废气处理燃烧炉壳裂纹原因及焊接修复

朱 宁，何耀飞，梁恩荣，潘子祥

（攀钢集团焊工培训中心，四川攀枝花617000）

废气处理燃烧炉壳裂纹原因及焊接修复

朱 宁，何耀飞，梁恩荣，潘子祥

（攀钢集团焊工培训中心，四川攀枝花617000）

针对材质为0Cr18Ni9的奥氏体不锈钢燃烧炉，分析高温环境使用产生裂纹的原因及焊接性能，通过选择合适的焊接材料和制定合理的工艺措施，成功修复裂纹缺陷，保证0Cr18Ni9奥氏体不锈钢的高温使用性能和要求。

奥氏体不锈钢；裂纹原因；焊接材料选择；工艺及措施

0 前言

西昌卫星发射基地用于发射运载火箭的高燃值燃料燃烧后产生的废气是有害气体，必须吸收到燃烧炉内进行回烧处理。燃烧炉的整体外壳是用0Cr18Ni9不锈钢材料组装的双层焊接而成，每层厚8 mm，壳体最大外径φ1 500 mm，层间通冷却水，工作时外壳温度500℃～900℃。由于在高温下长期使用，两座燃烧炉壳体内外焊缝处及近缝区出现多处裂纹，如图1所示，造成漏水、漏气现象，无法继续使用，严重影响运载火箭的发射工作，要求及时修复处理裂纹。之前选择与0Cr18Ni9不锈钢成分和性能相匹配的A102焊条，对其中一座燃烧炉的裂纹处进行焊接修复，但使用一段时间后原修复处及近缝又产生裂纹。为确保焊接修复质量，分析裂纹原因，选择合适的焊接材料和合理的工艺及措施，保证燃烧炉的使用性能和要求。

1 裂纹原因

1.1 腐蚀的影响

燃烧炉壳的层间用于冷却的自来水每次工作完后都未放出，经自来水厂的检测数据分析，每年水中Cl-的平均含量较高（＞25 mg/L）。根据Cl-对金属材料的腐蚀机理[4]，任何金属材料都不同程度地存在非金属夹杂物，如硫化物、氧化物等，这些在材料表面的非金属化合物在Cl-的腐蚀作用下很快形成坑点腐蚀形态。对于0Cr18Ni9不含Mo的不锈钢材料，虽然表面具有较致密的氧化膜，但在静止的水中Cl-易吸附在不锈钢表面的氧化膜上产生坑点腐蚀现象，从而诱导应力腐蚀，在应力作用下易导致裂纹产生。Mo能有效提高不锈钢表面的钝化和再钝化能力[2]，如果钢中含有一定量的Mo（≥3%）时，能充分阻止Cl-向材料基体的渗透作用，提高耐孔腐蚀的性能。

图1 焊缝及近缝区裂纹

1.2 母材和焊缝中铁素体含量的影响

燃烧炉长期在高温下工作（500℃～900℃），如果奥氏体不锈钢中的铁素体含量偏大，会产生脆性相，从而导致材料性能变化。铁素体在500℃～925℃长时间时效会产生一种Fe-Cr金属间化合物[3]，使金属在热态时变脆，称为σ相脆性。σ相硬而脆（HRC＞68），可显著降低钢的塑性和韧性。σ相主要是由铁素体演变而来，当铁素体含量超过5%时，很快形成σ相。

不锈钢中铬是铁素体形成元素，镍是奥氏体形成元素，如果选择不合适的焊接材料，焊缝熔敷金属冷却过程中也会产生一定含量的铁素体。通过WRC-1992组织图（见图2）的铬、镍当量值，可以较为精确地预测不锈钢金属和焊缝熔敷金属的铁素体含量[2]。

图2 WRC-1992组织图

燃烧炉壳0Cr18Ni9属18-8型奥氏体不锈钢，耐腐蚀性、耐热性和塑性良好，其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示[2]。

WRC图中铬、镍当量公式为

表1 0Cr18Ni9化学成分 %

表2 0Cr18Ni9机械性能和物理性能

按式（1）和式（2）分别计算出0Cr18Ni9奥氏体不锈钢的铬、镍当量值分别为：w（Cr）当量=17%～19%，w（Ni）当量=10.1%～13.1%，见图中a～b点位置，铁素体含量约为2%～4%。采用化学成分和性能相匹配的A102焊条焊接时（化学成分和力学性能如表3、表4所示）[2]，焊接材料与母材金属熔合后形成的焊缝金属将发生一定的成分变化，应先按式（3）计算出焊缝中主要合金元素的含量[1]，再通过式（1）和式（2）计算出焊缝熔敷金属中铬、镍当量值。

表3 熔敷金属A102化学成分 %

表4 熔敷金属A102力学性能

焊缝金属中某合金元素的实际含量为

式中 w（Mb）为该元素在母材中的质量分数（单位：%）；w（Md）为焊接材料的熔敷金属中该元素的实际质量分数（单位：%）；θ熔合比（被熔化的金属母材所占焊缝金属的百分比，焊条电弧焊的熔合比为30%～35%）。

根据式（3）计算出采用A102焊条焊接后，焊缝金属中主要合金元素成分的含量为：w（Cr）=19.3%～19.4%；w（Ni）=9.65%～9.7%；w（Mo）=0.485%～0.525%；w（C）=0.076 5%～0.077%。

再依据式（1）和式（2）计算出焊缝熔敷金属中铬、镍当量值分别为：w（Cr）当量=19.785%～19.925%；w（Ni）当量=11.945%～12.01%。

在WRC图中c～d点位置铁素体含量约为8%～9%。由于焊缝熔敷金属组织中铁素体含量大于5%，高温下长期使用易产生σ脆性相，在应力作用下会导致裂纹产生。

2 焊接性能分析

奥氏体不锈钢焊接时的主要问题是焊接裂纹和耐蚀性。

2.1 焊接裂纹

奥氏体不锈钢的焊接裂纹主要是热裂纹，在热影响区产生液化裂纹和在焊缝中产生结晶裂纹[1]。奥氏体不锈钢的物理特性是热导率小、线膨胀系数大，在焊接局部加热和冷却条件下，焊接接头部位的高温停留时间较长，焊缝金属及近缝区在高温下承受较高的拉伸应力和拉伸应变，当有低熔点共晶体存在时，易在焊缝中产生热裂纹。

2.2 耐腐蚀性

（1）孔腐蚀。主要与腐蚀介质中含有Cl-离子破坏钝化层有关[1]。防止措施是在钢中加入一定量的Mo元素。

（2）应力腐蚀。主要与内、外应力有关。焊接时一方面应采取合理的工艺及措施，把应力控制在最小程度；另一方面在焊缝中形成一定数量的铁素体组织，使铁素体阻碍裂纹扩展，从而提高焊缝金属抗应力腐蚀的能力[3]。

（3）晶间腐蚀。产生晶间腐蚀的敏化温度区为加热温度450℃～850℃[1]。为防止焊接接头的晶间腐蚀，可采取降低不锈钢中含碳量、形成含有一定量铁素体的双相组织，焊接工艺上采用较小的焊接热输入，加快冷却速度等措施[3]。

3 焊接材料的选择

不锈钢焊接材料的选择原则上是选择与母材化学成分和性能相匹配的材料；但在某些情况下，如高温条件下使用，需要焊缝中含有一定量的铁素体组织来保证焊缝金属的耐蚀性能和抗裂性能时，应选择主要合金成分含量高于母材和其中含有一定量的有益元素的焊接材料[2]。

针对燃烧炉壳的0Cr18Ni9奥氏体不锈钢在高温环境条件下的使用性能要求，焊缝中须含有合适数量的铁素体和一定含量的钼，经多种奥氏体不锈钢焊接材料与0Cr18Ni9奥氏体不锈钢焊接后综合分析和计算焊缝中产生的铁素体量后，最终选择A412奥氏体不锈钢焊条。A412焊条熔敷金属化学成分和力学性能分别如表5、表6所示[2]。

表5 熔敷金属A412化学成分 %

表6 熔敷金属A412力学性能

选择A412焊条焊接0Cr18Ni9不锈钢时，熔敷金属中的铬、镍当量值在WRC图上焊缝中铁素体含量约为3%～4%，见图中e～f点位置。高温条件下使用奥氏体不锈钢焊接时，焊缝中铁素体含量为3%～4%比较理想[2]，而A412焊条中含有约3%的钼，它可保证焊缝既有良好的抗裂性，又有很好的抗腐蚀性能。

4 焊接工艺及措施

4.1 焊前准备

（1）先用φ8 mm的合金钻头在距离裂纹末端10 mm处钻止裂孔，防止裂纹继续延伸和扩展。

（2）选择角向砂轮机清除裂纹缺陷，并修磨成U型坡口形状。经着色检验无缺陷后，再清理干净坡口两侧30 mm范围内的油、锈等。在保证缺陷彻底清除的前提下，坡口宽度应尽量小，以减小焊接收缩应力。

（3）施焊前焊条按规定要求进行烘干，并放在100℃的保温筒内随用随取。

4.2 焊接要点

（1）选择直流焊接电源，反极性。采用小的焊接电流，焊条不作横向摆动，短弧操作，在熔合良好的情况下提高焊接速度等，以减少热输入量，降低应力产生。焊接工艺参数如表7所示。

表7 焊接工艺参数

（2）采取多道焊。每一道又分2段或3段（短焊缝2段，长焊缝3段）进行退焊，中间接头处错开至少30 mm，使整条焊缝尽量受热均匀，防止应力集中，分段退焊如图3所示。

图3 分段退焊

（3）每焊完一段后立即用带圆头的小锤进行锤击（锤重0.5 kg，锤头圆弧直径φ5 mm），先锤击焊道中部，再锤击焊道两侧，直到布满麻点为止，以消除部分应力和改拉应力为压应力。锤击后用10倍的放大镜检查表面，确认无缺陷后继续施焊。

（4）焊接过程中控制层间温度小于100℃，以防焊缝和热影响区晶粒长大及碳化物析出。

5 焊后检验和表面处理

（1）焊接接头冷却到室温后检查焊缝表面无气孔、夹渣、咬边等缺陷。（2）用角向砂轮机修磨焊缝表面余高与原焊缝表面齐平并与边缘熔合处过渡圆滑。（3）在焊缝表面及周围进行着色检验未发现裂纹。

6 结论

通过分析高温条件下使用的0Cr18Ni9不锈钢材料裂纹产生的原因，针对原因和材料的使用要求，计算焊缝熔敷金属中所需的铁素体的合适含量，结合化学元素成分选择较适合的焊接材料，并采取合理的工艺及措施进行焊接修复，增强焊接接头的高温耐蚀性和抗裂性，保证了0Cr18Ni9奥氏体不锈钢焊接接头的高温使用性能，防止裂纹产生。

[1]中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册（第二卷：材料的焊接）[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2] 中国特钢企业协会不锈钢分会编.不锈钢实用手册[M].北京：中国科学技术出版社，2003.

[3]机械工业部统编.中级电焊工工艺学[M].北京：机械工业出版社，2000.

[4]姚勇.奥氏体不锈钢在Cl-介质中使用的腐蚀危害[J].特种设备安全技术，2006（3）：46-48.

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6 结论

（1）镍201焊接性良好，相当于铬-镍奥氏体不锈钢。组织结构为单相奥氏体，热导率低、膨胀系数高，焊接热影响区有晶粒长大倾向，焊缝和热影响区的塑性、抗腐蚀性能会降低，焊缝金属容易形成热裂纹和气孔。

（2）镍201焊接方法首选钨极氩弧焊，钨极氩弧焊的电弧稳定、容易实现单面焊双面成型、焊缝成形好，无飞溅，适宜薄板焊接。焊接材料选择与母材化学成分相当、力学性能等同的镍基合金焊丝。

（3）焊前严格清理镍201板材和焊丝，相比碳钢类要加大坡口角度、组对间隙，背面焊道必须采取氩气保护，同时焊接线能量不能太大，层间温度不得超过100℃。

The cause of cracks on the exhaust gas treatment burner and its welding repair

ZHU Ning，HE Yaofei，LIANG Enrong，PAN Zixiang
（Pangang Group Welder Training Center，Panzhihua 617000，China）

According to the analysis of the cause of cracks on the austenitic stainless steel burners who is made from 0Cr18Ni9 and the welding performance under the high temperature as well as the selection of the proper welding materials and appropriate technological measures，the disadvantages of cracks have been repaired and the performance and requirement of 0Cr18Ni9 austenitic stainless steel under the high temperature have been guaranteed.

austenitic stainless steel；the cause of cracks；selection of welding material；technology and measures

TG457.11

B

1001-2303（2017）03-0105-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.21

献

朱宁，何耀飞，梁恩荣，等.废气处理燃烧炉壳裂纹原因及焊接修复[J].电焊机，2017，47（03）：105-108.

2015-08-24；

2016-12-07

朱 宁（1964—），男，四川米易人，国际焊接工程师，主要从事焊接工艺及焊接培训等工作。