化工设备设计中904L 的应用

2021-04-03王奕博

中国设备工程 2021年1期

王奕博

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林吉林 132001）

化工设备在日常生产及使用过程中，会接触很多气体或流体的化学试剂，这些化学试剂通常具有较强的腐蚀性，为保障化工设备的使用安全与化工人员的生命安全，就必须选用腐蚀性较强的材料，以提高化工设备的安全性、可靠性以及耐用性。

1 904L 不锈钢概述

常见的904L 不锈钢板有冷轧不锈钢板、热轧不锈钢板、精轧不锈钢板三种类型。904L 不锈钢板具有较好的活化-钝化转变能力，化学性能较为稳定。普通不锈钢板材在使用过程中，会与醋酸、磷酸、硫酸等非氧化性酸发生化学反应，出现腐蚀，严重的还会导致化学设备的损坏，危害化工人员的生命健康。而使用904L 不锈钢板材制作的化工设备，在性能上要优于普通不锈钢板材制作的化工设备，不会与化学试剂发生反应，具有较强的耐酸性、耐腐蚀性以及抗应力腐蚀破裂能力，在长时间的使用中，不会轻易出现化学设备损坏的情况。其次，904L 不锈钢中的碳元素含量非常低，几乎不存在碳化物析出问题，因此，在对其进行热处理和焊接时，不会出现因碳化物析出而导致的晶间腐蚀。另外，904L 不锈钢中的铬镍钼较高，且还含有一定量的铜元素，这使得904L不锈钢即使处在还原性较高的硫酸或甲酸试剂中，也能具备较好的腐蚀性。

2 在化工设备设计中提高904L 性能的有效措施

2.1 减少热裂纹的产生

904L 不锈钢在焊接过程中容易出现热裂纹，多为横向弧坑裂纹、热影响区裂纹、焊缝纵横裂纹等，这会对904L 不锈钢的性能产生一定的影响，降低化工设备的耐腐蚀性和安全性。其中，弧坑裂纹又包含凝固裂纹，这种凝固裂纹主要出现在化学设备接头的焊接区域，导致弧坑裂纹产生的原因主要有两个方面：

（1）由于904L 不锈钢属于奥氏体不锈钢，导热系数相对较小，膨胀系数较大，在对其进行局部焊接的过程中，如果焊接接头的温度偏高且维持时间较长，会使焊接区域的金属与临近焊接缝区域的金属间产生差距较大的拉伸应力与拉伸应变，且这种差距还会在后期冷却以及凝固过程中再次出现，进而导致凝固裂纹的出现。

（2）904L 不锈钢焊接后，会在焊接区域内形成具有较强方向性的柱状晶组织，如果参与焊接的材料本身含有的元素较杂，还容易形成液态膜，在这种情况下，也会导致凝固裂纹的产生。基于此，化工设备设计师在对化工设备进行设计时，必须根据化工设备后期的化学试剂使用情况对904L不锈钢的焊接进行设计，合理选择焊接用材料，将焊接材料的硫、磷元素含量控制在一定范围内，或选用双相焊丝或氢型焊条，扰乱柱状晶组织的生长方向，避免液态膜的产生。同时，还要合理选用焊接技术，缩短焊接区域的高温时间和冷却时间，减小焊接区域金属与焊接周边区域金属间的拉伸应力与拉伸应变的差值，必要时，可以采用先磨后焊的焊接工艺，对需要进行焊接的接口进行抛光打磨，防止接口处堆积的灰尘、碎屑等杂质影响焊接质量，产生弧坑裂纹。最后，在焊接的过程中，不能随意摆动焊条，并尽可能使用收弧板和引弧板对焊接母材进行辅助焊接，防止焊接弧坑的产生。

2.2 确定904L 的焊接处理方法

在化工设备安装中，通常采用钨极氩弧焊或手工电弧焊等焊接工艺对904L 不锈钢进行焊组装。为保障化工设备的安装质量，设计人员必须在设计的过程中，对焊接用的焊接母料、焊条、焊丝等材料的规格进行明确规定。通常情况下，如果选用焊丝或焊条作为焊接材料，就必须保障焊丝或焊条中的钼元素要高于焊接母料中的钼元素含量。为此，可以选用型号为E385-17 或E385-16 的焊条，或型号为ER385-17的焊丝。部分化工设备在进焊接前，无须对所选用的焊接材料进行预热处理，但作业环境温度通常相对较低，需要焊接人员事先对焊接区域和焊接周边区域的进行预热，防止水蒸气凝聚影响焊接效果。如果采用手工电弧焊接的方式对化工设备进行焊接，必须确保所选焊接板材与焊条直径符合要求，当焊接板材厚度为6mm 时，焊条直径不能超过2.5mm，当焊接板材厚度超过6mm 时，焊条直径应在2.5 ～3.2mm 范围以内；如果选用钨极氩弧焊对化工设备进行焊接，可以选用与焊接木材同样性质的焊条或焊丝作为焊接填充材料，并在焊接后对焊接缝隙进行酸洗钝化处理。最后，部分化学设备在完成焊接后，还需要进行对应的焊后热处理，将焊接区域均速加热到1075 ～1125℃后，进行快速冷却，确保焊接区域的整体性。

2.3 制定好焊接坡口尺寸与保护措施

化工设备焊接口的设计，通常采用机械加工的方式对焊接坡口进行处理，按照坡口对接间隙的大小来确定坡口角度。通常情况下，为保障焊接接口与根部熔合的紧密型，降低焊接缝厚度，可以采用碳弧气刨焊等焊接方式，选用合适的焊条对焊接区域进行填充，防止弧坑裂纹或収缩孔的出现。如果焊接完成后，焊接区域出现弧坑裂纹或収缩孔，则应用磨光机对该区域进行打磨抛光，而后重新用焊条进行焊接，直至不在出现弧坑裂纹或収缩孔为止。在对多层不锈钢进行焊接时，首先，要去除焊接母材表面与夹层间的灰尘和杂事，保障焊接区域的光洁干净，防止灰尘、杂质等物质融入焊缝，降低化工设备的耐腐蚀性。同时，用氩气对高温焊道和高温熔池进行有效保护，避免焊接缝隙发生金属氧化，而后在进行焊接前，还要对焊接坡口两侧进行二次清洁，选用CCl4或丙酮试剂擦洗坡口两侧和焊接用焊条、焊丝，去除焊接部位的氧化膜、油污等表面杂质，防止因清洁不净而导致的焊接缺陷。

2.4 确定检测步骤

904L 不锈钢在焊接的过程中，不可避免地会出现大小不一的裂纹，在对其进行检测时，可以根据裂纹的纹路距离、摄入角度、开口宽度、裂纹方向等因素进行有效判断。多采用超声检测的方式对904L 不锈钢裂纹进行检测。由于904L不锈钢产生的热裂纹在检测中容易受杂质的影响，为确保检测结果的准确性，必须在检测前对焊接接头及周边检测区域表面进行清理打磨，选用不留打磨痕迹的细砂轮片去除表面油污、氧化物、毛刺等杂质。设计人员通常将热裂纹的检测步骤，放在焊接工作完毕后，这可以将外界因素对焊接缝隙质量的影响降到最低，并及时发现焊接部位存在的隐患，然后，再对焊接区域进行调整，提高化工设备的焊接质量。

2.5 选用904L 不锈钢钢复合材料

由于904L 在充气、海水等条件下仍旧具备良好的抗腐蚀性，因此，常被作为钛合金、镍基合金以及其他贵重金属的替代品。但904L 不锈钢成本较高，为降低成本，人们往往会选用含有904L 不锈钢的复合材料作为化工设备生产安装材料。在904L 不锈钢复合材料的选用上要注意以下几点：（1）904L 不锈钢复合材料由于904L 不锈钢含量的不同，在抗应力腐蚀性能及抗点蚀性能上有着较大的差异。如果化工设备在后期使用中需要频繁接触大量腐蚀性较强的化学试剂或流体试剂，则应选用904L 不锈钢含量较高的复合材料。反之，应选择含量较低的904L 不锈钢复合材料。对此，设计人员应根据化工设备的实际使用情况，合理选择含量最佳的904L 不锈钢复合材料。（2）在对904L 不锈钢进行焊接时，焊条、焊丝、焊接口角度、焊接方法以及热处理工艺等方式的选择，都会或多或少地对焊接质量产生影响。因此，就必须根据化学设备的实际需求，对其进行逐一明确，并在实际的化学设备焊接中，严格按照设计方案的要求对904L 不锈钢复合钢板进行焊机。（3）在对904L 不锈钢复合钢板的过渡层进行焊接时，必须先对钢板的基层与覆层进行处理，避免基层母材与复合层间存在复合不良的情况，进而导致基层母材与复合层出现分层情况，影响化工设备的使用质量。