手工电弧焊对不锈钢列管式冷凝器的焊补
山东省“金蓝领”焊工技师论文
手工电弧焊对不锈钢列管式冷凝器的焊补
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手工电弧焊对不锈列管式钢的焊补
摘要： 介绍了不锈钢列管式冷凝器的断裂情况，通过对材料的技术技能、不锈钢的可焊性能分析，确定了手工电弧焊的施工方案，并提出了具体的焊接工艺，顺利完成了该设备的修复。
关键词：不锈钢手工电弧焊 应力腐蚀破裂 焊补
前言：不锈钢列管式冷凝器的管束、管板、壳体材料均为1Gr18Ni9Ti.
在设备停工检修时，发现其中的管子、管板接头由于应力和介质腐蚀的共同作用，接头发现多处裂纹，由于该设备在整条生产线中处于非常重要的地位，一旦出现问题将会将导致整条生产线全线停产，重新订购此设备需一个月时间，经过分析决定对不锈钢列管式冷凝器进行焊补。
一 缺陷情况及失效、应力腐蚀状况分析
１．冷凝器的断裂、裂纹情况
冷凝器管束与管板连接焊接焊缝在管板处断裂（不锈钢的应力腐蚀断裂一般出现在不锈钢列管式冷凝器上管板下面的不锈钢外壁）。
２．失效原因分析
1Crl8Ni9奥氏体不锈钢的导热系数低，而线膨胀系数却大得多，所以焊后在接头中会产生较大的焊接内应力。由于列管在使用过程中冷热交替，使焊缝受到拉压应力的交替使用，超过一定时间导致疲劳失效裂纹。
３. 应力腐蚀分析
据化学工业统计的生产应力腐蚀破裂介质情况可以看出，不锈钢列管的应力腐蚀破裂，大多数与生产所用冰盐水氯化物有关，再加上设备原有的残余应力、工作应力和工作中所受的热应力，导致部分应力腐蚀裂纹。
二 修复方案
１．1Gr18Ni9Ti不锈钢的焊接性
1Gr18Ni9Ti不锈钢较其它不锈钢更容易焊接，不因温度变化发生相变，对氢脆不敏感，在焊态下奥氏体不锈钢接头也有较好的塑性和韧性。
２.焊接缺陷及防止办法
(1)晶间腐蚀
晶间腐蚀产生原因
晶问腐蚀发生于晶粒边界，所以叫晶问腐蚀。它是奥氏体不锈钢最危险的一种破坏形式，它的特点是腐蚀沿晶界深人金属内部，并引起金属机械性能和耐腐蚀性能的下降。奥氏体不钢在450～850％温度区间范围内停留一定时问后，则在晶界处会析出Cr23C6 ，其中的铬主来自晶粒表层，内部的铬如来不及补充，会使晶界晶粒表层的含铬量下降而形成贫铬区，在强腐蚀介质的作用下，晶界贫铬区受到腐蚀就会形成晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢在表面上没有明显的变化，但在受力时会沿晶界断裂，几乎完全丧失强度。
防止晶间腐蚀的措施
１．选用超低碳C≤0．03％、添加钛或铌等稳定元素的不锈钢焊条。
２．采用小规范，目的是为了减少危险温度范围停留时间，采用小电流、快焊速、短弧焊及不作横向摆动。焊缝可采用强制冷却(如铜垫板、水冷)方法加快焊接接头的冷却速度，减少热影响区。多层焊时，应控制层间温度，要前一道焊缝冷却至60℃以下时再焊。
３．接触介质的那面焊缝最后焊接。
４．焊后固溶处理。将工件加热至1050～1150％后淬火，使晶界上的C C6溶人晶粒内部，形成均匀的奥氏体组织.
⑵热裂纹
热裂纹产生原因
１．液相线和固相线距离大，凝固过程温度范围大，使低熔点杂质偏析严重，而且集中在晶界处。
２．膨胀系数大，所以冷却收缩时的应力也大。
控制热裂纹产生的措施
１．控制焊缝金属组织，尽量使焊缝金属呈双相组织，铁素体的含量控制在3％ ～5％以下。因为铁素体能大量溶解有害的S、P杂质。
２．控制化学成分，应减少焊缝金属中的镍、碳、硫、磷含量，增加铬、钼、硅及锰等元素，可以减少热裂纹的产生。
３．选用适当的焊条药皮类型。用低氢型药皮焊条可以使焊缝晶粒细化，减少杂质偏析，提高抗裂性。用酸性药皮焊条氧化性强，使合金元素烧损多，抗裂性下降，而且晶粒粗大，使热裂纹极易产生。
４．采用适当的焊接规范和冷却速度。采用小规范，即小电流、快焊速来减少焊接熔池过热、快速冷却，以减少偏析，使抗裂性提高。多层焊时，要控制层问温度，前一焊道冷却至6o℃后再焊。
⑶．应力腐蚀开裂
应力腐蚀开裂产生原因
应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下，受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式，表现为无塑性变形的脆性破坏。
应力腐蚀开裂防止措施
①合理制定成形加工和组装工艺，尽可能减小冷却变形度，避免强制组装，防止组装过程中造成各种伤痕(各种组装伤痕及电弧灼痕，都会成为SCC的裂源，易造成腐蚀坑)。
②合理选择焊材。焊缝与母材应有良好的匹配，不产生任何不良组织，如晶粒粗化及硬脆马氏体等。
③采取合适的焊接工艺。保证焊缝成形良好，不产生任何应力集中或点蚀的缺陷，如咬边等；采取合理的焊接顺序，降低焊接残余应力。
④消除应力处理。焊后热处理，如焊后完全退火或退火；在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。
⑷．焊缝成形不良
焊缝成形不良产生原因
奥氏体不锈钢焊接时，由于焊缝中合金元素含量高，熔池流动性差，易造成焊缝表面成形不良。主要表现在根部焊道背面成形恶化及盖面焊道表面粗糙。焊缝表面成形不良对焊缝性能的影响在常温或高温工况下表现不明显，但在低温工况下，其成形不良所造成的应力集中，对焊缝低温性能的影响不亚于焊缝内部质量的影响。
焊缝成形不良的防止措施
对于焊缝成形不良以及焊接热影响区的晶问腐蚀问题，可以通过焊接工艺来加以解决。采用钨极氩弧焊打底、较小的焊接线能量，来控制热影响区处于敏化温度区间的范围。
３．焊接方法的选择
奥氏体不锈钢可用手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊、等离子等焊接方式，根据实际情况，选择简便的手工电弧焊实施焊补。
手工电弧焊的优点
①设备简单通用，可用成本较低的交流或直流焊接电源。
②灵活方便，几乎可用于焊接各种位置、各种厚度和形状的焊件。
③焊条品种齐全，可供焊接不同钢材时选用。
④采用气-渣联合保护。焊条药皮组成物质中的造气剂，分解产生的气体能隔离空气，保护熔池的后半部及凝固后并处于高温的焊缝。
４．焊接材料及设备的选择
⒈焊接材料通常根据奥氏体不锈钢材质、工作条件（温度和介质）、焊接方法来选择，原则上选用使焊缝金属成分与母材相同或相近的焊接材料，焊条含碳量不高于母材，铬镍含量不低于母材，1Gr18Ni9Ti化学成分如下表：
奥氏体不锈钢焊条有钛钙型焊条和低氢型焊条两类，低氢性不锈钢焊条具有较高的抗裂性，钛钙型不锈钢焊条具有良好的工艺性，生产中选用较多，由于1Crl8Ni9奥氏体不锈钢在焊接时容易产
生焊接热裂纹和晶间腐蚀等缺陷。因此，在焊条电
弧焊时，应选用焊条EO一19—10Nb一15或焊条EO
一19—10Nb一16。首先，该种焊条的含碳量低，约为
0．05％ ～0．07％。碳是造成晶间腐蚀的主要元素，
碳含量在0．08％以下时，能够析出碳的数量较少，
碳含量在0．08％以上时，能够析出碳的数量迅速增
加。同时碳也是造成焊接热裂纹的主要元素之一，
碳在奥氏体不锈钢中易形成低熔点共晶。所以，应选
用该种含碳量低的不锈钢焊条。其次，该种焊条含有
元素铌，约为0．5％～0．8％。铌与碳的亲和能力比铬
强，能够与碳结合成稳定的碳化物，从而避免在奥氏
体晶界造成贫铬，对提高抗晶间腐蚀能力起到良好的
作用。其三，该种焊条含铬量约为8．5％。铬在焊缝
中能形成铁素体组织。因为铬在铁素体中的扩散速
度比在奥氏体中快，因此铬在铁素体内较快地向晶界
扩散，减轻了奥氏体晶界的贫铬现象，防止晶间腐蚀
的产生。同时，在焊缝中形成的铁素体和奥氏体双相
组织是防止焊接热裂纹的重要措施。当焊缝中有
5％左右的铁素体时，便可使奥氏体的晶粒长大受到
阻碍，打乱柱状晶的方向，因而细化了晶粒，使焊缝的
杂质均匀分散，防止杂质的聚集。并且铁素体还可以
比奥氏体溶解更多的杂质，从而减少了低熔点共晶物
在奥氏体晶格边界上的偏析。其四，该种焊条是碱性
焊条低氢型药皮。低氢型不锈钢焊条的抗热裂性较
高，有利于防止焊接热裂纹的产生。
根据我厂的实际情况选用Ｅo－１９－１０Ｎb-16型焊条，Ｅo－１９－１０Ｎb-16型焊条适合交直流两用，根据实际情况选用BX1-300交流弧焊机。
５．焊接工艺参数的选择
奥氏体不锈钢焊接时，为了防止晶间腐蚀和应力腐蚀，防止热裂纹，减小焊接变形，采用小线能量，小电流短弧快速焊（奥氏体不锈钢焊接电流的选择见图１）采用多层多道焊，严格控制控制层间温度(<60℃)焊条不摆动的窄道。这些措施能减少在敏化温度停留时间，是防止晶间腐蚀和应力腐蚀的重要工艺措施，是奥氏体不锈钢焊接的主要工艺特点。
奥氏体不锈钢焊接电流的选择图
三 焊接
焊前准备
焊接前要对焊缝部分进行彻底清理，清楚所有结巴、油污等缺陷因素，然后在开始焊前准备用角向磨光机修磨断裂处至磨出偏向管板一侧的坡口，清楚所有裂纹倾向，坡口边缘平滑过渡，钝边间隙以单边能焊透为准。
２.焊接工艺
⑴焊接前先将焊条放入烘干箱烘干２小时，烘干后放入保温箱中保温随用随取。
⑵焊接时，尽可能将焊缝调整到水平位置，以利于操作。
⑶焊接时采用短道焊、快速焊不摆条、断续、分散焊，每段长度不应超过３０mm，收弧时要填满弧坑。
⑷焊完一道焊缝后马上用钝头小锤敲击整条焊缝，以释放焊接应力。锤击速度要快，２－３次╱秒力量由重减轻。
⑸严格控制层间温度，每焊完一道焊缝必须冷却到６０℃一下，清渣后在进行焊接。
⑹尽量采用小融合比进行焊接。
⑺清除焊渣后，用放大镜观察无裂纹，在继续下道工艺。
３焊后处理
为加强焊补后不锈钢的耐腐蚀性，焊后进行表面处理，处理方法有抛光和钝化。
⑴表面抛光
不锈钢焊件的表面粗糙、污点会加快腐蚀，表面越光滑抗腐蚀性越好。因此要用抛光机将焊道修磨光滑。
⑵表面钝化处理
钝化处理是在不锈钢表面人工形成一层氧化膜，起保护作用。 流程为：表面清理和修磨－－酸洗－－水洗和中和－－钝化－－水洗和冲干。
①表面清洗和修磨：把表面损伤的地方修磨补好、磨光。
②酸洗：分为浸洗和冲洗，由于冷凝器较大选用刷洗。
⒈配方：盐酸５０％，水５０％
⒉酸洗方法：沾洗液刷到焊件表面，呈白亮色，再用清水冲洗干净。
③钝化：钝化液配方：硝酸５ml、中铬酸钾１ｇ、水９５ｍｌ，按比例配适量。处理方法是将钝化液在表面擦一遍，停留一小时，然后用冷水冲。用布仔细擦洗，最后用热水冲洗干净、吹干。钝化处理成银白色，具有较高的耐腐蚀性。
四 总结：经以上焊补处理后，不锈钢列管式冷凝器水压试验合格，可投入使用，为我厂的订单交付争取了时间，节约了成本。
五 参考文献：
《不锈钢应力腐蚀破裂》 陆世英 张德康编写 科学出版社
《焊接手册》 机械工业出版社１９９２
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