翟向楠，謝曉玲，段俊耀，郭雨，胡一文

(1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060；2.江蘇虹港石化有限公司，江蘇 連云港 222248；3.天華院(南京)智能制造有限公司，江蘇 南京 211161)

0 引言

PTA是重要的大宗有機(jī)原料，它主要用于生產(chǎn)聚酯纖維(滌綸)、聚酯瓶片和聚酯薄膜，廣泛應(yīng)用于化學(xué)纖維、輕工、電子、建筑等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面。PTA生產(chǎn)工藝裝置主要包括氧化單元和精制單元。近年來先進(jìn)的CTA溶劑交換技術(shù)廣泛應(yīng)用于氧化單元，該技術(shù)可大幅度縮短PTA氧化單元工藝流程、降低設(shè)備投資，并且具有設(shè)備占地面積小、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)PTA技術(shù)發(fā)展具有里程碑式的意義，堪稱PTA行業(yè)技術(shù)革命。該技術(shù)的核心為旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)設(shè)備。PTA氧化單元中采用醋酸為溶劑、氫溴酸為促進(jìn)劑，由于這些原料具有一定的腐蝕性，尤其是氫溴酸的腐蝕性更強(qiáng)，因此選用可靠的、抗腐蝕性優(yōu)異的材料對(duì)旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)的正常運(yùn)行至關(guān)重要，經(jīng)過分析研究，2205雙相不銹鋼成為過濾機(jī)設(shè)備主體材質(zhì)的不二之選[1-3]。

旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)采用2205雙相不銹鋼進(jìn)行焊接，在焊接過程中會(huì)不可避免產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力不僅會(huì)降低結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，而且會(huì)造成設(shè)備的應(yīng)力腐蝕開裂，對(duì)設(shè)備的尺寸穩(wěn)定性和壽命產(chǎn)生很大影響，直接影響到旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)的安全性與可靠性。因此，準(zhǔn)確測(cè)定和預(yù)測(cè)雙相鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力分布，并采用有效的方式降低焊接殘余應(yīng)力，對(duì)于設(shè)備質(zhì)量控制、優(yōu)化制造工藝和防止結(jié)構(gòu)過早失效，具有非常重要的意義。本文針對(duì)2205材料特性，通過2205材料腐蝕試驗(yàn)以及殘余應(yīng)力測(cè)定，確定最佳加工制造工藝，保證2205雙相不銹鋼材料在旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)中成功應(yīng)用。

1 2205雙相不銹鋼特性簡介

2205雙相不銹鋼是含有22%Cr、5.5%Ni、3.05%Mo及0.14%N的合金元素，主要由40%～60%的鐵素體和60%～40%的奧氏體組成。2205雙相不銹鋼平衡的微觀組織，使其兼具奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼的雙重特性，具有優(yōu)良的綜合性能，鐵素體含量為45%時(shí)性能最優(yōu)。2205雙相不銹鋼優(yōu)良的力學(xué)和耐蝕性取決于均勻的合金元素分配、平衡的鐵素體和奧氏體配比、無組織缺陷，很多情況下這些條件并不能同時(shí)滿足。2205雙相不銹鋼的腐蝕性能會(huì)受到熱處理工藝及復(fù)雜環(huán)境因素的影響，比如合金元素的分布及微觀組織的轉(zhuǎn)變與熱處理工藝和焊接參數(shù)相關(guān)，實(shí)際應(yīng)用中2205雙相不銹鋼最常見的失效形式是局部腐蝕[4]。

2 2205雙相不銹鋼熱處理腐蝕試驗(yàn)研究

旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力可以通過熱處理方式來降低。通常，熱處理溫度越高，降低焊接殘余應(yīng)力的效果越好，但是過高溫度的熱處理會(huì)造成雙相鋼相比例的變化，從而偏離平衡范圍、降低材料的力學(xué)性能，同時(shí)雙相不銹鋼在320～955 ℃下容易生成金屬間化合物，造成雙相鋼中析出金屬間相，引起材料韌性損害、耐腐蝕性能降低。因此，合理的熱處理工藝不僅要有效降低焊接殘余應(yīng)力，還應(yīng)保證材料的力學(xué)性能、腐蝕性能[5-6]。

目前基于2205材料本身的耐腐蝕性有大量研究，但針對(duì)焊接接頭的研究卻很少。2205雙相不銹鋼材料采用2209焊條進(jìn)行焊接，2209焊條性質(zhì)與2205雙相不銹鋼材料性能基本一致，然而在熔敷金屬凝固過程中，冷卻速率無法嚴(yán)格控制，容易造成焊縫處相比例嚴(yán)重失調(diào)、沉淀出有害相，并伴隨出現(xiàn)孔隙、夾渣，這些都會(huì)降低材料的腐蝕性能。

本文利用2205焊接試板，依據(jù)ASTM923 C法進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，在滿足腐蝕標(biāo)準(zhǔn)的前提下，確定最高的熱處理溫度。

2.1 試驗(yàn)流程

(1)嚴(yán)格按照2205焊接工藝焊接試板，從試板上切取尺寸為55 mm×25 mm×8 mm的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試樣(包含焊接接頭)。

(2)將標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試樣放置于熱處理爐中，按照指定的溫度進(jìn)行熱處理。

(3)將腐蝕試樣放置在水磨機(jī)上，進(jìn)行表面初磨處理，試樣預(yù)磨后，采用氧化鎂飽和試劑進(jìn)行清洗，然后用酒精清洗，吹風(fēng)機(jī)表面干燥處理。

(4)將初磨后的試樣進(jìn)行稱重，記錄腐蝕前重量。

(5)配置FeCl3溶液。

(6)將腐蝕試樣放置于FeCl3腐蝕溶液中浸泡。

(7)將腐蝕試樣取出，酒精浸泡，超聲波清洗，吹風(fēng)機(jī)干燥。

(8)采用電子天平稱重，記錄腐蝕后腐蝕試樣的重量，計(jì)算腐蝕速率。腐蝕速率計(jì)算公式如下：

式中：W1為腐蝕前重量；W2為腐蝕后重量；S為試樣表面積；d為腐蝕時(shí)間。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2205焊接接頭在不同熱處理溫度下腐蝕試驗(yàn)如表1所示。

表1 2205焊接接頭在不同熱處理溫度下腐蝕試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度22 ℃)

通過對(duì)2205雙相不銹鋼焊接接頭的熱處理和腐蝕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氬弧焊(GTAW)焊接接頭在320 ℃及以下溫度滿足腐蝕要求(腐蝕速率<10 mdd)。

考慮到旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接接頭質(zhì)量控制不穩(wěn)定，且工業(yè)熱處理爐溫控精度偏低，為確保旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)整體的性能，最終確定熱處理溫度為280 ℃。

3 2205雙相不銹鋼熱處理消應(yīng)力效果研究

按照上述腐蝕試驗(yàn)確定的熱處理溫度對(duì)旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)進(jìn)行熱處理，進(jìn)一步研究熱處理工藝對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

3.1 殘余應(yīng)力測(cè)試

利用壓痕法殘余應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)殼體進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，分別對(duì)殼體端部焊縫和中部焊縫區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試熱處理前、一次熱處理后、二次熱處理后以及三次熱處理后的殘余應(yīng)力，比較殘余應(yīng)力變化規(guī)律，在測(cè)試中將垂直于焊縫方向的應(yīng)力定義為橫向應(yīng)力，平行焊縫方向的應(yīng)力定義為縱向應(yīng)力。

3.2 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1 各區(qū)域殘余應(yīng)力分析

為分析熱處理次數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響，分別求取焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的平均殘余應(yīng)力應(yīng)力進(jìn)行分析。

從表2、表3和圖1、圖2可以看出，隨著熱處理次數(shù)的增加，殘余應(yīng)力是降低的。對(duì)于中部焊接接頭來說，第一次熱處理的效果是最明顯的，第一次熱處理完成后，焊縫區(qū)橫向應(yīng)力能降低50 MPa，縱向應(yīng)力能降低150 MPa，熱影響區(qū)橫向應(yīng)力能降低50 MPa，縱向應(yīng)力能降低 160 MPa。對(duì)于端部焊接接頭來說，前兩次熱處理效果較為明顯，各方向殘余應(yīng)力能降低150 MPa左右，而第三次熱處理效果不太明顯。

圖1 殼體中部焊接接頭殘余應(yīng)力變化

圖2 殼體端部焊接接頭殘余應(yīng)力變化

表2 殼體中部焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)各狀態(tài)下平均應(yīng)力

表3 殼體端部焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)各狀態(tài)下平均應(yīng)力

3.2.2 殘余應(yīng)力整體分析

為了分析焊接接頭殘余應(yīng)力降低的整體效果，取每次測(cè)試各個(gè)區(qū)域的應(yīng)力平均值作為整體殘余應(yīng)力水平如表4、表5所示。從焊接接頭的整體殘余應(yīng)力分布情況來看，隨著熱處理次數(shù)的增加，殘余應(yīng)力整體上呈下降趨勢(shì)，中部接頭整體上殘余應(yīng)力能降低16%～33%，端部接頭整體上殘余應(yīng)力能降低20%～36%。綜合考慮，前兩次熱處理效果較為明顯，經(jīng)過兩次熱處理之后，中部接頭整體上殘余應(yīng)力能降低12%～43%，端部接頭整體上殘余應(yīng)力能降低18%～32%。

表4 中部焊接接頭各狀態(tài)下整體平均殘余應(yīng)力

表5 端部焊接接頭各狀態(tài)下整體平均殘余應(yīng)力

3.3 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)論

(1)在殼體焊接完成之后，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力，橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力分別達(dá)到了400 MPa和500 MPa左右。

(2)隨著熱處理次數(shù)的增加，殘余應(yīng)力整體上呈下降趨勢(shì)；綜合考慮，前兩次熱處理效果較為明顯，經(jīng)過兩次熱處理之后，殘余應(yīng)力能降低30%～40%，最后一次熱處理效果整體上不明顯。

(3)三次熱處理后焊接接頭處的殘余應(yīng)力仍較大，維持在300 MPa左右，該殘余應(yīng)力已無法通過熱處理進(jìn)一步降低，需要考慮時(shí)效處理、表面強(qiáng)化處理等方式來進(jìn)一步消除。

4 結(jié)語

通過以上試驗(yàn)測(cè)試分析可以看出，在確保旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)材料腐蝕性能的前提下，在280 ℃進(jìn)行熱處理消應(yīng)力后，可以消除30%～40%的殘余應(yīng)力，剩余殘余應(yīng)力還可以通過時(shí)效處理、表面強(qiáng)化處理等方式來進(jìn)一步消除。目前，采用熱處理的2205雙相不銹鋼CTA旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)已成功應(yīng)用于工業(yè)裝置中，多年工業(yè)運(yùn)行表明，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)腐蝕、磨損、開裂等問題，保證了設(shè)備安全、可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。