| 标题 | 化学品船双相不锈钢的建造工艺研究 |
| 范文 | 丁振 摘要：双相不锈钢凭借着优良的耐腐蚀性能和力学性能，成为化学品船货舱区域的首选。但是双相不锈钢本身却十分“娇贵”：容易被碳钢污染，钝化膜容易被破坏，在海水中容易发生点腐蚀等。本文对双相不锈钢的焊接、酸洗钝化以及压载舱不锈钢面的涂层的建造工艺进行研究。 关键词：双相不锈钢；焊接；酸洗钝化；压载舱；涂层 中图分类号：U674.31 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0042-04 随着化学品运输业的不断发展，高技术含量、高附加值的双相不锈钢化学品船越来越受到船东的青睐。尽管一次建造成本较高，但是双相不锈钢凭借着优良的耐腐蚀性能和力学性能，成为化学品船货舱的首选。其中双相不锈钢的焊接、酸洗钝化以及压载舱不锈钢面的涂层保护是整个建造工艺的重中之重。 1 双相不锈钢的特点以及相平衡 在双相不锈钢的固溶组织中，奥氏体和铁素体各约占50%。图1和图2为焊缝区和热影响区的组织照片，其中γ为奥氏体组织，α为铁素体组织.奥氏体组织以长条状或孤岛状分布在铁素体基体上。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。 双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比，屈服强度更高，耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀能力更强。同等载重下，双相不锈钢耗材少，能减少空船重量。同时，与铁素体不锈钢相比，塑性、韧性以及焊接性能显著提高。分析其原因：①铁素体相中的裂纹由于奥氏体相的存在，扩展速率显著下降；②C、N等元素在奥氏体相中更容易溶解，碳化物和氮化物在不锈钢焊接过程不易析出，同时能抑制铁素体晶粒变大。 某船厂在建化学品船使用的是2205双相不锈钢。这是第二代双相不锈钢的典型代表，其化学成分和力学性能见表1、表2。 双相不锈钢中奥氏体相和铁素体相的比例以及分布状态决定了其性能。在焊接加热过程中，随着温度的升高，奥氏体逐步向铁素体转变。而在冷却过程中，铁素体又转变为奥氏体。在高温区，奥氏体能够完全溶于铁素体中。但是在冷却阶段，铁素体的转变却是不完全的。如何控制好双相的比例，是焊接过程中需要重点考虑的。 2焊接过程控制 2.1 焊前保护措施 双相不锈钢一旦受到污染，其保护膜容易受到破坏。因此焊前保护十分重要。在不锈钢储存时，需要与碳钢材料和粉尘隔离，如图3。原则上所有不锈钢材料均要求在室内存放，并且防尘、防潮。在不锈钢存放区域需要垫上木头，防止不锈钢与地面之间产生划伤。不锈钢表面需要保持干燥，无油，无脂，无碳钢接触。不锈钢运输时，所有与不锈钢接触的工装治具、加强等均要求为不锈钢材质。如果有吊耳焊接在不锈钢板上用于运输，需要注意：吊耳与不锈钢直接接触的地方需采用不锈钢制作，如图4。吊耳尽可能少的安装。吊耳需采用等离子切割机进行切割，采用等离子气刨处理；切割吊耳时，四周的不銹钢需要特别的保护。切割加工采用氮气或氩氢气等离子切割，不使用火焰切割方式。 不锈钢焊前需清洁焊道，去除油、水、垃圾、锈等。坡口使用专用不锈钢砂轮片进行打磨。焊接开始前，坡口必须保持清洁。定位焊可以采用手工焊或者气体保护焊，应该避免处于焊接开始的位置。采用无衬垫焊接时，定位焊需在反面，翻身后焊接前定位焊打磨（气刨或等离子）。采用单面有衬垫焊接时，不建议用定位焊，建议背面加马板。定位焊的数量应尽可能得少，且定位焊缝应具有足够的高度。定位焊的质量应与施焊的焊缝质量相同。对接焊缝的两端要装配引、熄弧板，防止端部焊接缺陷的产生。推荐定位焊缝的长度为30mm-50mm，定位焊缝间距在250-350mm之间。 2.2 焊接材料 在整个焊接过程中，铁素体比例显著增大。因此需要选择奥氏体占比大的焊接材料，从而保证焊缝具有双相不锈钢的优点。N、Ni、Cr元素都可以在焊接冷却过程中，促进铁素体向奥氏体转变。同时N元素还可以提高焊接接头的耐腐蚀性能。双相不锈钢的焊材中，Ni含量一般比母材高2%-4%，而N含量与母材相同。 某船厂在双相不锈钢埋弧焊中使用的是ER2209焊丝，其化学成分见表3。 2.3 焊接作业 双相不锈钢的焊接一般采用多层多道焊。后续的焊接对之前的焊缝以及热影响区起到了固溶处理的作用，促进焊缝中奥氏体的形成。同时还能改善焊接热影响区的双相比例，提高焊接接头的性能。多层多道焊时，要注意层间的打磨。接触腐蚀介质的焊缝一般优先焊接。同样利用后续焊接的固溶作用，使接近腐蚀介质的焊缝以及热影响区奥氏体转变更充分，减少表面裂纹的产生。 焊接采用过高的线能量时，虽然冷却速度较慢，能促使铁素体更多地向奥氏体转变，但是铁素体晶粒容易变大，容易析出有害的金属间化合物，焊缝韧性下降。而采用低线能量时，奥氏体的转变会大大减少，影响两相比例。为了得到最佳的焊接接头组织，保证在焊缝中奥氏体的再次形成，需要根据板厚以及焊接方法合理地控制热输入量（0.5-2.5kJ/cm）。同时最高层间温度一般在150℃左右为宜。 双相不锈钢焊接作业时，还需要注意：不能在母材上进行引弧，不能在焊缝上试焊；不可以选用铜衬垫；焊条和焊剂在使用前应严格按照制造商推荐的程序和温度进行烘焙；任何情况下，保护气体中不应含有氢元素；所有使用的工具应满足不锈钢保护的要求；焊接时应保证电弧稳定、快速的直线移动，避免左右摆动应尽可能地减少焊接修补量；火工矫正的方法不适用于双相不锈钢的变形控制，可采用适当的外力矫正；焊接结束后，需立即打磨熄弧处的热裂纹、缩孔等缺陷；背面清根方法只能采用等离子弧气刨或砂轮磨刨，禁止采用碳弧气刨。 2.4 焊接变形的控制 双相不锈钢的热膨胀系数较高，而其热传导率较低。这导致焊接接头区域在焊后会有较大的残余应力。双相不锈钢有较大的屈服强度，其选用的板厚相对较薄，因此引起的焊接变形往往较大。对不锈钢焊接变形的控制要贯穿整个装配焊接过程。 装配时，采用反变形法。焊接前，对焊后可能产生的变形进行预估。对钢板以及构件提前进行反向的变形处理。在焊缝附近易发生变形的区域进行刚性固定。但是需要注意，外加的刚性约束不能直接焊在不锈钢上。 焊接时，首先要严格控制热输入量。这除了能改善不锈钢焊接接头的两相比例，还能避免高热输入量引起较大的焊接变形。同理，焊脚高度也不能过大，要严格按照焊接规格表的要求进行控制。复杂结构的焊接，尽量从中间向四周扩散焊接。对称结构还应由双数的焊工对称施焊。对于较长的焊缝，还应考虑使用分布退焊法等方法来减少焊接变形。 2.5焊后质量控制 固溶热处理是指将不锈钢加热到1100℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳固溶于奥氏体中，然后快速冷却至室温，使碳达到过饱和状态。焊后经过固溶处理后，焊接接头奥氏体含量明显增加，晶粒更加细小，韧性、抗冲击性和抗点蚀能力明显增强。焊接接头组织性能得到提升。但是固溶处理要求很高，一般船厂很难做到。双相不锈钢焊后一般也不进行热处理。 无损检测是不锈钢焊后重要的质量控制方法。焊缝的内部质量可采用射线或其他适当的方法进行无损检测。必要时有些焊缝应增加适当数量的渗透检测。 所有焊缝应进行外观检查。焊缝表面应成型均匀，并平缓的向两侧过渡，无过大的余高，焊缝表面不应有裂纹、气孔、未填满、单面焊根部未焊透、焊瘤和咬边等缺陷。焊后打磨需要注意打磨片不能含铁元素。用于不锈钢的打磨片需要采用专门的标记。 对需要修补部位周围的区域用适当的方式加以保护，防止飞溅等伤害不需修补的区域。根据缺陷的性质、长度、宽度、深度，采用打磨或等离子气刨的方法，彻底清除缺陷，直到缺陷完全消除，必要时可采用渗透探伤方法确认。将补焊部位的坡口打磨成U 型，确保宽度大于深度，对坡口两侧50mm 范围内需进行清洁，必要时可用丙酮清洗焊缝。补焊的长度不小于30-50mm，不允许出现点焊修补。修补焊接和正常焊接一样，不得在焊缝以外的区域引弧。根据缺陷清除后坡口的深浅决定修补的层次和焊道，最高层间温度需控制在150℃左右。 3 双相不锈钢的酸洗钝化 在双相不锈钢化学品船的建造过程中，货舱内表面不可避免地存在油污、划伤等缺陷。通过酸洗钝化，可以消除不锈钢表面缺陷，并形成一层致密的保护膜。这极大地提高了双相不锈钢货舱的耐腐蚀性能。 3.1 不锈钢酸洗钝化原理 酸洗钝化的目的是把不锈钢表面轻微地腐蚀掉一层，去除表面无关的金属污物，使不锈钢表面富集铬元素。酸洗钝化后不锈钢的表面形成一层高质量的钝化保护层，与腐蚀介质隔离开，大大降低了腐蚀速度，从而达到耐腐蚀的目的。但是腐蚀仍在缓慢地进行。例如氯离子会逐渐破坏钝化膜。 酸洗钝化过程中，不锈钢表面有大约10μm厚度被酸液腐蚀掉。不锈钢表面的缺陷更容易溶解，这也使整个不锈钢表面更加平整。另外，鐵的氧化物与铬的氧化物相比更容易溶于酸中。这样铬的氧化物便富集在不锈钢表面，形成一层极薄的（约1nm）、致密的富铬钝化膜。其反应方程如下： 富铬钝化膜主要由CrO3、FeO与NiO组成。该层钝化膜电位极高，几乎不与腐蚀介质反应。它将不锈钢与腐蚀介质隔离，从而使腐蚀速度大幅度下降。 3.2 酸洗钝化工艺流程 开始酸洗钝化前，应确认所有的泵、阀门以及货舱的清洗系统可用。对货舱进行清洗，利用货舱泵排出洗舱淡水，随后开始除油。利用加热盘管将除油剂的温度控制在60℃左右，通过货油泵和洗舱机组合。如图7、8所示，货油泵抽出除油剂，打开盲板，通过软管连接到洗舱机，循环清洗货舱约2小时。泵出除油剂，用淡水冲洗，检查除油效果。若水在整个不锈钢表面形成均匀的水膜，则表示除油合格。 除油结束后，内部循环酸洗钝化所有液货舱、货油输送及其相关系统。酸洗液主要由水、氢氟酸和硝酸组成。酸洗钝化过程与上图类似。酸洗液要足量，以保证货油泵与洗舱机的循环洗舱。酸洗液温度超过5度即可。现场酸洗液的循环一般是两个货舱同时进行。循环结束后，酸洗液转驳到后面的货舱，在此过程中需不断添加酸洗液进去，以保证浓度。当所有舱室酸洗结束后，立即用淡水洗舱，同时需向舱内通风。在洗舱过程中产生的酸液浓烟，如果不能及时排出，会使不锈钢内表面发黄。在此过程中，当舱内的淡水PH值达到6-7即可停止洗舱。洗舱结束需即刻干舱。 不锈钢酸洗钝化后表面呈均匀的银白色，如图9。某船厂采用不锈钢钝化检测仪对钝化效果进行检测，如图10。 通常也可以使用蓝点检验法验证钝化膜的质量。蓝点检验法使用的是蒸馏水、铁氰化钾与浓硝酸的混合溶液。钝化膜不完整时，表面存在铁离子，与铁氰化钾发生反应。反应式如下： 4 基于PSPC的压载舱不锈钢面的涂层保护 与其他船舶压载舱不同，双相不锈钢化学品船的压载舱主要由高强钢组成，但是其与货舱的边界是双相不锈钢。该边界不宜与碳钢接触。因此压载舱不锈钢面的涂层保护需要特别注意。 4.1 不锈钢压载舱的冲砂工艺 压载舱的高强钢首先需要进行抛丸处理，并喷涂底漆。而压载舱内的不锈钢面不需要进行预处理，但要做好保护措施。 化学品船要求压载舱内要求使用锈蚀等级为A或B的钢板，粗糙度在40-75um之间。压载舱内表面应加以处理，打磨焊道，去除毛边、焊接飞溅和其他表面污染物，保证涂层均匀，达到所要求的名义干膜厚度和有足够的附着力。涂装前边缘应处理成半径至少为3mm的圆角，或经过三次打磨或至少经过等效的先处理。其他缺陷必须根据ISO 8501-3标准进行修补。 冲砂磨料的选取十分重要。高强钢部分一般选用钢丸和钢丝丸混合磨料。不锈钢部分一般选用棕刚玉磨料或者石榴石非金属磨料。铁铝石榴石由天然矿石加工而成，化学稳定、硬度适中（6.5-8.0），是高档天然磨料。石榴石磨料冲砂后的粗糙度比棕刚玉磨料高。这样喷涂油漆时可以分布更均匀。石榴石磨料冲砂时排放的粉尘更少，提高冲砂时的能见度。 由于高强钢和不锈钢的冲砂磨料不同，为了防止相互污染，二者的冲砂应该分开进行。当相对湿度大于75%或钢材表面温度低于5℃，不能进行冲砂。磨料的尺寸及类型的选择需基于钢板的类型、等级及表面条件。磨料不能有油及其他污染。在加入新磨料之前，需按照ISO 11125对磨料取样检测，含氯最大允许值为250us/cm。导电率参照ISO 11127-6。 为了避免高强钢冲砂时对不锈钢的污染，在高强钢距离不锈钢50cm的区域内停止冲砂，改用动力工具处理，处理后的表面粗糙度应与冲砂后效果一致，在30-75um之间。高强钢冲砂时，不锈钢置于上方。同时，不锈钢的表面用三防布进行保护。冲砂完成后如图11所示。 4.2 压载舱不锈钢的涂装 压载舱不锈钢的涂装与高强钢相似。涂装开始前，需进行条件检查。當相对湿度超过85%或表面温度低于露点温度3℃时，不能进行涂装。清除灰尘、污泥和油脂。在施工过程中以及完成后的一段时间内须保持通风。 一般情况下，采用无气喷涂。该喷涂方法不含有压缩空气，对环境污染轻，喷涂效率高。每度涂层的湿膜厚由油漆工进行检查以达到指定干膜厚度的目的。涂层施工后需测量干膜厚度，总膜厚在最后一度施工后得到确认。名义干膜厚度320um。干膜厚度的测量通常使用磁性或电子测膜仪。验收标准应符合90/10检验规则，即90%的测定值应达到规定的名义干膜厚度，允许10%测定值偏低，但是必须大于名义干膜厚度的90%。涂层厚度也不能超过标准，以防止龟裂。涂装缺陷通常有：气泡、复涂间隔超期、颜色变暗、开裂、脱皮、流挂。缺陷清除修补后需要达到指定的膜厚。涂装完成后如图12所示。 参考文献： [1]程东亮. 焊接及热处理对2205双相不锈钢焊接接头腐蚀行为的影响[D].江苏科技大学，2012. [2]申艳丽. 焊接工艺对2205双相不锈钢焊接接头综合性能的影响[D].太原理工大学，2007. [3]杨继承. 不锈钢舱化学品船焊接工艺技术研究[D].哈尔滨工程大学，2011. [4]李伟，栗卓新，李国栋，李红. 国内外双相不锈钢焊接的研究进展[J]. 焊接，2007，（01）：11-15+61. [5]郭兆强. 化学品船液货舱不锈钢材质的酸洗钝化[J]. 航海技术，2013，（03）：31-33. [6]汤全胜. 不锈钢化学品船的酸洗钝化[J]. 中国船检，2006，（07）：90-91. [7]李星. 基于PSPC化学品船压载舱涂装工艺研究[D].江苏科技大学，2016. |
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