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1、不锈钢化学品船货舱建造工艺和维护特点2009年4月7日【关键词】不锈钢；化学品船；耐腐蚀性；焊接；散洗钝化；维护保养【摘要】从316L奥氏体不锈钢的理化性能及焊接特性入手，从保证结构强度和保护防腐性能两个角度，阐述不锈钢液货舱在建造工程中的焊接和酸洗钝化工艺特点，并对其在营运状态下的维护和保养进行了阐述。0 引言316L奥氏体不锈钢(以下简称316L)由于其良好的耐腐蚀性能而被广泛用作不锈钢化学品船的建造。在化学品船的建造过程中，不锈钢液货舱的焊接和钝化处理是整个建造工艺的重中之重。而怎样对不锈钢液货舱进行维护和保养，以求得更长的船舶使用寿命，也一直是航运界最关心的问题。1 316L的耐腐蚀特
2、点316L不锈钢的高耐腐蚀性能主要来自于：Cr元素较Fe元素易于被氧化，并能在钢的表面迅速形成12个原子层厚的致密的Cr2O3钝化膜，致使钢的电极电位得以突变性的提高，故铬等合金元素的含量和分布是影响其耐腐蚀性能的主要因素。316L不锈钢常见的腐蚀形式有均匀腐蚀(表面腐蚀)和局部腐蚀两种。其中均匀腐蚀主要受钢中的铬等合金含量及晶格结构影响，是由材料本质决定的。而局部腐蚀是其微观晶界构造受到改变造成，是不锈钢腐蚀破坏的主要形式(所占的比例高达90)，所以尽量降低加工和焊接等人为因素的影响一直是业界的追求。316L易发生的局部腐蚀有晶间腐蚀、点和缝隙腐蚀以及应力腐蚀，其中应力腐蚀主要由焊接和加工诱
3、发，故在本文22中阐述。11 晶间腐蚀晶间腐蚀是指不锈钢在表面腐蚀介质的作用下，自金属表面开始沿晶间深入形成的腐蚀。它将导致晶粒间的结合力丧失，甚至材料局部完全失去强度，是一种很严重的局部腐蚀现象。对于316L而言，最常见的是碳化铬析出引起的晶间腐蚀。当316L在进行敏化处理的冶炼阶段时，钢中过饱和的碳将向晶界扩散，其在晶间附近易于与铬结合成Cr23 C6并在晶界沉淀析出，虽然铬在敏化阶段也向晶界扩散，但其速度较慢，无法补充铬的这种消耗，以致造成了晶界附近区域的“贫铬现象”。当该区铬含量降低到钝化所需的极限(12.5)以下时，晶间腐蚀就有了发生的条件。12点腐蚀和缝隙腐蚀点腐蚀和缝隙腐蚀的共同
4、机理是腐蚀区产生闭塞电池腐蚀作用所致，点腐蚀主要是材料表面钝化膜的局部破坏所引起的。缝隙腐蚀是缝隙被腐蚀介质覆盖以及介质扩散受到限制等原因造成的，实际上是由于介质的电化学不均匀性造成的。点腐蚀和缝隙腐蚀常发生在焊接飞溅点、划痕、热圈、搭接的焊接接头、阀座、堆积的金属片间等处。在船舶建造过程中，保护材料的钝化表面完整，采用合理的结构布置形式，是防止发生点腐蚀和缝隙腐蚀的重要措施。13 不锈钢保护的系列工艺要求根据不锈钢的上述特点，在船舶建造过程中，为保护材料的耐腐蚀性，制定下述工艺规范相关施工操作是非常必要的：*不锈钢堆放、吊装、运输等操作工艺主要包括：保证专用堆放区域清洁，设置专用木质平台并加
5、盖覆盖物，四周不得接触高碳材料；使用专用不锈钢吊具、夹具和工具；运输过程中确保表面不被损伤等。*不锈钢表面保护工艺主要包括：采用专用脚手架和台架，其与不锈钢接触端应为不锈钢或木材等软质材料，并不得与不锈钢发生碰撞，以避免渗碳和损伤不锈钢表面。*不锈钢切割、焊接、打磨等通用工艺主要包括：采用等离子气刨替代碳弧气刨；电焊榔头、钢丝刷、凿子均采用不锈钢制品；不锈钢打磨时采用专用砂轮片。2 316L的焊接特点21焊接特性316L的焊接接头，毫无疑问首先要具有与材料等同的防腐蚀性能，当然保证强度(避免裂纹)和密性也是重中之重。须解决如下主要问题：*在接头内产生较大的残余应力，诱发应力腐蚀；*在焊缝及热影
6、响区发生铬或钼的碳化物沉淀，降低接头的耐腐蚀性；*接头产生热裂纹。22焊缝应力腐蚀应力腐蚀是指在静拉应力和电化学介质的共同作用下，因阳极溶解过程引起的断裂，其通常表现为表面的裂纹，危害极为严重。应力腐蚀开裂在316L焊接接头上是较易发生的，应力腐蚀的三要素在其中的表现形式如下：*焊接内应力提供了静拉应力的条件：*营运状态下丰富的CI-离子(大气、海水及盐酸等化学货品)及高温下O2的作用充当了电化学介质；*作为阳极的不锈钢中的铬等金属元素提供了较大电位差。由于化学介质本身客观永恒存在，所以对控制应力腐蚀的关键是控制内应力和改善焊接接头阳极合金的成分及含量，具体措施如下：*合理设计和布置焊接接头，
7、以降低或消除接头的应力集中，并尽量避免腐蚀介质在焊接接头部位聚集，如对接破口形式由单边V型改成双边X型，又如全部不锈钢货管的连接采用管与法兰对接焊，然后采用法兰连接的方式总成；*采用合理的焊接工艺，尽量降低残余应力，如采用分段退步焊，及采用较低的焊接线能；*合理选择焊接材料，改善接头耐腐蚀合金(Cr、Ni、Mo)的含量，建造时通常采用超合金化的焊接材料，以达到目的。23接头晶间腐蚀为防止接头晶间腐蚀产生的裂纹，造船过程中主要采取以下措施：*选择超低碳焊接材料，降低焊缝及热影响区内碳的过饱和状态的可能性，从而减少碳化铬的析出；*采用低焊接线能量输入、快速冷却的焊接工艺，缩短敏化温度区的停留时间，
8、以防止晶间腐蚀的发生。另外，业界还有采用通过焊接材料的选择在焊缝熔敷金属中添加其他合金成分，以改变晶格结构的做法：*选用含有稳定化学元素Nb或Ti的低碳焊接材料：*选择合适的焊接材料使焊缝金属中含有一定数量的铁素体(一般控制在412)，铁素体分散在316L晶间，对控制晶间腐蚀有一定的作用。24焊接接头的热裂纹对于热裂纹的防范措施主要有以下两点：*严控焊缝中S、P及Si等杂质和合金的含量，主要是选择优质的焊接材料，并严格清洁焊缝区域，避免杂质进入焊缝；*采取适宜的工艺，减少焊缝总热输入量，并设法加速焊接熔池的冷却速度，如对焊缝进行水击冷却、短弧焊、低线能量输入以及避免预热等。3 316L不锈钢液
9、货舱的钝化31 预处理316L酸洗、钝化前必须进行预处理，而且预处理工作必须在结构和管路完工之后进行，任何进一步的焊接、切割等加工都应重新预处理。预处理应将焊缝及其两侧焊渣、飞溅物清理干净。清除时，应用不锈钢刷、不锈钢铲或专用砂轮清除，同时将油渍等污物用汽油或清洗剂去除，当油污严重时可采用35的碱溶液。对不锈钢热加工件的氧化皮可用机械喷砂的方法清除，砂的成分必须是纯硅或氧化铝。预处理的最后一道工序是用净水(氯离子含量不超过25 mgL)冲刷干净。32酸洗、钝化316L的酸洗和钝化工艺的基本原理是：用强酸浸盖不锈钢表面一定的时间，利用其强氧化作用得到致密、厚度均匀的钝化膜。通常分酸洗和钝化两步来
10、完成整个工艺过程。具体操作上，对液货舱周界一般采用能够在结构面上持久附着的酸洗、钝化膏剂，对于液货管系、梯道等可拆卸的系统和结构，则可直接将其浸入盛满酸洗液或钝化液的容器中。硝酸、盐酸是目前广泛采用的酸洗、钝化膏(液)的主要成分：*酸洗液：硝酸20，氢氟酸5，其余为水。*钝化液：硝酸5，重铬酸钾4 g，其余为水。钝化温度为室温。*酸洗膏：盐酸20 mL，水100 mL，硝酸30 mL，膨润土150 g。*钝化膏：硝酸30 mL，重铬酸钾4 g，加膨润土150g搅拌至糊状为止。在不锈钢的酸洗过程中，若采用酸洗液施工，溶液温度可控制在2160，每隔10min左右检查一次，直至呈现均匀的白色酸蚀的光
11、洁度为止；若采用酸洗膏施工，应在室温下将酸洗膏均匀涂抹在结构表面上(23mm厚)，停留1 h后用洁净水或不锈钢丝刷轻轻刷掉，直至得到上述光洁度为止。在不锈钢的钝化过程中，若采用钝化液，溶液温度可控制在4860，每20 min检查一次，当溶液在2147时，可每小时检查一次，直至表面生成均匀的钝化膜为止。若采用钝化膏时，则在室温下将钝化膏均匀涂在酸洗过的容器表面(23 mm厚)，1 h后检查，直至表面生成均匀的钝化膜为止。酸洗钝化后的结构或零部件必须用清洁淡水将表面冲洗干净，直至pH在6575，方可擦干或用压缩空气吹干。4不锈钢货舱的维护41不锈钢的维护保养机械损伤和氧化剂(氧化性货品及海水)腐蚀
12、是破坏钝化膜的主要原因，所以日常维护保养工作需相应注意如下几方面：*进入不锈钢货舱时必须穿不带铁钉的鞋，工具应用麻袋盛装以防止造成机械损伤；*用于抹舱的器具必须是塑料等软质材料；*当放置移动洗舱机时，必须确保洗舱机不能碰到舱壁或其他结构；*货舱周界上禁止焊接；*货舱表面应保持光亮无刮痕、腐蚀或机械损伤，斑点大于0.1 mm应研磨抛光至初始状态；*为了防止在舱底面海水结晶，压载状态下舱内可保持1020 cm深的淡水；*保持货舱盖关闭，并采取措施防止海水和含盐空气从空气管进入货舱；*每次卸货后都应对货舱的腐蚀情况进行检查，特别是舱底面和顶面。此外，下述位置由于腐蚀剂易存留，故应予以特别关注并经常清
13、理：*焊缝及其他粗糙的表面；*螺栓连接处的下面；*货物沉淀物的下方；*货舱内梯道周边。42不锈铜货舱的清洗化学品船洗舱的主要目的是清除货品的腐蚀危害，以及满足后续货品装载要求。对不锈钢液货舱的清洗通常可使用普通的清洗剂和无腐蚀性碱类清洗剂。鉴于部分货品或介质的强氧化性，对于以下几种情况应尤为注意。421在不得已采用海水洗舱时，应遵守下面规则：*使用清洁无污染的海水；*保持洗舱水流动，试验表明，当洗舱水流速大于1.5m/s时，点腐蚀将不会发生；*尽可能保持低温，海水的腐蚀随温度升高而加快；*尽可能避免洗舱海水呈酸性，否则应加大洗舱海水的使用量，并应将洗舱海水持续不断地泵走排放，以缩短酸性海水与不
14、锈钢的接触时间；*洗舱的最后步骤：使用淡水冲洗彻底清洗货舱，避免氯化物的残留。422卸完硫酸后洗舱时，由于浓硫酸稀释放热导致温度升高，其腐蚀性变得更强。正确的洗舱工作应遵守下列原则：*卸货后立即洗舱，否则应保持货舱干燥及充惰气隔绝空气以防止硫酸的稀释放热；*尽量用淡水清洗，以避免海水中的氯化物在硫酸稀释发热的情况下增大腐蚀性；*使用大量水冲洗，尽可能快速使酸的浓度低于10(危险范围为2080)，同时带走热量降低温度；*连续排放洗舱水，在任何情况下(尤其是洗舱水中可能含有氯离子时)都不允许洗舱水堆积在货舱里，更不能用其继续清洗其他货舱。423考虑到磷酸的特性，卸完磷酸后的洗舱应特别注意的事项：*
15、应尽量避免产生大量的淤泥，如已形成，应尽量安排人工清除；*必须使用淡水清洗淤泥，以避免海水中含有的大量的氯离子与淤泥中的酸结合生成腐蚀性极高的化合物。5 结束语在316L液货舱建造期间，严格落实有关的焊接、钝化及表面保护工艺，避免在其诞生之初就携带任何腐蚀和强度隐患，是保证化学品船安全运营的根本。而后天对其进行正确及时的维护保养，却是不锈钢液货舱乃至化学品船使用寿命的确定性因素。参考文献1 陈祝年焊接工程师手册M北京：机械工业出版社。20022 中国机械工程学会焊接学会焊接手册M北京：机械工业出版社，20013 陈伯蠡焊接冶金原理M北京：清华大学出版社，19914 国际海事组织国际散装运输危险化学品船舶构造与设备规则M北京：中国交通出版社，20065VERWEY
