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浅析不锈钢水箱焊缝漏水原因及对策

作者:admin 发布日期:2019/2/19 关注次数: 二维码分享

在国内,由于水资源的紧缺和工业循环用水的比率提高,不锈钢水箱仍然是不可替代的产品。此外,随着我国经济的快速发展,城市化建设的加快,高层建筑日益增多,高层住宅生活消防供水水箱的需求也在不断增加,而不锈钢水箱因其重量轻,强度高,耐腐蚀,不滋生青苔,安装方便,便于清洗,等诸多优点而被广泛使用,这使不锈钢水箱行业蓬勃发展。但不锈钢水箱在使用中也有问题出现。在使用一段时间后,极易产生不锈钢焊接处腐蚀漏水的问题,从而导致水质污染、供水设备运行不稳定,甚至产生相应的安全隐患等诸多问题,影响人们的身体健康与正常生活生产。本文通过对一焊接处腐蚀漏水的不锈钢水箱的观察分析,提出相应的改善措施。




1、 问题解析

观察焊缝腐蚀水箱的外观(见图1),可以看到在水箱模板与模板之间焊缝外侧的模板上有棕褐色的类似铁质水箱产生的锈水。再细微观察,发现距焊缝10mm左右的地方有很多长短不一的裂纹,裂纹走向呈树杈状,焊缝表面高低不平。此外,观察水箱内部,可以发现,水垢满面,清除水垢后,可以看到焊缝线上大大小小的点状腐蚀。

上述都是腐蚀的特征。众所周知,不锈钢抗腐蚀性能好,但为什么会腐蚀呢?不锈钢耐腐蚀是因其中含铬量超过12.5%时,氧化性活泼的铬会在钢的表面迅速与氧形成坚固、致密的富氧钝化膜,有效隔离氧的进一步侵入,所以能抗均匀腐蚀。但在水中,尤其在含Cl-浓度较高的水中,由于Cl-可在某些局部部位(在含Cl-的水中易发生腐蚀的是焊接区域,该区经受过高温加热后,性能劣化,抗腐蚀性能降低。)对富氧钝化膜起破坏作用,导致发生局部腐蚀。而局部腐蚀速比均匀腐蚀速度要快得多,往往导致钝化膜失效而致使不锈钢腐蚀。

对腐蚀机理的进一步分析:304不锈钢的固溶状态为奥氏体组织,其在焊接过程中,特别是当焊接影响区的金属在敏化温度时,固溶的过饱和碳向晶粒间界的扩散比铬的扩散快,因碳含量大于0.03%,促使晶界附近的碳化合和铬形成Cr23C6的碳化物,降低晶界附近铬含量。而在钢中铬的扩散速度会很慢,很难在一定温度的时间内通过扩散的方式补充晶界贫铬区减少的铬量,当贫铬区中的铬含量被降低到12.5%以下,晶界区电位就会下降,在氧化性这个介质中,钝态被转变为活态,然而晶内仍保持钝态,并且电位高于晶界区,晶内与晶界就形成了微电池,导致晶界附近的金属加快腐蚀,造成晶间腐蚀,导致晶粒间的结合力丧失,材料强度近乎失效,这种腐蚀现象比较厉害。加上不锈钢钝化膜在高浓度Cl-的水中时,半径小、渗透力强的Cl-易穿过不锈钢钝化膜,在极小的镍层孔隙内及显微组织不均匀的部位会向基体迁移,与金属接触后形成可溶性氯化物,从而使不锈钢氧化膜局部遭到了破坏,产生点蚀。在有点蚀的情况和腐蚀介质作用下,金属表面沿晶界深入金属内部的腐蚀就形成了晶间腐蚀裂纹。此时再有应力腐蚀产生则焊缝会开裂漏水。应力腐蚀主要是在多种应力与腐蚀介质的联合作用下产生的,引起其的应力主要有封头冷压加工应力、封头焊接时产生的焊接残余应力和通介质水承受的工作应力等。腐蚀介质主要是Cl-或Cl-与溶解氧的共存体,其中Cl-的主要来源于焊接材料以及各种形式带入的水分(包括结晶水、化合水、吸附水、水蒸气)以及介质水中的Cl-。溶解氧来源于空气。金属通过拉应力会发生塑性变形,使得金属滑移,导致面层氧化膜破损,与此同时又由于Cl-能很强地进入封头面层的孔隙,使得本体金属面形成正离子被腐蚀。而当溶液中Cl-浓度较高时,不需要溶解氧这一条件就可以造成应力腐蚀裂纹[1]。

通过观察水箱焊接处腐蚀漏水的实际情况与腐蚀机理的分析,查阅相关的材料对其化学成分检验,并对生产工艺的过程进行观察,得出了不锈钢水箱焊接处腐蚀漏水的原因有介质环境,材料选择,焊接工艺,现场管理等多方面原因。

2、改善措施

2.1 介质环境

努力提高水质,控制水质条件,如浓度和含氧量。并定期清洗,清除水箱内壁的Cl-富集和浓缩物,避免腐蚀条件的形成。另外,对大型水箱可采取阴极保护方法。试验证明,不论采用外加电流还是牺牲阳极的方法,都能防止不锈钢在高浓度Cl-的浓液中开裂。

2.2 焊材选择

选用含碳量较低或选用钛元素(Ti)含量较高≥5(C-0.02%)的焊材[如E385(904l)],以形成稳定的碳化物(TiC),从而避免晶间腐蚀,减少焊缝漏水的发生。此外,用其它材料的焊缝处抛光底涂901-D瓷釉涂料两道,表干后再涂901-Z瓷釉涂料两道;涂刷面要大于焊缝30mm,采用中航材料。

另外,也可以通过在焊缝中加入铁素体形成元素,使焊缝形成奥氏体加少量铁素体的双相组织。这种组织能有效预防晶间腐蚀。因为在晶界处出现贫铬层,铬能够很快从铁素体内部得到补充,使得贫铬层消失,数量减少的碳化铬在奥氏体晶界上析出、不连续分布,单一奥氏体柱状晶的方向性被打乱,从而使得贫铬层贯穿于晶粒之间构成腐蚀介质的集中通道,晶间腐蚀倾向得以强化。但也需注意铁素体含量的控制。实践表明,5%左右的铁素体能获得较满意的抗晶间腐蚀性能。

2.3 焊接设备与方法

不锈钢通常用的焊接方法一般是手工焊(MMA),其次是金属极气体保护焊(MIG/MAG)、钨极惰性气体保护焊(TIG)。对应使用相应的焊机,常用焊机MMA有二氧化碳气体保护焊机、MIG/MAG/TIG有氩弧焊机。

2.3.1 焊前准备

4mm以下的厚度直接焊接前提是不开破口,一次焊透单面。对于4~6mm厚度对接焊缝可采用不开破口接头双面焊。6mm以上,一般开V或U,X形坡口。其次,对焊件、填充焊丝进行除油和去氧化皮,以保证焊接品质。

2.3.2 考虑焊接参数   焊接参数包括:焊接电流,弧长,电弧电压,钨极直径,焊接速度,保护气流,喷嘴直径等。

2.4 焊接工艺

为防止产生晶间腐蚀和热裂纹,采用奥氏体不锈钢手工电弧焊。

在焊接规范方面应采用小线能量,直道方式焊接(图7)。此外在条件允许的情况下,也可以采取措施预热水箱从而缩小温差、连续捶击焊缝使金属伸长,以减小焊接残余应力。

在焊接顺序方面,由于后一条焊缝的热作用会对先焊焊缝的过热区起到敏化温度加热的作用。交叉焊缝的布局应避免,减少焊缝接头。与腐蚀介质接触的焊缝如果无法安排后焊接,则工艺参数应调整,使后焊焊缝的敏化区不与第一面焊缝表面的过热区重合[2]。

对于焊后接头的冷却处理,焊前不预热,焊后应尽可能加快接头的冷却,来减少接头在危险温度的停留时间,提高接头耐腐蚀能力。

此外,固溶处理在焊后进行,即焊后把接头加热到1050~1150℃,保温1h后水淬。此时晶界碳化铬被全部溶解,有些钛和铌的碳化物也被溶解,使得碳重新溶入奥氏体中,然后迅速冷却,使碳来不及析出,奥氏体组织稳定,消除晶界处的贫铬层,避免产生晶间腐蚀。或进行均匀化处理即将奥氏体不锈钢加热到850~900℃,保温2h,使晶粒内部的铬也扩散到晶粒边界,使晶界铬的质量分数重新恢复到大于12%,从而消除晶界贫铬层,同样避免产生晶间腐蚀[3]。

2.5 现场管理

现场的严格规范管理同样重要。为预防不锈钢表面损伤,在坡口两侧刷涂石灰水或商品化的专用防飞溅剂,并在焊后彻底清除飞溅物、残渣;焊接地线接头在工件上要卡牢,以防止铁锈进入水箱后造成锈斑及发生打弧或过烧现象;禁止在坡口之外的焊件上随处任意打弧。此外还有一些关于钢材的贮存及运输的处理也要谨慎;钢材表面光滑平整,避免碰撞或摩擦损伤,划线下料时不用划针和不要打冲眼;尽可能用等离子弧切割下料,机械加工,避免用碳弧切割;零部件好冷压成形,热压成形时应检查耐蚀性的变化,并做相应的热处理;焊接前后热处理时,加热前须将钢材表面污物洗净,以免加热时产生渗碳;表面处理须严格遵守操作规程,以表面呈均匀的银白色为宜;水箱焊成后应用清水仔细冲洗[2]。

2.6 连接方式

可考虑采用防腐耐蚀的螺栓外部连接代替焊接,直接避免焊接工艺带来的不利一面(图8、9)。实践表明,这种无焊接复合水箱模块组成的水箱在结构强度、结构保型、水箱贮水保水、使用寿命等方面,效果良好。

3、 结语

为了延长水箱产品的使用寿命,首先要控制进水水质条件,尽量提高水质,控制Cl-浓度和氧含量;材料上应选择母材的化学成分和与之相匹配的焊材;选择性能可靠,适合操作的焊机并按焊接方法的相关要求施焊以保证焊接质量;施焊时同时要遵照焊接工艺要求以防止产生晶间腐蚀和热裂纹;现场管理方面严格遵守不锈钢焊接生产管理原则;也可考虑改变连接方式,寻求新的水箱构造工艺,从根本上解决水箱焊接处漏水问题。实践证明,上述方法的应用,水箱焊接漏水的现象得到了有效改善。

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