347H不銹鋼管線環(huán)焊縫穩(wěn)定化處理后裂紋原因分析

張亞濱

（中國核工業(yè)集團(tuán)公司 第五建設(shè)有限公司，中國 上海201512）

0 前言

我公司一項(xiàng)目從國外引進(jìn)的大口徑厚壁347H不銹鋼管采用E347型的TS-347Z焊條焊接的環(huán)焊縫，在焊后檢查中（UT、PT）未發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋，但按設(shè)計(jì)要求在進(jìn)行了900±10℃×（4～6）hr保溫穩(wěn)定化處理后，焊縫嚴(yán)重開裂，肉眼可見連續(xù)和斷續(xù)裂紋數(shù)百毫米。

該項(xiàng)目不同直徑的厚壁管環(huán)焊縫計(jì)200余條已焊64個，發(fā)現(xiàn)開裂的焊口約有1/3。

1 裂紋成因分析

1.1 環(huán)焊縫用焊材成分和組織

表1是切取試樣焊縫所用焊材的熔敷金屬化學(xué)成分及鐵素體含量。

根據(jù)表1化學(xué)成分計(jì)算[Ni]、[Cr]當(dāng)量，在Delong圖上查出TS-347Z焊條鐵素體含量為9.8%。同時也用F-2A鐵素體測量儀對TS-347Z焊條熔敷金屬的鐵素體含量進(jìn)行了測量，平均值為11.78%。測量值和查圖值雖有一定偏差，但均表明此種焊條的鐵素體含量是比較高的。也對切取的試塊測量其鐵素體含量，其平均值為縱向裂紋試塊為1.03%，橫向裂紋試塊為3.02%。應(yīng)當(dāng)說明鐵素體測量儀為國產(chǎn)F-2A測量儀，使用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵素體＜5%時，測量值偏低，存在一定誤差，即使如此，兩個試塊測量值仍然說明焊后經(jīng)過穩(wěn)定化處理，鐵素體發(fā)生了轉(zhuǎn)變，含量顯著減少。

表1 TS-347Z焊條熔敷金屬化學(xué)成分wt%

1.2 裂紋宏觀形貌

分別針對縱向裂紋和橫向裂紋制作試塊，如圖1。

圖1 裂紋宏觀形貌

2 裂紋微觀分析

2.1 金相分析

取縱向裂紋試塊橫截面試樣進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察，由圖2可見裂紋均沿著焊縫金屬中的鐵素體或鐵素體與奧氏體晶界開裂。這一現(xiàn)象說明焊后穩(wěn)定化處理過程中，應(yīng)力松弛時發(fā)生塑性變形。而由于鐵素體在穩(wěn)定化處理中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變或碳化物析出變脆，局部不能滿足變形需要而產(chǎn)生開裂。

圖2 縱向裂紋試塊橫截面微觀裂紋形貌

2.2 斷口分析

從縱向和橫向裂紋試塊上沿裂紋打開，用掃描電子顯微鏡（EDAX）觀察和分析裂紋斷口的形貌，圖3是縱向裂紋斷口上某一點(diǎn)從低倍到高倍的第一組斷口形貌。由圖3可知低倍（×180）電子掃描照片顯示，斷裂面沿焊縫柱狀晶開裂，屬于脆性斷口；當(dāng)放大倍數(shù)增加到1.5K時，斷口上顯示為許多小坑狀微孔，當(dāng)放大倍數(shù)達(dá)到4.5K時，發(fā)現(xiàn)微孔面存在若干白色塊狀物，采用EDAX能譜分析，這些白色塊狀物Nb含量極高（見圖3中“+”）。

圖3 EDAX觀察縱向裂紋斷口的形貌及能譜分析

上述照片是347H厚壁鋼管TS-347Z焊條焊后經(jīng)過穩(wěn)定化熱處理之后焊縫裂紋的斷裂面的形貌。類似于蠕變斷裂時的斷口形貌，這種斷口形貌被認(rèn)為是焊接再熱裂紋斷口的特征。

2.3 金相試樣用掃描電鏡（EDAX）分析

在用作光學(xué)顯微鏡觀察的裂紋橫截面金相試樣上，用EDAX進(jìn)行鐵素體的光譜分析，見圖4。析鐵素體可知，同樣Nb元素的含量極高，這與在斷口上的白色塊狀物分析結(jié)果是一致的。再一次證明裂紋是沿著焊縫鐵素體或鐵素體與奧氏體晶界開裂，而這種裂紋與鐵素體部位存在高Nb的金屬間化合物（如σ相）或在晶界析出了NbC有關(guān)。

圖4 在EDAX下觀察縱向裂紋橫截面金相試樣上的裂紋形貌及能譜分析

3 結(jié)論

根據(jù)環(huán)焊縫的制造工藝和裂紋的形貌特征，確定347H不銹鋼管環(huán)焊縫的開裂是再熱裂紋（reheat cracking）。

347H不銹鋼厚壁大口徑管環(huán)焊縫焊后在穩(wěn)定化處理900±10℃×（4～6）h中發(fā)生NbC的析出或生成高Nb的金屬間化合物（如σ相），使奧氏體和鐵素體晶界因NbC的析出或在鐵素體基體上形成金屬化合物而脆化，在應(yīng)力松弛晶格滑移時產(chǎn)生空穴，然后空穴長大，聚合而成裂紋?？梢哉J(rèn)為E347焊縫穩(wěn)定化處理后發(fā)生的開裂符合蠕變損傷理論。

4 裂紋預(yù)防建議

在本次分析試驗(yàn)表明，E347焊縫經(jīng)穩(wěn)定化處理后，裂紋沿鐵素體或鐵素體-奧氏體晶界開裂，而且裂紋斷口上析出物和金相試樣上鐵素體組織上能譜分析顯示，C、Nb含量很高。因此，認(rèn)為為了防止347H管焊縫再熱裂紋，從焊材和施工工藝方面提出以下建議：

1）減少焊條中化學(xué)成分C、Nb含量；

2）減少熔敷金屬鐵素體含量（約6%）；

3）采取保持層間溫度（200～300℃），減少收縮應(yīng)變；

4）最后3～5層采用對穩(wěn)定化處理不敏感的E308L焊條焊接，防止從外側(cè)啟裂；

5）如果采用308L焊條焊接，將穩(wěn)定化處理溫度提高到950℃以上否則用階梯熱處理方式。

［1］陳伯蠡.焊接冶金原理：再熱裂紋[M].清華大學(xué)出版社，1991，10.

［2］R.D.Thomas,Jr.and R.W.Messler,Jr.Welding Type 347 Stainless Steel-An Interpretive Report[J].Welding Research Coucil Bulletin#421,New York,NY.1997.

［3］B.Messer.and T.Phillips.Optimized Heat Treatment Of 347 Type Stainless Steel Alloys For Elevated Temperature Service To Minimize Cracking[J].Corrosion，2003.

［4］日本大阪大學(xué)焊接研究所松田福久博士、教授，編著.焊接接頭斷口分析圖片集（中文）[M].1979.