A312 TP347H穩(wěn)定化熱處理工藝改進(jìn)

【摘要】本文簡要介紹了A312 TP347H材料的性能和穩(wěn)定化熱處理的作用，分析了A312 TP347H不銹鋼管穩(wěn)定化熱處理后出現(xiàn)裂紋的原因，根據(jù)裂紋產(chǎn)生的原因，對A312 TP347H穩(wěn)定化熱處理工藝提出了改進(jìn)措施。

【關(guān)鍵詞】A312 TP347H；裂紋；穩(wěn)定化熱處理

1、背景

A312 TP347H因具有良好的高溫耐氧化、耐磨、耐蝕及其熱穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于電站、化工等行業(yè)。神華煤直接液化項(xiàng)目是我國煤直接液化關(guān)鍵技術(shù)研究國家863計(jì)劃項(xiàng)目之一，工藝管道材質(zhì)種類多，其中A312 TP347H被大量安裝在與反應(yīng)器相連接的管道中，管內(nèi)介質(zhì)為固、液、氣三態(tài)混合的油煤漿，最高運(yùn)行溫度455℃（設(shè)計(jì)溫度482℃），最高運(yùn)行壓力19.188MPa（設(shè)計(jì)壓力20.55MPa），管道設(shè)計(jì)技術(shù)條件要求對其進(jìn)行焊后穩(wěn)定化熱處理。

為了消除應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力，提高A312 TP347H的抗晶間腐蝕能力，根據(jù)設(shè)計(jì)給出的工藝對焊縫進(jìn)行了穩(wěn)定化熱處理處理，然而在對完成穩(wěn)定化熱處理的焊縫進(jìn)行表面酸洗鈍化處理后，部分焊縫出現(xiàn)表面裂紋，且隨著壁厚的增加，裂紋程度更嚴(yán)重。經(jīng)分析，穩(wěn)定化熱處理工藝是出現(xiàn)裂紋的主要原因。

2、材料特性

A312 TP347H在ASME中歸類為P-NO. 8，與我國18-8型奧氏體耐熱鋼比較相近，為單相奧氏體組織，具有較好的耐高溫和耐腐蝕性能。

3、穩(wěn)定化熱處理的作用

A312 TP347H奧氏體不銹鋼組織為單相奧氏體，焊后易出現(xiàn)晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂。因此A312 TP347H含有的穩(wěn)定化元素Nb+Ta，在經(jīng)過890℃以上的穩(wěn)定化溫度時(shí)，能形成穩(wěn)定碳化物（由于Nb能優(yōu)先與碳結(jié)合，形成NbC），大大降低奧氏體中Cr23C6的含量，起到了犧牲Nb元素保護(hù)鉻元素的目的。進(jìn)行這種退火可以將碳化鉻完全溶解，而特殊碳化物TiC或NbC不完全溶解，且在冷卻過程中特殊碳化物又充分析出，使碳不可能再形成鉻的碳化物，因而有效地消除了晶間腐蝕傾向。

4、施工中出現(xiàn)的問題，分析與解決

根據(jù)管道技術(shù)條件要求，現(xiàn)場執(zhí)行的穩(wěn)定化熱處理工藝如下表（1）

穩(wěn)定化熱處理實(shí)際操作時(shí)，采用電加熱板對焊縫區(qū)進(jìn)行加熱；硅酸鋁保溫棉對其包扎保溫，具體內(nèi)容是按以下要求執(zhí)行的：

1）加熱寬度B：以焊口中心為基準(zhǔn)，加熱范圍每側(cè)不小于3倍管壁厚且大于100mm。

2）保溫寬度：以焊口中心為基準(zhǔn)，保溫范圍每側(cè)不小于5倍管壁厚且大于250mm；保溫采用厚度為大于80mm的硅酸鋁耐火纖維氈。

3）控溫/測溫?zé)犭娕迹簩γ拷M加熱器單獨(dú)控溫?zé)犭娕伎刂疲?DN200-400設(shè)置2個(gè)測溫點(diǎn)，外徑大于DN400設(shè)置四個(gè)溫控點(diǎn)（0°、90°、180°、270°各設(shè)置一個(gè)溫控點(diǎn)），以保證溫度的加熱均勻，盡量保證整個(gè)焊口之間的溫差在規(guī)定的范圍之內(nèi)。

4）穩(wěn)定化熱處理特殊要求：熱處理時(shí)為減少氧化影響，減少氧化物的生成，整個(gè)熱處理過程中將管兩端堵死，防止空氣流動。

在穩(wěn)定化熱處理后的酸洗過程中，經(jīng)PT檢測，發(fā)現(xiàn)壁厚大于37mm的部分管道在焊接區(qū)域出現(xiàn)大量裂紋：在彎管與直管連接的焊縫立焊區(qū)域，且彎管外側(cè)裂紋多于彎管內(nèi)側(cè)，焊道中間及焊道熔合線部位均發(fā)現(xiàn)有裂紋存在。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，大部分裂紋主要發(fā)生在靠近管件或彎管相連結(jié)的一側(cè)的焊縫上，且裂紋沿熔合線擴(kuò)展；所有的焊縫裂紋均是在穩(wěn)定化熱處理后出現(xiàn)的，初步推斷這種裂紋屬于再熱裂紋。

再熱裂紋的特征是沿晶開裂，開裂的前提條件有兩個(gè)：一、存在殘余應(yīng)力，二、存在敏感組織。由于殘余應(yīng)力的存在，在一定高溫范圍加熱時(shí)，應(yīng)力松弛引起的松弛應(yīng)變超過蠕變塑性，促使再熱開裂；所謂的敏感組織首先是指粗大晶粒組織，其次是有敏感的化學(xué)成分，均導(dǎo)致晶界弱化，促使沿晶開裂。

壁厚δ≤37mm的管道本身焊接結(jié)構(gòu)比較小，焊后殘余應(yīng)力相對其他大規(guī)格管道小的多，壁厚較薄的客觀條件也決定了穩(wěn)定化熱處理的效果：熱處理時(shí)較易實(shí)現(xiàn)均勻加熱，使內(nèi)外壁的溫差達(dá)到最小，能相對較容易的消除焊接殘余應(yīng)力。

對于壁厚δ>37mm的管道，則同時(shí)具備了再熱裂紋的兩個(gè)基本條件：

1、晶內(nèi)析出強(qiáng)化作用（敏感組織），在再次加熱過程中，由于晶內(nèi)析出強(qiáng)化，剩余應(yīng)力松弛形成的松弛應(yīng)變或塑性變形將集中于相對弱化的境界，而導(dǎo)致沿晶開裂。

壁厚δ>37mm的TP347H不銹鋼管道焊縫在焊后穩(wěn)定化處理900±10℃×（4-6）h中，析出NbC或形成高Nb的金屬間化合物，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(shí)產(chǎn)生空穴，然后空穴長大，聚合而成裂紋。

圖1可看出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。焊后穩(wěn)定化處理過程中，應(yīng)力松弛時(shí)發(fā)生塑性變形，而由于鐵素體在穩(wěn)定化熱處理中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變或碳化物析出變脆，塑性下降，在焊接殘余應(yīng)力作用下，產(chǎn)生裂紋。

2、蠕變損傷作用（殘余應(yīng)力），再次加熱過程中的應(yīng)力松弛是應(yīng)力逐步隨時(shí)間降低的蠕變現(xiàn)象。

焊接結(jié)構(gòu)焊后存在殘余應(yīng)力，特別是對于大厚壁的焊接結(jié)構(gòu)焊后極易產(chǎn)生多軸應(yīng)力，在熱處理過程中由于應(yīng)力松弛作用，發(fā)生塑性變形，當(dāng)局部塑性變形能力無法滿足實(shí)際變形量時(shí)，發(fā)生開裂。對于壁厚大于37mm的不銹鋼管，其在穩(wěn)定化熱處理后，由于厚度方向加熱不均勻，致除應(yīng)力效果不佳，加之穩(wěn)定化熱處理后的內(nèi)部相變，兩者共同的作用下，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

5、改進(jìn)后的穩(wěn)定化熱處理

針對上述原因，進(jìn)一步改善穩(wěn)定化熱處理工藝，減少厚壁管道的內(nèi)外壁溫差，控制升降溫速度，爭取最大限度消除焊接殘余應(yīng)力，防止新應(yīng)力產(chǎn)生，主要采取如下措施：

1）穩(wěn)定化熱處理前增加消應(yīng)力措施，在熱處理前將焊縫打磨平整，使得在打磨的過程中釋放部分殘余應(yīng)力。

2）控制層間溫度，采用滑動裝置以利于焊縫的自由收縮。

3）穩(wěn)定化熱處理參數(shù)設(shè)置的過程中，考慮到熱處理過程中的溫差應(yīng)力、組織應(yīng)力及壁厚因素，將升溫速度定為50℃、通過延后升溫使溫差減少在80℃以內(nèi)。

4）升溫時(shí)的控溫溫度從0℃開始；降溫時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中空冷時(shí)溫差大小，設(shè)置降溫到700℃以下后，再進(jìn)行空冷。890℃-700℃范圍內(nèi)緩冷，利于在這個(gè)區(qū)間的降溫速度，盡可能減小溫差應(yīng)力、組織應(yīng)力、殘余應(yīng)力消除。

5）熱電偶應(yīng)點(diǎn)焊在待測溫處，預(yù)制期間管道內(nèi)焊縫兩側(cè)盡量靠近焊縫進(jìn)行保溫封堵，有條件時(shí)每側(cè)離焊縫中心距離應(yīng)控制在300-500mm之間。

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