某在用抽出槽筒体开裂分析及维修

　　1全面检验2020年8月对某食品加工企业在用抽出槽(属压力容器)根据《固定式压力容器安全技术监察规程》的规定应进行全面检验[1-2]，该设备使用时间较长，工况相对比较复杂。

　　2缺陷分析

　　氯化物应力腐蚀开裂是指处于氯化物水溶液中的300系列不锈钢或部分镍基合金在拉应力、温度和氯化物水溶液的共同作用下产生起源于表面的开裂[3]。分析该设备裂纹产生的部位及形态，结合抽出槽母体材质及使用工况推断该裂纹应为氯化物应力腐蚀开裂[4]。

　　2.1硬度测试罐体表面维氏硬度为HV1.0352～HV1.0413，中心处的硬度为HV1.0149～HV1.0155，内部硬度为正常的304钢固溶态硬度，表层由于筒体卷压时受外力作用产生加工硬化，硬度升高，耐蚀性降低。

　　机械论文投稿刊物：《铸造技术》双核心期刊是什么意思? 创刊于1979年，是中国铸造协会会刊，中文核心期刊，中国科技核心期刊，国内外公开发行。《铸造技术》是一本集中报导我国铸造领域先进科研成果、实用工艺技术、生产管理经验以及铸造行业发展动态的综合性科技期刊。覆盖铸铁、铸钢和有色合金铸造等整个铸造工业领域。读者对象为企业管理人员、技术人员、技术工人、大专院校师生、科研院所工程研究人员等。

　　2.2金相分析罐体金相组织主要为奥氏体，表层受加工硬化影响，产生位错。基体组织较正常，晶粒度没有恶化迹象。裂纹走向由表及里呈根须状分布，起始于靠近岩棉的外侧，向高压蒸汽一侧延伸，开口处氧化较为严重，裂纹内部也有氧化，裂纹多为穿晶开裂，多呈树枝状，有分叉，此现象符合应力腐蚀特征。

　　2.3化学成分罐体材质化学成分与304材质要求无明显差异，w(Ni)8%～12%的大应力腐蚀开裂敏感性区间。综上，罐体在使用过程中受高压高温蒸汽的影响，表层膨胀产生拉应力，同时由于材质表层本身存在加工应力，在设备启动往复循环作用力下，不锈钢表层钝化膜容易产生断点。罐体外侧有岩棉包裹，微环境封闭，断点不能及时与氧气接触，无法重新生成钝化膜。同时，询问使用单位维护情况时，发现存在人为灌注自来水加速降温冷却等不当操作，这使得罐体外表面在与封闭气氛中的氯离子等腐蚀性介质接触时，产生了点腐蚀。罐体长期在应力和微腐蚀环境下，表面产生应力腐蚀，当其中某一点贯穿罐体时，高压蒸汽会加快腐蚀速度，使罐体加速腐蚀老化，主裂纹得以沿应力垂直方向延伸，并伴生大量次生微裂纹。

　　3本体维修

　　3.1焊前预处理

　　设备筒体表面去除浮锈打磨光亮后，在裂纹两侧附近表面进行渗透探伤，确定开裂范围[5]。在确定裂纹端部位置后应在两侧钻孔去掉尖角，防止打磨过程中产生应力导致母材裂纹延伸。由于母体材料为304不锈钢，因此采用机械冷加工方式去除裂纹并加工V形坡口，并对坡口及其两侧各30mm范围内的氧化皮、油脂等杂物进行彻底清理，打磨过程中禁止使用高碳的砂轮或砂纸。施焊前应当对坡口两侧作必要的防护，防止粘附焊接飞溅物。

　　3.2焊接工艺

　　304不锈钢常温下平衡相为奥氏体组织，快冷也不会形成硬脆马氏体，因此不需要采取预热措施。焊接过程中采用小热输入会导致焊缝冷却速度过快，使焊缝金属中的铁素体组织相含量增加;而过大的热输入易造成焊缝金属过热，导致晶粒粗大，这样就使焊接接头性能降低。所以，焊接时对层间温度应控制得当，控制在150℃以下。不锈钢焊接时，熔池在结晶的后期，即在固液共存温度下由于残存的低熔点共晶化合物易产生凝固裂纹。

　　试验得知，304不锈钢BRT起止温度为1430～1370℃，脆性温度区间为60℃，临界最小应变为0.6%，脆性敏感度较一般碳钢的低，焊接性较好[6]。焊接刚结束时如果处理不当，碳化物会沉淀在奥氏体晶界上，降低材料的韧性和抗晶间腐蚀能力，所以焊后应让焊件自然冷却至室温，不需要采取缓冷措施。焊接中使用的清理工具如钢丝刷、刨锤及打磨用的砂轮必须专用，隔绝不锈钢与碳钢直接接触，避免导致本体粘有铁屑等杂质而产生点蚀等缺陷。

　　3.3施焊

　　采用手工钨极氩弧焊进行平焊，焊材为?2.0mm的H08Cr21Ni10焊丝，采用?2.4mm的铈钨极。保护气体为φ(Ar)99.9%，进行正反面保护，流量10L?min。层间温度为60℃，电源极性为直流正接，电弧电压12～14V，焊接电流120～140A，焊接速度8cm?min，热输入≤12.2kJ?cm。施焊环境温度>0℃，空气相对湿度<90%。应由熟练焊工严格按照上述焊接工艺参数施焊。由于补焊区域较长，为防止焊接变形过大，焊接前应先在适当位置点固焊3～6处，采用间断法进行焊接。每道焊接工序完成后用橡胶锤敲打焊缝，以便减小残余应力，同时也适当降低热影响区的温度，减小热影响区的范围，不可水冷。每层焊接完成后应打磨并清除焊缝油污，进行渗透检测。

　　3.4焊后应力消除

　　当奥氏体不锈钢在腐蚀性介质中工作时，若材料中存在残余应力时，材料在腐蚀性介质中会非常容易产生应力腐蚀裂纹。常规方法是奥氏体不锈钢焊后进行消应力热处理，温度为870～900℃，而奥氏体不锈钢易发生敏化的温度范围在400～800℃，在消应力处理过程中，如果升、降温阶段在400～800℃停留时间过长，会使碳化铬沿晶界连续析出，晶界附近贫铬，晶界处于首先被腐蚀状态，即发生敏化，使结构和零部件的力学性能急剧下降[7]。

　　本次维修中采用奥氏体不锈钢超载处理技术[8]，以消除补焊区域的焊接残余应力。在焊接完成后，按工艺要求，对设备筒体所有开孔及接管进行补强以承受超压作用。每个接管的管端处焊接密封帽或盲板在保证密封的前提下进行水压试验，按计算的强化应力进行加压，此时，热影响区等部位在水压的作用下，首先产生塑性变形，但因奥氏体不锈钢的强化作用，这些薄弱部位的塑性变形立即受到阻碍，而将变形分布到容器的其他部位。如此反复交替，就可以使母材、焊缝和热影响区的金属均被强化，同时焊接残余应力得以消除。

　　3.5无损检测补焊完成后，按照NB?T47013—2015的要求进行射线探伤，Ⅱ级合格。

　　4结语

　　抽出槽设备在使用过程中应注重设备本体的日常维护，严格禁止不当操作;对介质中的氯离子含量进行严格地控制;尽量避免保温层破损和外表面氯化物集中或沉积，降低材料的表面粗糙度，防止机械划痕、擦伤和麻点坑等，减少氯化物聚集的可能性，避免材料直接接触腐蚀介质。在维修过程中，需根据工艺评定试验结果制订详细的工艺规程和工艺纪律，并要求焊工严格执行，以确保工程质量。同时应当重视设备开裂成因，焊 接完成后应尽可能消除残余应力，保证设备使用可靠性。

　　参考文献：

　　[1]GB150—1998钢制压力容器[S].北京:中国标准出版社，1998.

　　[2]NB?T47013—2015承压设备无损检测[S].北京:中国标准出版社，2015.

　　[3]李飞杰.蒸压釜定期检验发现母材裂纹分析[J].设备管理与维修，2020(5):126-127.

　　[4]GB?T30579—2014承压设备损伤模式识别[S].北京:中国标准出版社，2014.

　　[5]生利英.轮带裂纹的修复补焊工艺[J].铸造技术，2012(10):1218-1219.

　　[6]蒋有荣.304L代替321不锈钢可行性研究[C]??全国核材料学术交流会论文集，2006.

　　[7]于建平.CD4MCuN双相不锈钢补焊工艺评定试验综述[J].焊接技术，2013，42(5):48-51.

　　[8]赵大年.奥氏体不锈钢焊后消除应力的工艺探讨[J].炼油与化工，2010，21(3):53-54.

　　作者：张锋