焊接工艺对奥氏体不锈钢应力腐蚀行为的影响

焊接工艺对奥氏体不锈钢应力腐蚀行为的影响 1 2 1,,赵尔冰张亦良陈鴒志 ( 1, ,100122; 2, ,100124) 北京市朝阳区特种设备检测所北京 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院北京 : ,摘 要针对氯离子环境中奥氏体不锈钢焊缝较高的焊接残余应力极易引发应力腐蚀开裂的普遍性工程难题 304、316 L、304 , 3 对国产 德国 钢 种材料的不同焊接工艺进行了系列应力腐蚀实验研究焊接工艺包括手工焊条 CO、、, 100 ,电弧焊及 保护药芯电弧焊焊后空冷及浇水速冷取样位置包括母材焊缝起弧及收弧通过 多个试样 2 ,,2 ) 的应力腐蚀对比实验研究了各种工艺之间的优劣拟合了 种材料在沸腾氯化镁环境中应力 寿命的数学关 , ,,316 L 304 、、15 系结果表明对应力腐蚀寿命而言是 钢的 倍以上焊接起弧点高于收弧点对接焊缝高于角焊 ; ,缝焊后速冷工艺可提高焊接接头抗应力腐蚀能力 : ; ; ; ; 关键词奥氏体不锈钢起弧收弧水冷处理氯离子应力腐蚀 : O 346. 2 + 2; TG174. 3 + 6; R187 + 5: A: 0254 ) 0037( 2011) 11 ) 1601 ) 06中图分类号 文献标志码 文章编号 , ,、为了满足卫生要求医疗卫生和食品行业使用的灭菌器一般采用奥氏体不锈钢制造进口灭菌器寿 ,1)2,10 a ,,,命一般为 以上而国产灭菌器短时间内开裂报废的现象十分普遍已经成为行业一大难题在造 ,, ,成医疗成本居高不下的同时对医疗卫生安全产生极大隐患作者曾对开裂的灭菌器进行失效分析结果 ,3)4,,、1、2,表明开裂原因为典型的氯离子应力腐蚀开裂灭菌器及金相断口形貌见图 1 2 图 灭菌器内腔开裂 图 典型的应力腐蚀特征 Fig, 1 Inner surface of thsete rilizer Fig, 2 Typical feature osft ress corrosion 、,,虽然采用铁素体马氏体或双相不锈钢可以解决应力腐蚀问题但考虑到制造工艺和制造成本国内 , ,外设备制造单位仍然选用奥氏体不锈钢该材料的最大问题是氯离子应力腐蚀主要影响因素为拉应力 ,5)6,,,水平和氯离子浓度其中残余应力是最主要的影响因素目前对有效降低焊接残余应力虽然已经做了 ,7)11 ,,,一些工作但研究成果的实用性仍较为欠缺 ,3,,、针对灭菌器裂纹主要出现在焊缝及热影响区的特征鉴于目前氯离子应力腐蚀数据较少尤其缺 、,3 、乏不同焊接工艺的影响不同材料与实际工况对比实验的现状本文立足于通过对 种不同材料不同焊 、,,接工艺不同焊后处理工艺等系列应力腐蚀实验得到相应的应力腐蚀断裂寿命比较不同材料及不同工 ,,,,艺的应力腐蚀特征找出焊后的薄弱环节提出防止应力腐蚀的有效措施为工艺改造提供基础实验依据 2009-07-13,: 收稿日期 基金项目: 北京市朝阳区社会发展项目( SF0702) , 作者简介: 赵尔冰( 1963—) ,男,河北平山人,高级工程师, 1 实验 1. 1 实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,,通过对大量失效的灭菌器检验结果分析损坏主要部位在内腔和夹套拉筋角焊缝部位主体对接焊缝 ,CO, 3 X 则很少发现开裂现象角焊缝基本为手工焊条焊或药芯 焊通过对图 所示不同焊接工艺焊接试板 2 ,30% , 光衍射法残余应力测试发现焊后浇水速冷比空冷工艺的最大焊接残余拉应力低 左右 ,3 7 ,: 、、T 考虑到以上特征本文选择 种材料的 种状态进行对比实验包括母材对接接头型接头角焊、、、、,,缝焊后浇水速冷焊后空冷焊接起弧点收弧点 为了保证断裂发生在焊缝部位对焊缝外的其他部位 ,4, 采用封闭处理见图 3 4 图 焊接残余应力测试试板 图 试样封闭处理 Fig, 3 Test plate for residual stress Fig, 4 Speciment after sealed 1. 2 实验依据与试验方法 ,12,,《》( YB / T5362—2006 ) 参照文献采用不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀实验方法中的恒力 ,P )1500 ,143 ? 1 ? , 拉伸试样实验设备为 型应力腐蚀试验机实验温度 1. 3 实验材料及力学性能 1 表 母材试样拉伸试验结果 304 ( 0Gr18Ni9 ) ,3 : : 取 种材料?国产 钢板厚度 Table 1 Extension results for the base metal 6 mm; 304( 1. 4301 ) ,6 mm; : : ?德国 钢板厚度 ?国产抗拉强度 非比例延伸 伸长率 316 L ,5 mm, 钢板厚度 材料类别 R/ MPa A / % m R/ MPa 强度 p0, 2 3 ,2 对 种材料的母材进行力学性能实验采用 个 69835354. 3304国产 ,1, 平行试样实验结果平均值如表 670 300 57. 5 304 德国 316 L 615 270 60. 0 国产 1. 4 应力腐蚀试样类型 2,3 ,,,试样类型如表 每组平行试样 个对数据离散较大的增加实验数量 2 表 应力腐蚀试样类型选择 Table 2 Category of speciments for stress corrosion ( Q235B ) 角焊缝不锈钢与 碳素扁钢焊接 CO手工焊 对接焊缝 手工焊条焊 2 材料 母材 手工焊条 空冷 浇水速冷 空冷 起弧 收弧 起弧 收弧 起弧 收弧 12345678编号 ? ???????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? — — — — — — — ? ? 11 ,: 1603第 期 赵尔冰等焊接工艺对奥氏体不锈钢应力腐蚀行为的影响 1. 5 应力腐蚀实验载荷 ,150 :230 MPa,,前期研究 结 果 为焊 接 残 余 应 力 通 过 电 测 法灭 菌 器 正 常 载 荷 最 大 工 作 应 力 为 66 ,13,MPa,,MS, NASTRAN , 由于残余应力和载荷应力不是单纯的算术叠加采用 的残余应力加载功能将以 ,14)15,,240 MPa, 上数据输入软件计算最大应力为 ,,针对灭菌器的实际工况考虑到极端情况下材料的应力腐蚀工作环境为建立应力与寿命的定量关 ,189、212、222、241、243 MPa 222 MPa 5 ,系对母材选择 共 种载荷进行应力腐蚀实验并筛选出焊缝试样的 241 MPa ,和 两种载荷 1. 6 实验结果 3,4,母材试样应力腐蚀断裂寿命算术平均值见表 焊缝试样断裂寿命算术平均值见表 3 表 母材试样应力腐蚀断裂寿命平均值 Table 3 Average life of the base material min / MPa / MPa 载荷 ? ? ? 载荷 ? ? ? 243 — 44 — — 212 79 91 241 62 48 956 189 94 150 — 222 65 66 996 4 表 焊接试样应力腐蚀断裂寿命 abe 4 veage e of he wed zone TlArliftl min / MPa/ MPa 载荷 载荷 / MPa载荷 试样 试样 试样 241 222 241 222 编号编号编号 241 222)2 100 121 )7 89 123 )5 165 145 ??? )3 69 101 )8 85 102 )6 143 157 ??? )4 76 89 )2 168 153 )7 110 173 ??? )5 81 145 )3 149 131 )8 112 137 ??? )6 79 103)4 141 117? ? 2 实验结果分析 2. 1 母材加载应力与断裂寿命的数学分析 ( 304) 、( 304) ?国产 ?德国 母材应力腐蚀实验 5, 结果见图 , 对实验结果进行数据拟合采用幂指数形式建立 2 : 种材料的数学关系 ) 0. 5118 ( 1): = 1 946. 8n ? ?σ ) 0. 2052 ( 2)= 529. 8?7n : ?σ MPa) ; n ( min) , ,( 式中σ 为加载应力为断裂寿命 ,,按照该数学关系当加载应力一 定 时可 估 算 出 5 图 母材试样应力腐蚀断裂寿命平均值比较 Fig, 5 Comparison of averageli fe for basem aterials , 断裂寿命 2. 2 三类不同材料应力腐蚀性能对比 2. 2.1 机械性能 1 ,, 由表 可以看出国产材料机械强度高于德国材料但延伸率较低 2. 2.2 母材应力腐蚀性能 304 150 min( 189 MPa) , 3 5,,从国产及德国 两种材料看应力腐蚀性能均较差最长 即断裂由表 和图 ,( ,220 MPa) ,可以看 出低 应 力 条 件 下德 国 材 料 的 ( ) ,抗应力腐蚀 能 力 寿 命明 显 高 于 国 产 材 料但 高 应 , 3 ( 316 L) 力区则相反由表 看出?的应力腐蚀断裂 304 15 ,时间可以达到 材料的 倍 左 右从 总 体 抗 应 力 ,( 316 L) ,( 304) : ( 腐蚀能力看?最优德国 居中?国 304) ,产 最差 2. 2.3 焊缝应力腐蚀性能 、6, ?类?类焊缝应力腐蚀实验结果见图 由表 6 图 焊缝试样应力腐蚀断裂寿命平均值比较 Fig, 6 Comparison of averageli fe for weld zones 4 6 及图 可见 焊 接 后 德 国 材 料 的 抗 应 力 腐 蚀 能 力 明 , 显高于国产材料 2. 3 母材与焊缝对比 7, 7 母材与焊缝试样断裂寿命平均值见图 图 显 ,示材料焊接后的抗应力腐蚀能力高于母材这是由于 ,,焊条或焊丝合金含量高于母材考虑扩散影响焊缝 ,,和热影响区铬镍含量提高铁素体含量增加可见奥 氏体焊缝柱状晶和粗晶劣化造成的影响可通过合金 , 成分的优化得 以 改 善但 由 于 试 样 的 残 余 应 力 已 大 ,部分释放而实际工件焊缝及热影响区的残余应力可 200 MPa ,,高达 以上最高达到屈 服 应 力这 是 应 力 腐 7 图 母材与焊缝寿命平均值比较 Fig, 7 Comparison of averageli fe for the base anwde ld joint ,蚀经常发生在焊缝热影响区的主要原因 2. 4 角焊缝与对接焊缝对比 4 ,, 由表 可以看出角焊缝的抗应力腐蚀能力低于对接焊缝即角焊缝的热影响区更易发生应力腐蚀另外 ,3,,,, 通过残余应力测定和理论分析角焊缝的残余应力高于对接焊缝尤其对于断续焊缝和异种钢焊缝2. 5 CO手工焊条焊与 药芯焊对比 2 4 ,CO, CO,由表 得知手工焊条焊和 药芯焊对不同材料有不同的影响对国产材料药芯焊能提高抗 2 2 ,,CO, 应力腐蚀能力但对德国材料药芯焊抗应力腐蚀能力总体上低于手工焊条焊这是个值得进一步研 2 ,究的问题 2. 6 焊后浇水与空冷对比 4 ,,,由表 得知焊后浇水速冷可提高焊接接头的抗应力腐蚀能力因此与碳钢不同由于速冷可稳定奥 ,, 氏体组织奥氏体不锈钢焊后速冷是一种很好的改善性能的处理方式 2. 7 收弧点与起弧点的对比 4 ,,,从表 看出收弧点的抗应力腐蚀能力低于起弧点同时从外观上可以看出收弧点的受热影响程度 ,,, 比起弧点严重弧坑的金相组织一般较差因此收弧点应该引起足够的重视 11 ,: 1605第 期 赵尔冰等焊接工艺对奥氏体不锈钢应力腐蚀行为的影响 3 分析讨论 3. 1 材料影响 3、4 ,304 , ,表 实验结果表明即使相同牌号的 不锈钢不同产地也有差异欧美等发达国家材料的高端 ,、、, ,性能优于我国材料主要体现在冶炼水平微量元素控制轧制和热处理水平等方面对复杂结构可采用 ,、,,不同材料的组合对残余应力高腐蚀介质浓缩的部位选用性能优良的材料其他部位可以选用性能差一 ,,些的材料达到设备整体寿命的统一 3. 2 焊接残余应力的降低 ,,焊缝的抗应力腐蚀能力高于母材而实际工程中应力腐蚀又大多发生在焊缝或焊接热影响区主要是 , , 焊接残余应力造成的降低焊接残余应力是防止应力腐蚀的最主要手段对薄壁奥氏体不锈钢设备采用 热 ,7,,7,,9,、,、、处理存在变形大材料敏化等不利影响可以采用过载拉伸法逆焊接温差处理法超声波冲击 法,10)11,,,,其中对压力容器等需要做压力试验的设备采用过载拉伸法是降低残余应力的最好方法但试验 过 ,,程中需要严格控制塑性应变率以防止发生损伤 3. 3 焊接方式的影响 3. 3.1 焊后急冷处理 ,,奥氏体不锈钢焊后急冷或焊后重新加热速冷既可以提高焊缝和热影响区的抗应力腐蚀能力又可以 、, 降低焊接残余应力提高材料的疲劳性能 3. 3.2 焊接氧化组织的处理 ,,如果不采取有效保护措施不锈 钢 焊 接 后其 表 ,8 , 面会产生不同程度的变色如图 所示尤其是薄板 , ,角焊缝的背面变色区域会存在合金成分的氧化虽 ,然通过酸洗可以去除这些颜色但氧化后的劣化组织 ,,并没有去除成为应力腐蚀的源点 3. 3.3 收弧点的处理 焊接收弧点是焊缝及热影响区各种性能 最 差 部 8 图 焊后材料表面氧化 ,, 位采用多焊打磨方法可得到部分改善Fig, 8 Oxygenated surface aftere ldwing 3. 3.4 角焊缝应该引起足够重视 ,,目前我国的设计和施工单位普遍不重视对角焊缝的要求通过大量在役检验发现这些部位内部极易 , 产生裂纹和腐蚀 3. 4 腐蚀元素浓度 , ,设备器壁上与介质中腐蚀元素的浓度有很大差别作者曾对灭菌器腐蚀介质浓度进行研究发现器 ,,壁上的氯离子含量远远高于凝结水中的氯离子含量而目前工程上的检测多限于凝结水对真正起决定因 ,素的容器壁上腐蚀元素浓度的监控则存在很大难度 4 结论 1) 2 ( 304) ) : 通过试验建立了中外 种奥氏体不锈钢在沸腾氯化镁环境中应力寿命的数学表达式国 ) 0. 5118 ) 0. 2052 304: = 1 946. ?8n ,304: = 529. 8?7n ,, 产 σ 德国 σ 据此可推断不同应力下的应力腐蚀断裂寿命 2) : 316 L 304 304 304 15 ,不同牌号的不锈钢腐蚀性能差异极大是 材料的 倍以上德国 优于国产 材 ,,料设备关键部位应该采用高等级的材料 3) ,, 同等应力水平下焊缝及热影响区的抗应力腐蚀能力高于母材但灭菌器整体结构的焊接残余应 2 ,,力往往是工作应力 倍以上由此导致焊接热影响区短时间内产生应力腐蚀 4) ,、; 对应力腐蚀寿命而言焊接起弧点高于收弧点对接焊缝高于角焊缝焊后速冷工艺可提高焊接接 , 头抗应力腐蚀能力 :参考文献 ,1, THAETE,ROBERT, Steams terilization ,J,, Biomedical Instrumentation , Technology,1996,30( 6) : 538-540,,2, NATAL J R M,FERNANDES A A, Design of a steam-heatesd ter ilizer based onfi nite element method stress analysis ,J,,In ternational Journal of PressureV essels and Piping,2001,78( 9) : 627-635, ,3, ,,, ,J,, 2009,26( 3) : 54-58,48, ,程红伟张亦良刘金艳脉动真空灭菌器内腔开裂原因分析压力容器 CHENG Hong-wei,ZHANG Yi-iang,LU Jin-yan, Anaysis on the crazerdea son of in umen of puse vacuums teriizerlIllll ,J,,Pr essureV essel Technology,2009,26( 3) : 54-58,48, ( in Chinese) ,4, ,,, ,J,, -2009,45( 5) : 318-322, ,丁大伟徐学东姜公锋脉动真空灭菌器内腔开裂分析理化检验物理分册 DING Da-wei,XU Xue-dong,JIANG Gong-feng, Cracking analysis of inner cavity of pulsation vacuums terilizer,J,, Physical Testing and Chemical Analysis Part A: Physical Testing,2009,45( 5) : 318-322, ( in Chinese) ,5, , ,M,, : ,2008,强天鹏压力容器检验北京新华出版社 ,6, LIANG Cheng-hao,SHIGEO Tsujikawa, Development of modified 304 stainless steel resistant to stress corrosion cracking in chloride environment,J,, Journal of Iron and Steel Research,International,2002,9( 2) : 39-44, ,7, , ,M,, : ,2006, 宋天明焊接残余应力的产生与消除北京中国石化出版社 ,8, ,,, 304 J,, ,,倪红芳凌祥彭薇薇玻璃喷丸处理提高 不锈钢焊接接头抗应力腐蚀性能的 研究中国腐蚀与防护学报 2005,25( 3) : 152-156, NI Hong-fang,LING Xiang,PENG Wei-wei, Prevention of stress corrosion cracking in weld joint of type 304s tainless steel by glass-bead peening,J,, Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection,2005,25( 3) : 152-156, ( in Chinese) ,9, ,,, ,J,, 2002,24( 1) : 73-76, ,陈怀宁陈亮山林泉洪逆焊接加热处理引入压缩残余应力的数值分析机械强度 CHEN Huai-ning,CHEN Liang-shan,LN Quan-hong, Numerica anaysis of compressive residua stress induced by anti- Illl weding-heating treatment,J,, Journa of Mechanica Strength,2002,24( 1) : 73-76, ( in Chinese) lll ,10, ,, 304 L ,J,, 2005,20( 3) : 36-38, ,罗凡饶德林超低碳不锈钢板的振动时效热处理 LUO Fan,RAO De-lin, Vibratory stress selief for 304L extremel ow carbons tainless steel plate,J,, Heat Treatment,2005, 20( 3) : 36-38, ( in Chinese) ,11, ,,,, ,J,, ,2005,( 24) 2: 140-饶德林朱政强葛景国等振动时效消除拼焊不锈钢板的残余应力振动与冲击 142, RAO De-lin,ZHU Zheng-qiang,Ge Jing-guo,et al, Vibratory stress relief of welded stainless steel plate ,J,, Journal of Vibration and Shoc,k2005,( 24) 2: 140-142, ( in Chinese) ,12, ,, ,J,, 1985,12( 2) : 8-12,,王清波杨友民不锈钢焊接接头在氯化镁溶液中应力腐蚀开裂的研究焊接技术 WANG Qing-bo,YANG You-min, The stress corrosion cracking of stainless steel welded joints in MgClsolution2 ,J,,W elding Technology,1985,12( 2) : 8-12, ( in Chinese) ,13, ,,,, ,J,, ,2008,34( ) : 89-95, 张亦良肖尧徐威等灭菌器内腔开裂的宏观应力分析北京工大学学报增刊 ZHANG Yi-iang,XAO Yao,XU Wei,et a, Stress-anaysis for steriizer inner surface cracking,J,, Journa of BeijinglIllll University of Technology,2008,34( suppl) : 89-95, ( in Chinese) ,14, ,,,, ,J,, 2008,25( 6) : 18-24,,悦彩锐宇慧平隋允康等多种脉动真空灭菌器的数值分析压力容器 YUE Cai-rui,YU Hui-ping,SUI Yun-kang,et al, Numerical analysis of several pulsating vacuum steams terilizers ,J,,Pr essureV essel Technology,2008,25( 6) : 18-24, ( in Chinese) ,15, ,,,, ,J,, 2008,25( 16) : 50-,宇慧平隋允康张亦良等真空灭菌器力学性能的实验和数值模拟分析科技导报 54, YU Hui-ping,SUI Yun-kang,ZHANG Yi-liang,et al, Analyses of mechanical behaviour of the vacuum ste rilizer by experiment and numerical simulation,J,, Science , Technology Review,2008,25( 16) : 50-54, ( in Chinese)( 1612 )下转第 页 2011 1612北 京 工 业 大 学 学 年 报 A Numerical Analysis on Impacting Behavior of Spherical- cylindeical Shell Stuctue Connected by Bolts rrr LIU Zhan-fan,gZHANGK ai,YAN Gong-xing ( Department oEfn gineering Mechanics,Chongqing University,Chongqing 400030,China)bsac To gve hepfu gudance in desgnng of number ofo tb and m agntude of pre-tenson force byAtrt:illiiilii numerca anayss on spherca-cyndrca she structure connectbyed b ots subected to mpact oadngs, The illiilliilllljilidynamic relaxation methodi s adopted toca lculate initial displacement and initial stress of spherical-cylinderical she structure, The dynamca response of the structure sub ected to the mpact oadngs s then gven, The lliljiliiicontact movement betweens phthere ca she and cynderca she,beng in pre-tracton state,s descrbed illlliillliiiithrough hstorty of contactfo rces on fanges, The reatve movement between them turned out the changesre- of pilli traction in the bolts, The history of strain at theg iven test points revealed the stress wave rpopagation whereasth e contact orfces on the rpojectile-target surface andla nfge surface areco rrelated, It is proved that thenu merical methodis reasonable on analyzing impacting behavior of spherical-cylindrical shell structure connecbyted b olts, Key words: spherical-cylinderical shell structure connectbyed b olts; dynamic relaxation method; impacting response; stress wave rpopagation ( )责任编辑 苗艳玲 ( 1606 )上接第 页 Effect of Welding Procedure on Stress Corrosion of Austenitic Stainless Steel 1 2 1ZHAO Er-bng,ZHANG -ang,CHEN ng-zh iYiliLii ( 1, Chaoyang pSecial Equipment Inspection Institute of Beijing,Beijing 100122,China; 2, College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China) Abstact: It is difficult to release residual stress for welding of austenitic stainless steel,therefore,its chloriner stress corrosion always occursi n engineering, The stress corrosion testing was done ondif ferent welding procedures of three iffe rdent materials ( 304,316 L of China,and 304 of German ) ,T he w elding procedure includes shielded metal arc welding and lfux cored COshielded arc welding througha ir cooling and watercoo ling 2 after welding, The basme etal,starting point ande nding point of welding arc werete sted, The better procedureis obtained through100 samples,and the stress-life relationship of stress corrosion in boiled MgClof two typesof 2 materias are ofrmuated, The concusion is that ife of stress corrosion of 316L is 15 times of 304,ife of the lllllstarting point is longer than thee nding point of welding arc,life of the butt elwd is longer than thef illet weld, and fastercoo ng after wedng s effcent for fe of stress corroson,liliiiilii Key words: austenitic stainless steel; starting point of welding arc; ending point of welding arc; water cooling treatment; chlorine stress corrosion ( )责任编辑 杨开英