TP321H不銹鋼再熱裂紋試驗研究

卜華全，任明皓，周 煜

（合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

近年來，由于資源和環(huán)境問題的日益嚴峻，工業(yè)裝置呈現(xiàn)出高參數(shù)、大型化的發(fā)展態(tài)勢，壓力管道也逐漸向大口徑、超厚壁方向發(fā)展，給其設計制造和安全保障提出了更高的要求。迄今為止，國內已采用TP347H，TP321H等穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼制造了大量厚壁壓力管道，但由于缺乏對高溫下的材質損傷、碳化物演化規(guī)律、殘余應力松弛等現(xiàn)象的深入研究，致使管道在穩(wěn)定化處理過程中經常發(fā)生再熱開裂現(xiàn)象［1-3］。特別是隨著管道壁厚增大，這些問題變得更加突出，2007年，國內某煤制油工程的大口徑厚壁不銹鋼管，材料為TP347H，在焊后進行900℃穩(wěn)定化處理時約有1/3的焊接接頭出現(xiàn)再熱裂紋，最大裂紋長度可達上百毫米［4］。近年來，國內對穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼的再熱開裂進行了一些研究，但對其機理仍缺乏了解。為避免產生再熱裂紋，目前針對TP321，TP347管道一般都不再進行焊后穩(wěn)定化處理，但這又會帶來管道服役過程中產生腐蝕開裂的風險。文中通過對TP321H鋼進行再熱裂紋敏感性試驗，探索穩(wěn)定化不銹鋼產生再熱裂紋的機理。

1 試驗用材料和試驗方法

1.1 試驗用材料

試驗用材料為TP321H，厚度為12.7 mm，其化學成分見表1，高溫力學性能見表2，部分試樣 從厚度為26 mm的管件上取樣。

表1 試驗用材料TP321H的化學成分 %

表2 TP321H高溫（900℃）力學性能

試驗用焊條為直徑3.2 mm的GES-347焊條，符合GB/T 983—2012《不銹鋼焊條》和AWS A5.4中E347-16的要求，其化學成分見表3。

表3 試驗用焊條的化學成分 %

1.2 試驗方法

1.2.1 焊接熱影響區(qū)的模擬

本次試驗選擇對母材進行1 200℃×15 min的熱處理工藝來模擬焊接熱影響區(qū)的組織，選擇該工藝可以在保證晶粒尺寸的同時，也兼顧晶界碳化物的溶解量［5］。

圖1 熱處理法制作的模擬HAZ試樣的金相組織與實際HAZ對比

圖2 模擬HAZ的熱處理工藝及實測曲線

試樣的金相組織如圖1（a）所示，實際焊接接頭熱影響區(qū)的組織如圖1（b）所示。從金相組織對比看，兩種試樣的晶粒尺寸相近。熱處理工藝和實際模擬的熱處理曲線見圖2。采用熱處理法而不是熱模擬方法，主要是考慮在較長的標距范圍內能得到均勻的熱影響區(qū)組織，確保高溫試驗部位是均勻的模擬HAZ組織。

1.2.2 焊接試板的制作

采用TP321H鋼管制作焊接試件，試件規(guī)格為：?168 mm×12.7 mm，采用如圖3（a）所示的V形坡口，手工電弧焊，焊條為直徑3.2 mm的GES-347焊條，焊條焊前經350℃×1 h烘干。

焊接工藝如下：焊前不預熱，層間溫度≤100℃，焊接電流90～110 A，電弧電壓22～24 V，焊接速度7～10 cm/min。制作完成的試件接頭宏觀照片見圖3（b）。

焊接接頭各區(qū)的金相組織見圖4。文中焊接接頭試樣均取自焊態(tài)下的焊接試板。

圖3 制作的焊接試件

圖4 焊接試板焊接接頭金相組織

1.2.3 再熱裂紋恒載試驗

高溫恒載試驗用于測量試樣在試驗溫度下的臨界斷裂應力［6］，其是對模擬HAZ或焊接接頭試樣在試驗溫度下施加恒定的載荷，測量相應的斷裂時間。通過不同載荷的系列試驗，再熱裂紋試驗有開裂和斷裂兩種判據(jù)，本文采用斷裂判據(jù)，即當載荷低于一定值時，試樣在一定的時間內不發(fā)生斷裂，此載荷定義為試驗溫度下的臨界斷裂應力，在此載荷下，規(guī)定的熱處理時間內不會發(fā)生開裂。試驗溫度均為900℃。

1.2.4 高溫緩慢拉伸試驗

高溫緩慢拉伸試驗是評價材料再熱裂紋敏感性的一種試驗方法［6］，分別對采用熱處理法模擬HAZ的試樣和實際焊接接頭試樣進行試驗，試驗程序如圖5所示。

試驗在蠕變試驗機上進行，先不施加載荷的情況下，將試樣加熱到900℃，保溫15 min后，以恒定的應變速率（5×10-4/s）進行拉伸、直至試樣斷裂，待試樣拉斷后冷卻到室溫，測量斷面收縮率（ROA）。

圖5 高溫緩慢拉伸試驗程序

2 試驗結果和討論

據(jù)相關文獻報道［7-8］，TP321H鋼的再熱裂紋敏感溫度在900℃左右，而穩(wěn)定化處理的溫度一般也選擇900℃，為此，本次試驗采用的試驗溫度均為900℃。

2.1 模擬HAZ試樣恒載試驗

模擬HAZ在900℃的恒載試驗結果如圖6所示?？梢钥闯?，TP321H鋼HAZ在900℃下的再熱裂紋臨界斷裂應力約為57 MPa。

圖6 模擬HAZ在900℃下的恒載試驗結果

模擬HAZ試樣在900℃，76 MPa恒載試驗前后的金相組織如圖7所示。試樣拉伸變形部位未發(fā)現(xiàn)裂紋，只是由于拉伸的作用晶粒都被拉長了，晶粒在如此大的變形下晶界仍未發(fā)生開裂，說明其不易產生再熱開裂。

圖7 模擬HAZ試樣恒載試驗前后的金相組織

2.2 模擬HAZ試樣高溫緩慢拉伸試驗

對熱處理法模擬HAZ的試樣進行900℃下的高溫緩慢拉伸試驗，其斷面收縮率為88%左右，一般認為高溫緩慢拉伸試驗中，斷面收縮率大于20%時，則其對再熱裂紋不敏感［9］。說明TP321H的HAZ對再熱裂紋不敏感。

2.3 焊接接頭恒載試驗

焊接接頭在900℃下的高溫恒載試驗結果如圖8所示?？梢钥闯觯琓P321H 鋼焊接接頭在900℃下的再熱裂紋臨界斷裂應力約為35 MPa。該應力已遠低于80%母材高溫屈服強度，說明焊接接頭的再熱裂紋敏感性較高。

圖8 焊接接頭在900℃下的恒載試驗結果

焊接接頭高溫恒載試驗中試樣均斷在焊縫位置，900℃，76 MPa的高溫恒載試驗的試樣斷后的金相照片如圖9所示，可以看出，在斷口附近的焊縫上存在裂紋，裂紋走向為沿焊縫柱狀晶的晶界擴展，具有典型的再熱裂紋特征，HAZ和母材未見裂紋。說明焊接接頭在穩(wěn)定化處理過程中，焊縫是發(fā)生再熱裂紋的敏感部位。

圖9 900℃，76 MPa高溫恒載試驗斷后金相照片

2.4 焊縫高溫緩慢拉伸試驗

對焊縫金屬進行900℃下的高溫緩慢拉伸試驗，測得焊縫金屬在900℃下的斷面收縮率為7.27%，可見，焊縫金屬在900℃下有較高的再熱裂紋敏感性，斷后試樣的金相照片如圖10（a）所示。從試樣的斷裂形貌來看，焊縫金屬在沒有明顯變形就發(fā)生了斷裂，而兩端的母材雖然已發(fā)生了很大的變形，但并沒有發(fā)生斷裂。說明在緩慢拉伸過程中，焊縫在900℃下的強度高于母材，所以在拉伸過程中試樣發(fā)生的變形基本都集中在母材上，但焊縫的晶界強度較低，雖然其晶內強度高于母材，但晶界上由于析出的碳化物高溫強度較低，在高溫緩慢拉伸過程中因蠕變而發(fā)生斷裂，印證了TP321H鋼的再熱裂紋屬于蠕變斷裂機制。

圖10 焊縫金屬900℃高溫緩慢拉伸試樣斷后照片

高溫緩慢拉伸試樣斷口掃描電鏡照片如圖10（b）所示，一排排柱狀晶清晰可見，斷口上有韌窩，可見其開裂都是沿柱狀晶的晶界擴展的。

2.5 TP321H鋼產生再熱裂紋的機理探討

高溫恒載試樣斷后的金相照片如圖11所示。

圖11 高溫恒載試樣斷后的金相照片

從圖11可以看出，焊縫上的裂紋是沿原奧氏體柱狀晶的晶界擴展的，由于試驗時加載的應力與柱狀晶方向有一定夾角，沿柱狀晶擴展的裂紋會跨過柱狀晶與柱狀晶另一側的裂紋連接起來，形成更長的裂紋。

對該試樣進行掃描電鏡觀察，其電鏡照片如圖12所示?？梢钥闯觯鸭y形貌為沿晶界分布的微孔韌窩（見圖12（a）），微孔相互連接形成裂紋。在未發(fā)生開裂的晶界上可以看到析出的碳化物（見圖12（b）），能譜分析發(fā)現(xiàn)有Nb元素（見圖12（c）），說明焊縫上產生再熱裂紋與高溫下NbC的析出相關。

圖12 斷裂試樣的掃描電鏡照片

從圖11（b）可以看出，開裂部位有明顯的晶界滑移現(xiàn)象，而且是在較低的應力作用下出現(xiàn)的，其機理屬于晶界蠕變開裂機制。CHABAUDREYTIER等［5］曾用321不銹鋼進行晶界滑動的觀察試驗，驗證了這種機制。在這種機制中，晶界滑移有助于形成孔洞，再熱裂紋與蠕變斷裂具有相似的裂紋形態(tài)，且開裂機制也都是孔洞的形成和聚集。文獻［5］中通過裂紋表面的掃描電鏡照片，可看到樣品內存在韌窩和斷裂平面。

在TP321H焊接熔池冷卻過程中，焊縫金屬由于Nb等碳化物形成元素的彌散析出導致晶內強化，在隨后的穩(wěn)定化處理過程中，由于Nb在晶界析出，導致晶界脆化，且由于殘余應力的存在，穩(wěn)定化處理過程中殘余應力釋放產生的蠕變必然集中在晶界上，當脆弱的晶界延性耗盡時，就產生了裂紋。

3 關于TP321H鋼厚壁管道焊后穩(wěn)定化熱處理的討論

奧氏體不銹鋼一般不會產生再熱裂紋，但是對含穩(wěn)定化元素的不銹鋼進行焊后穩(wěn)定化處理時有可能產生再熱裂紋。含有Nb并生成NbC的347型不銹鋼對這種裂紋敏感［8］。國內外加氫裝置高溫部分的管道均選用穩(wěn)定化型不銹鋼，主要為含鈦的ASME A312 TP321或含鈮的ASME A312 TP347兩種奧氏體不銹鋼。采用穩(wěn)定化型不銹鋼主要是防止在連多硫酸應力腐蝕環(huán)境下，可能產生連多硫酸應力腐蝕開裂。由于高溫許用應力的差異，加氫裂化裝置反應器之間的管道若采用TP347，其管道壁厚和重量均比采用TP321小，總價格約低12.9%［10］。但TP347焊后穩(wěn)定化處理過程中更容易產生熱裂紋和再熱裂紋［11］。一般認為，Nb元素的存在是造成這一現(xiàn)象的主要原因。由于Nb是強烈的碳化物、氮化物形成元素，容易形成低熔點的共晶體，增加焊縫金屬的開裂傾向。

對奧氏體不銹鋼是否進行焊后熱處理存在爭議，ASME 規(guī)范中已經刪除了強制性要求。SH/T 3523—2009《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規(guī)程》中規(guī)定：焊接接頭的焊后熱處理應按設計文件規(guī)定執(zhí)行，也沒有強制性要求。NB/T 10068—2018《含穩(wěn)定化元素不銹鋼管道焊后熱處理規(guī)范》規(guī)定：壁厚大于等于40 mm的管道，為避免熱處理過程中產生再熱裂紋的風險，一般不進行焊后穩(wěn)定化熱處理。但321，347類不銹鋼在一定的使用條件下，設計傾向于進行穩(wěn)定化熱處理，NACE RP0170標準也規(guī)定：當有連多硫酸應力腐蝕（PTA SCC）風險時，可以采用穩(wěn)定化處理來提高抗敏化性。在TP321H的安裝制造現(xiàn)場，應考慮現(xiàn)場穩(wěn)定化處理是否能夠起作用、是否能夠實現(xiàn)設計意圖、會有什么壞的影響、是否可以不進行穩(wěn)定化處理［12］。

4 結論

對TP321H鋼模擬HAZ和焊接接頭分別進行900℃的高溫恒載試驗和高溫緩慢拉伸試驗，得到主要結論如下。

（1）恒載試驗結果表明，模擬HAZ的900℃下的臨界斷裂應力為57 MPa，焊接接頭900℃下的臨界斷裂應力為35 MPa，焊縫在穩(wěn)定化處理時更容易產生再熱裂紋。

（2）高溫緩慢拉伸試驗結果表明，模擬HAZ在900℃下的斷面收縮率為88%左右，再熱裂紋敏感性較低；而焊縫在900℃下的斷面收縮率為7.27%，再熱裂紋敏感性較高。

可見，TP321H鋼焊接接頭具有較高的再熱裂紋敏感性，發(fā)生的開裂主要集中在焊縫上。