响。首先，产生应力腐蚀的介质是具有选择性的，不在焊件材料特定选择的介质下工作的接头不会产生应力腐蚀。也就是说，每种材料只对某些特定介质敏感，而这种介质对其他材料可能没有明显作用。其次，注意到产生应力腐蚀的介质一般都较弱，若无拉应力同时作用，焊件在该介质中腐蚀速度很慢。可见腐蚀介质的存在应当是应力腐蚀产生的充分条件。接头材料种类及化学成分的影响。纯金属不产生应力腐蚀，只有合金材料中才产生应力腐蚀；晶界上合金元素偏析会导致应力
6、腐蚀开裂。钢中 Ni 和 C 含量增加，将使抗应力腐蚀能力提高；而钢中 Ni、Ti、M0、N 等元素含量提高，则增大应力腐蚀倾向；微量元素 P、As 、 Sb、Bi 则促使应力腐蚀形成。3铬镍奥氏体不锈钢接头的热裂敏感性(1)热裂纹形成机理 单相奥氏体焊缝在凝固过程中，低熔点相在一次结晶品粒边界形成低熔点液态薄膜，冷却收缩时，在焊缝中形成微裂纹。这些微裂纹在继续冷却过程中会扩展至焊缝表面，形成宏观裂纹，这种裂纹是在高温状态下形成的。由于奥氏体不锈钢的导热系数小，线膨胀系数大，焊缝金属凝固期问存在较大的拉应力，是产生凝固裂纹的必要条件；而容易形成方向性强的柱状晶焊缝组织，有利于有害杂质的偏析及晶
7、问液态薄膜的形成，是凝固裂纹产生的充分条件。(2)热裂纹影响因素 冶金因素，焊缝化学成分的影响。在单相 组织焊缝中含有多量 Ni，有害杂质S、P 的作用将显著增强，特别是 P 的影响更严重。Si 的有害影响超过 Ni 的作用；Si 的影响效果还与组织状态有关，单相 组织时， Si 增多则热裂倾向增大；而当组织中出现 相时，热裂倾向反而随 Si 增多而降低。促使热裂倾向的元素为(由强变弱 )：PSSiNi；能抑制热裂的元素(由强变弱)：CMnCr。Mn 还有改变焊缝结晶凝固模式作用，促使凝固过程出现 相，而室温仍为单相 组织，显著降低热裂纹倾向。工艺因素，熔合比的影响。减小熔合比有利减小母材有害
8、杂质对焊缝的影响，有利焊缝区化学成分的均匀化，保证防止热裂纹所必须的凝固模式顺利实施。成形系数的影响。成形系数主要通过改变焊缝枝晶成长方向及其会合面的偏析情况影响热裂纹倾向。当成形系数较小时，最后凝固的枝晶会合面呈对向生长状态，是杂质析集严重的部位，因而最易在此会合面形成热裂纹。成形系数的控制与焊接参数相关，合理的成形系数对控制热裂纹有一定作用。冷却速度的影响。冷却速度偏大时，增大焊缝的变形速度，有利于热裂纹的防止。冷却速度过小，熔池高温停留时间长，热裂纹倾向大。拘束度的影响。降低接头的拘束度，能减小焊缝应变量，有利防止热裂纹产生。4铬镍奥氏体不锈钢接头的脆化机理(1)接头的脆化机理，关于奥氏
9、体不锈钢焊缝低温脆化倾向，一方面由于焊接时产生的焊接残余应力较大，奥氏体焊缝屈强比很低，冷作硬化倾向极大，在收缩应力作用下奥氏体焊缝产生所谓“自生硬化”现象，使其强度提高而塑性下降；另一方面，带有粗大 柱状晶的焊缝显微组织是不均匀的。(2)接头脆化的影响因素 焊缝成分的影响。对于低温工作的奥氏体接头，焊缝中奥氏体和铁素体形成元素含量及其比值，对获得单相 组织焊缝，控制或减少 相，改善接头低温韧性有重要作用。某些稀土元素加入奥氏体焊缝，对改善接头的低温韧性有效果。对于高温工作的奥氏体接头， 转变是最重要的影响因素，凡是抑制该项转变的元素(含稀土)含量及其相关比值，均可抑制接头的高温脆化。焊接工艺
10、的影响。采用不预热，限制热输入量，尽可能快速冷却的工艺，有利控制接头脆化。5铬镍奥氏体不锈钢焊缝中的气孔倾向(1)焊缝中气孔形成机理关于气孔形成机理出现了多种理论， “气泡浮出速度理论”是该项研究的经典理论。该理论认为，焊缝中气孔的形成是冶金过程，它由气泡的生核、长大和上浮三个阶段组成。当液态金属中有过饱和的气体，熔池中存在大量现成表面时，气泡的生核就比较容易。当气泡内部的内部的压力大于阻碍气泡的外界压力时，气泡就要长大，并趋向外逸；当气泡的浮出速度”小于或等于焊缝的凝固速度 R 时，可能残留在焊缝中形成气孔。(2)焊缝中气孔的影响因素，采用冷却速度较快的工艺 (小热输入量、快焊接速度)，焊缝
11、具有较大的凝固速度，气孔敏感性增大。液态金属粘度 影响。越大，气泡浮出困难，易于造成气孔。液态金属密度 1 的影响。1 越小，则气泡浮出速度 ve 越小，容易产生气孔。 气泡半径 的影响。 越大，越有利于气泡浮出。也就是说，当原始气体数量较多，使气泡半径增大到足以完全浮出时，反而可能不产生气扎。二、如何改进铬镍奥氏体不锈钢的焊接质量1接头耐蚀性的控制及防止措施(1)晶间腐蚀的控制 冶金措施。从控制焊缝成分入手，如选用超低碳奥氏体不锈钢焊接材料；添加 Nb、Ti 等稳定化元素，以形成饱定碳化物 NbC、TiC；形成 + 双相组织(35)等。工艺措施。采用小热输入量、快速冷却工艺等。必要时还可以采
12、用焊后热处理工艺，如固溶处理或稳定化处理。(2)应力腐蚀的防止 在结构设计方面，要合理选择耐蚀材料， 在施工制造方面，首先要合理选用焊接材料，如选用具有 + 双相组织的焊材等。其次要合理制定装焊工艺，尽量避免应力集中或焊接缺陷。最后要进行消除应力处理，可以采用残余变形和锤击法松弛残余应力，或者通过低温(低于300350)退火处理，也可以实施大于 850热处理消除践余应力。必须通过试验确定最佳规范参数。(3)保证焊接质量的主要工艺措施是，采用焊接能量集中的焊接方法；工艺参数选择应遵循尽可能加快接头冷却的原则，工艺措施应有利降低焊接残余拉应力。如采用小电流、短弧焊、不预热、强迫冷却、不横摆及小熔合
13、比等；同时还要注意焊接顺序，与腐蚀介质接触的焊缝必须最后焊接；避免重复加热，不宜采用多层焊等。2接头热裂纹的防止措施(1)冶金措施首先选用具有 + 双相组织的焊接材料，必须控制铬镍当量比，限制焊缝中的有害杂质，如 S、P 等的含量。(2)工艺措施 限制过热。可以采用小的焊接电流，断弧焊，降低焊接热输入量。控制成形系数。合理的成形系数(在不提高焊接速度前提下，采用减小焊接电流工艺所获得的)对控制热裂纹有一定作用。减小熔合比。在减小母材对焊缝稀释率时，同样要求降低焊接电流。降低拘束度。3接头低温和高温韧性的控制措施(1)焊缝成分的调整，添加适量稀土元素，以改善接头低温韧性。对于低温或高温工作的奥氏
14、体接头，防止 转变是前提，添加抑制该项转变的元素(含稀土元素)并控制含量，以抑制接头的低温或高温脆化。(2)焊接工艺措施 采用不预热，限制热输入量，尽可能快速冷却的工艺。4焊缝中气孔的防止措施(1)消除气体来源首先焊前对工件及焊材表面的铁锈、油污以及氧化膜进行清理，以防有害气体进入电弧区。同时对焊接材料必须防潮，使用前按照说明书要求进行烘干并保温，随用随取；其次还要加强焊接过程中的防护措施，如气保护焊接时必须防风，保护气流量及纯度也需控制等。(2)控制焊接工艺条件 选择焊接方法和焊接工艺参数时，总体原则是使电弧中带进的气体总量较少，宜采用短弧焊，而熔池中气体的逸出条件较好；同时要兼顾奥氏体不锈钢接头其他性能要求，如耐蚀性、抗裂性等。5焊后对焊缝的酸洗和钝化处理焊后对焊缝的酸洗，不锈钢表面的氧化皮清除和钝化处理，能改善不锈钢的外观。除油、 酸洗、钝化一次完成，反应速度极快，清除彻底,不产生花斑。使不锈钢表面得到均匀美观的银白色，提高了表面的光洁度，在表面形成一层致密完整，附着力强的钝化膜，其钝化膜一般 在 0.6-0.8 微米, 其击破电位可提高数百毫伏，从而提高不锈钢制品的防腐性能，可延长设备的使用寿命。武汉威仕工程监理陕西定边 LNG 项目部姜尧清 2011 年 1 月 16 日
