污水处理设备（奥氏体不锈钢）的焊接研究

丁卫松，张建党

（绍兴柯桥排水有限公司，浙江 绍兴 312023）

污水处理设备（奥氏体不锈钢）的焊接研究

丁卫松，张建党

（绍兴柯桥排水有限公司，浙江 绍兴 312023）

本文详细介绍了污水处理设备中常用材料——奥氏体不锈钢的组织特点、物理性能、力学性能和焊接工艺。为奥氏体不锈钢设备的焊接维修提供了参考资料。

不锈钢；奥氏体；晶间腐蚀；裂纹

由于生活和工业污水都具有较强的腐蚀性，因此在给排水、污水处理设备制造中大多采用了在氧化性和还原性介质中都具有十分良好耐腐蚀性能的奥氏体不锈钢材料。但是奥氏体不锈钢有着特殊的组织特性，焊接中很容易产生热裂纹、耐蚀性下降等多种缺陷，导致设备的强度以及腐蚀性能下降，甚至设备整体结构的破坏。因此我们在设备修理和安装中，如何根据奥氏体不锈钢材料的组织特点，选择正确的焊接材料和焊接工艺，防止各种焊接缺陷的出现。对提高设备的维修效率和使用寿命有着重要的作用。

1 奥氏体不锈钢的的特点

1.1 奥氏体不锈钢概述

当合金钢中铬量达到12%以上时，钢的表面能迅速的形成致密的Cr2O3氧化膜，使钢的电极点位和氧化介质中的耐腐蚀性发生突变性提高。奥氏体不锈钢是指在常温下钢中含Cr约18%、Ni8%～10%、C约0.1%时，具有稳定奥氏体组织的不锈钢。它无磁性，有极强的防锈、耐腐蚀性能，又有极佳的可塑性和韧性等全面和良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。奥氏体不锈钢组织，典型的为18-8系列不锈钢。如污水处理设备中最常用的1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢。

1.2 污水处理设备中常用奥氏体不锈钢的化学成分见表1

1.3 污水处理设备中奥氏体不锈钢的性能

表1 奥氏体不锈钢化学成分

1.3.1 奥氏体不锈钢的物理性能

奥氏体不锈钢的电阻比是碳钢的5倍，线膨胀系数比碳钢大50%，导热率是碳钢的1/2。奥氏体不锈钢具有非磁性，见表2。

表2 碳钢与奥氏体不锈钢力学性能比较

1.3.2 奥氏体不锈钢的力学性能

奥氏体不锈钢具有低的屈强比（40%～50%），伸长率、断面收缩率和冲击洗手功均很高并具有高的冷加工性。并具有很高的低温韧性。一些奥氏体不锈钢在高温加热后会产生相和晶间腐蚀。污水处理设备中几种典型的奥氏体不锈钢力学性能，见表3。

2 奥氏体不锈钢焊接性分析

奥氏体不锈钢的焊接性能良好，对与不同类型的奥氏体不锈钢在从高温冷却到室温时随着合金元素含量的不同焊接接头各部可能出现以下问题。

2.1 接头的耐蚀性

表3 奥氏体不锈钢力学性能

2.1.1 晶间腐蚀

奥氏体焊缝长期在500—800为温度区区域处理时，过饱和碳和铬在晶界结合成碳化铬，结果在靠近晶界的晶粒表层造成贫铬。在腐蚀介质的作用下贫铬曾遭到破坏从而深入腐蚀到金属内部，材料强度几乎消失，是一种极危险的破坏形式。防止产生焊接接头晶间腐蚀应从焊接材料和焊接工艺两个方面进行。a.焊接材料：从控制焊缝成分入手，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γ+δ 双相组织(3%～5%δ)等。b.工艺措施:采用小热输入量、快速冷却工艺等。减少焊接接头在危险温度区域的停留时间

2.1.2 应力腐蚀开裂

应力腐蚀是在静拉伸应力和化学介质共同作用下引起的一种断裂现象，包括应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳三种。一般纯金属不会产生应力腐蚀，在晶界上的合金元素偏析是引起应力腐蚀的主要原因。应力腐蚀在拉应力的作用下才会产生而在压应力下则不会，应力主要是因为工程中的残余应力和焊接应力引起。要防止应力腐蚀的主要措施有首先要合理选用焊接材料，如选用具有γ+δ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300～350℃)退火处理，也可以实施大于850℃热处理消除践余应力。

2.1.3 接头的热裂纹

奥氏体不锈钢因为热导率小，线膨胀系数大，因此在局部热河冷却的条件下，具有较高的热敏感性对与奥氏体不锈钢焊缝，在凝固结晶过程中，一些杂质和和金元素容易在晶界形成低熔点液态膜，因此造成焊接凝固裂纹。

（1）采用低氢焊条，限制焊缝中的有害杂质，如S、P等的含量提高焊缝抗裂性能。（2）工艺上：①限制过热，可以采用小的焊接电流和小的焊接速度，降低焊接热输入量。②控制成形系数。成形系数的控制与焊接参数相关，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的)对控制热裂纹有一定作用。③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。④降低拘束度。⑤控制装配间隙、改进装配质量等。

3 奥氏体补修钢的焊接工艺

奥氏体不锈钢具有较好的焊接性能，可以采用氩弧焊、闪光焊等多种焊接方法。但是在设备的维修中，由于工件形状尺寸，焊接位置，焊接环境，经济成本等因素的制约，在生产设备的焊接修补中一般采用手工焊条电弧焊接。这种方法手工控制电弧的长度，焊条角度和焊接速度，对焊接装配要求较低，能灵活用于各种厚度，各种结构形状急位置的焊接。并且对焊缝的清理要求相对较低，工艺灵活，适用性强。

3.1 焊前坡口准备

由于奥氏体不锈钢焊接采用了较小的焊接电流，较快的焊接速度。因而熔深小，坡口的钝边比碳钢大，焊接层数多。对装配好的破口两侧20～30mm范围内清理干净出去油污。可以用汽油、丙酮或乙醚擦洗。为避免飞溅金属损伤部修刚表面，对与要求高的，在罕见破口涂上白莹粉或石灰防止焊接飞溅，具体装配尺寸见表4。

表4 破口尺寸

3.2 定位焊缝

因不锈钢热膨胀系数较大，焊接时产生较大的焊接应力，要求采用严格的定位焊用的焊条应与焊接使用的焊条相同，焊条直径应选用较细的，定位焊缝的高度一半部超过焊件厚度2/3，如对于d≦Φ89mm的管采用两点定位，d=Φ89～Φ219mm采用三点定位，d≧219mm的采用四点定位；焊缝长度为20～30mm，定位焊的焊接参数应该和正式焊接相同，见表5。

表5 定位焊缝的长度和间距 mm

3.3 焊条的选用

奥氏体不锈钢焊条的选用基本原则：第一，照母材的牌号，选用与母材成分相同或相近的焊条。有条件增加敷衍金属中钼、锰等可提高焊缝抗裂性能的元素含量。第二，由于含碳量对不锈钢的耐腐蚀性能优很大的影响，因此选用焊条的含碳量不能大于母材。第三，焊条应根据不锈钢的材质，工作条件来选，选用不当会降低街头强度增大晶间腐蚀倾向，缩短使用寿命。第四，焊条选择在是实际操作中多选用钛钙型不锈钢酸性焊条，但对结构刚性很大或者焊缝金属抗裂性能差的要选用碱性药皮的不锈钢焊条。常见奥氏体不锈钢钢号和牌号见表6。

3.4 奥氏体不锈钢焊接

表6 常见奥氏体不锈钢钢号和牌号见

（1）焊接电流。为了防止出现晶间腐蚀，避免热裂纹，奥氏体条一半选用较小的焊接线能量，所以焊接采用低电压、小电流、快速、短弧焊接；运条不做横向摆动，焊条较窄。特备是仰焊位置焊接，由于不锈钢的导热率小，部容易散热，熔滴在高温时停留时间长，有在重力之作用下容易下滴形成焊瘤。更要注意焊接电流和焊条运条的手法，见表7。

表7 焊接电流参数表

（2）焊接厚板时候每焊完一道需清除渣壳，并控制层间温度小于150°，注意焊接顺序，与服饰介质接触的焊道尽量要最后焊接，运条要稳，收弧时要填满弧坑。奥氏体不锈钢并没有淬硬性，为了加快冷却速度，可采用焊后水冷或焊一段浇一段水的强制冷却措施。（熔池及附近区域不允许有水）。

（3）奥氏体不锈钢本身的导热性差，线膨胀系数大，焊后易出现较大的变形，特别是焊接薄板结构，变形更为突出。焊接后只能用冷矫，不能用热矫正。奥氏体不锈钢焊缝也不做焊后热处理。

4 结束语

随着工业的不断发展，奥氏体不锈钢在核动力工程，化工、医疗、烟草以及航天工业设备上正广泛的应用。了解奥氏体不锈钢的组织特性、力学特性和焊接工艺，将大大的减少劳动强度，提高焊接效率，降低生产成本。

[1]焊接手册（2）.机械工业出版社，2001.7第二版,371页.

[2]焊工手册（手工焊接与切割）机械工业出版社第三版2003.4,369.

[3]焊接手册（2）,机械工业出版社，2001.7第二版，399页.

[4]焊接材料简明选用手册机械工业出版社，1999.5.

[5]徐初雄.焊接工艺500问.机械工业出版社，2003.1.

图2 部分管点处的压力脉动图

3 结论

本文结合不同软件的优势，提出了联合运用CAESARII、AUTOPIPE和PULS软件对往复式压缩机管道进行应力分析的方法。文中所述方法对某气田往复式压缩机进行应力分析，建立了其进排气管道的模型，模型正确反映了往复式压缩机管道的振动问题。

参考文献：

[1]党锡淇，陈守五.活塞式压缩机气流脉动与管道振动[M].西安：西安交通大学出版社，1984.

[2]唐永进.压力管道分析（第二版）[M].北京：中国石化出版社，2010.

[3]章罡本，彭学院.CAESARII在往复压缩机管道振动及应力分析中的应用[J].化工设备与管道，2007,44(1),38～41.

[4]ASMEB31.3-2006，ASMECodeforPressurePiping,B31[S].

[5]GB50316-200，工业金属管道设计规范[S].

[6]GB/T20801-2006，压力管道规范工业管道[S].

表1 部分应力校核结果

U664.9+2

A

1671-0711（2016）10（下）-0084-03