熱加工工藝對新型奧氏體不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕的影響

張杰，鐘正彬

東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司 四川自貢 643000

1 序言

隨著電站鍋爐向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，以SA-213S30432、HR3C為代表的新型奧氏體不銹鋼材料在超臨界、超（超）臨界機(jī)組鍋爐中得到了大量的工程應(yīng)用，且廣泛應(yīng)用于高溫再熱器、高溫過熱器、屏式過熱器等高等級部件中，因此小口徑管對接接頭大量出現(xiàn)，焊接接頭（焊縫和熱影響區(qū)）晶間腐蝕問題也越來越引起關(guān)注。

2 試驗背景

某1 0 0 0 M W 超（超）臨界機(jī)組鍋爐水壓試驗時，發(fā)現(xiàn)高溫再熱器管屏S A-2 1 3 S 3 0 4 3 2、φ51mm×3.5mm對接接頭開裂失效，在熱絲TIG自動焊和手工鎢極氬弧焊（GTAW）接頭中均發(fā)現(xiàn)了晶間腐蝕現(xiàn)象，缺陷位于接頭熱影響區(qū)熔合線附近，呈沿晶開裂形貌，局部可見晶粒脫落（見圖1），具有晶間腐蝕特征。晶間腐蝕分布在管子內(nèi)壁，從內(nèi)壁起始，向外壁擴(kuò)展，深度不等，最深的接近管材壁厚，開裂失效為晶間腐蝕所致。

圖1 接頭熱影響區(qū)沿晶開裂形貌

針對新型奧氏體不銹鋼接頭熱影響區(qū)晶間腐蝕的問題，為了查找產(chǎn)生的原因，評估焊接接頭晶間腐蝕傾向，對鍋爐使用的SA-213S30432、HR3C等材料開展了一系列工藝試驗分析，研究了焊接方法、焊接參數(shù)、焊后熱處理等熱加工工藝因素對接頭晶間腐蝕的影響。

3 試驗過程與結(jié)果

3.1 對接接頭試樣制備

選用焊絲THERMANIT 304HCu、φ1.0mm，在熱絲TIG機(jī)上焊接SA-213S30432、φ45mm×7mm管接頭試樣2組，試樣編號A1、A2；選用焊絲THERMANIT 304HCu、φ2.4mm，GTAW焊接SA-213S30432、φ45mm×7mm管接頭試樣2組，試樣編號A3、A4。選用焊絲ERNiCrCoMo-1、φ1.0 m m，在熱絲T I G 機(jī)上焊接H R 3 C、φ45mm×7mm管接頭試樣2組，試樣編號B1、B2；選用焊絲ERNiCrCoMo-1、φ2.4mm，GTAW焊接HR3C、φ45mm×7mm管接頭試樣2組，試樣編號B3、B4。焊接參數(shù)見表1，其中試樣A1、A3、B1、B3焊后退火處理，按760℃×90min執(zhí)行。

表1 試樣焊接參數(shù)

3.2 檢驗結(jié)果

試樣焊后、熱處理后的焊縫經(jīng)100%RT檢測合格； PT范圍為焊縫及兩側(cè)各100mm區(qū)域，100%PT檢測合格。經(jīng)檢驗，試樣接頭（焊縫、熱影響區(qū)）無缺陷。

母材及焊縫化學(xué)成分見表2、表3，表中試樣位置B代表母材，W代表焊縫。

表2 A組化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 B組化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

按GB/T 4334—2020中的方法E 銅-硫酸銅-16%硫酸腐蝕試驗方法進(jìn)行，將試樣在加有銅屑的硫酸-硫酸銅溶液中煮沸，使其保持微沸狀態(tài)，試驗連續(xù)20h，試驗后取出試樣，洗凈、干燥、彎曲，采用彎曲法和金相法判定晶間腐蝕傾向。接頭晶間腐蝕深度見表4，部分腐蝕試樣如圖2所示。

圖2 腐蝕試樣

表4 接頭晶間腐蝕深度

SA-213S30432鋼對接接頭4種狀態(tài)的接頭抗晶間腐蝕能力除GTAW焊態(tài)合格外，其余3個試樣均不合格，且存在明顯差異，焊態(tài)接頭抗晶間腐蝕能力優(yōu)于退火態(tài)接頭，GTAW接頭抗晶間腐蝕能力優(yōu)于熱絲TIG焊接頭。

HR3C鋼對接接頭4種狀態(tài)的接頭抗晶間腐蝕能力優(yōu)于SA-213S30432鋼，但也存在明顯差異，焊態(tài)接頭抗晶間腐蝕能力均合格，退火態(tài)接頭抗晶間腐蝕能力均不合格。

4 試驗分析

4.1 晶間腐蝕的成因

“貧鉻理論”認(rèn)為奧氏體不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕是由于加熱到450～850℃溫度區(qū)間會發(fā)生敏化，過飽和固溶的碳向晶粒邊界擴(kuò)散，與晶界附近的鉻結(jié)合形成（CrFe）23C6并在晶界沉淀析出[1]；由于碳的擴(kuò)散速度快，鉻來不及從晶內(nèi)補(bǔ)充到晶界附近，出現(xiàn)晶界區(qū)貧鉻，喪失了抗腐蝕性能，在腐蝕介質(zhì)的作用下，形成晶間腐蝕。

4.2 焊接接頭特性

焊接接頭在鍋爐產(chǎn)品制造中不可避免，焊接熱影響區(qū)在焊接過程中必然存在，在焊接的快速連續(xù)加熱過程中，鉻碳化物形成過程必然會出現(xiàn)在熱影響區(qū)，因此熱影響區(qū)是整個焊接接頭最薄弱的環(huán)節(jié)，也是抗晶間腐蝕能力最薄弱的區(qū)域。焊縫上的晶間腐蝕通常都是在多層多道焊中出現(xiàn)，前焊道的熔敷金屬受到后面焊道的熱影響，處于敏化溫度的區(qū)間，出現(xiàn)晶間貧鉻，導(dǎo)致耐蝕能力下降。

4.3 材料的影響

SA-213S30432鋼焊接接頭抗晶間腐蝕能力不及HR3C鋼，這是由于母材及選用焊接材料的化學(xué)成分決定的，故兩者存在較大的差異。

SA-213S30432鋼管是在SA-213TP304H鋼的基礎(chǔ)上加入適量Cu、Nb、N 等元素進(jìn)一步提高蠕變強(qiáng)度，開發(fā)的奧氏體耐熱不銹鋼，其C含量較高，wC=0.07%～0.13%，wCr=17%～19%。對接接頭焊接選擇與母材匹配的焊接材料THERMANIT 304H C u，其C含量較高，wC=0.09%～0.10%，wCr=18.33%～18.40%，在敏化溫度區(qū)間會發(fā)生敏化，晶間貧鉻，使晶界附近抗腐蝕性能下降[2]。

HR3C 鋼管是在TP310 鋼基礎(chǔ)上通過復(fù)合添加N b、N合金元素研制而成的一種新型奧氏體耐熱鋼，由于Cr、Ni 含量較高，所以有效增強(qiáng)了鋼的抗高溫腐蝕和高溫蒸汽氧化能力，并穩(wěn)定了奧氏體組織、抑制σ相的析出傾向。HR3C 鋼具有優(yōu)異的抗晶間腐蝕性能，晶間腐蝕敏感性低。對接接頭焊接選擇的焊接材料為ERNiCrCoMo-1，其C含量較低，wC=0.06%～0.07%，wCr=21.0%～21.4%，wMo=8.4%～9.0%，wTi=0.32%～0.33%，在焊縫中增加了如Cr、Mo、Ti、Nb等鐵素體形成元素，在奧氏體晶內(nèi)以及晶粒之間有一定數(shù)量的鐵素體，使奧氏體晶粒交界面上不會形成連續(xù)的網(wǎng)狀鉻的碳化物，提高焊縫抗晶間腐蝕的能力。

4.4 焊接工藝的影響

從A組熱絲TIG焊試樣看，無論焊態(tài)還是退火熱處理態(tài)的接頭均出現(xiàn)晶間腐蝕，焊態(tài)試樣內(nèi)壁、外壁均有開裂，腐蝕深度2100μm、707μm，而GTAW接頭焊態(tài)晶間腐蝕試驗合格，因此焊接方法不同對接頭抗晶間腐蝕能力產(chǎn)生影響存在差異。熱絲TIG焊與GTAW焊接過程存在明顯差異，熱絲TIG焊是一種連續(xù)焊接的高效焊接方法，多層多道焊時，連續(xù)焊接，層溫較高，可達(dá)500～600℃，焊縫在高溫停留時間較長，焊接電流也比GTAW大。GTAW焊接參數(shù)較小，層溫較低，控制方便，由于焊縫在高溫停留時間較短，故GTAW接頭抗晶間腐蝕的能力優(yōu)于熱絲TIG焊接頭。

4.5 焊后熱處理工藝的影響

從上述試驗結(jié)果看，無論是S A-213S30432鋼、還是H R3C鋼，焊接接頭退火前后抗晶間腐蝕能力存在明顯差異，焊態(tài)接頭抗晶間腐蝕能力明顯優(yōu)于退火態(tài)接頭。焊后退火處理的溫度為750～770℃，正處于奧氏體不銹鋼的敏化溫度區(qū)（450～825℃），經(jīng)過退火處理抗晶間腐蝕性能降低。

經(jīng)歷了不同的焊后熱處理方式的焊接接頭，會呈現(xiàn)出不同的晶間腐蝕傾向，如果通過固溶處理或穩(wěn)定化處理，則可以提高抗晶間腐蝕的能力。

4.6 介質(zhì)的影響

焊接接頭經(jīng)歷敏化并不意味著晶間腐蝕必然發(fā)生，晶間腐蝕的發(fā)生必須有腐蝕介質(zhì)，如Cl離子。因此，設(shè)備制造標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備運行標(biāo)準(zhǔn)對水質(zhì)提出了限制要求，特別是Cl離子的控制，以避免晶間腐蝕的發(fā)生。

由于超（超）臨界機(jī)組鍋爐過熱器和再熱器的工作溫度一般為600～610℃，正處于奧氏體不銹鋼的敏化溫度區(qū)，如果使用環(huán)境中存在腐蝕性離子，如Cl、O、S等離子，在腐蝕介質(zhì)的長期作用下容易產(chǎn)生晶間腐蝕。晶間腐蝕使奧氏體晶界結(jié)合強(qiáng)度顯著降低，其強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能大幅度降低甚至喪失，在外力的作用下容易誘發(fā)微裂紋，進(jìn)而發(fā)展成宏觀裂紋，造成接頭開裂失效。

5 預(yù)防焊接接頭晶間腐蝕的措施

預(yù)防焊接接頭晶間腐蝕的措施如下：

1）盡量選用低碳型焊接材料，嚴(yán)格控制碳含量[3]。焊縫金屬盡量減少碳含量，避免形成鉻的碳化物，減少或避免晶間腐蝕的傾向，超低碳奧氏體不銹鋼基本上可以避免晶間腐蝕。

2）焊接工藝設(shè)計應(yīng)盡量選用熱輸入較小的焊接方法，焊接接頭盡可能縮短在敏化溫度區(qū)停留的時間，減少敏化溫度對其的影響。在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量采用小焊接電流、快速焊，窄焊縫；盡量采用多層多道焊，層溫冷卻后再焊接下一道，管子內(nèi)通氬氣保護(hù)，既保護(hù)焊接熔池不易氧化，有利于背面焊縫成形，又加快了接頭的冷卻。

3）焊后局部退火處理。由于高溫再熱器、高溫過熱器、屏式過熱器等部件出口、入口端為T91鋼、T92鋼等材料，存在大量的T91/T92鋼+奧氏體不銹鋼的異種鋼接頭，所以需要進(jìn)行焊后退火處理，一般采用整體進(jìn)爐熱處理，加熱溫度740～760℃，保溫90～120min。雖然高溫停留時間較短，但對奧氏體不銹鋼接頭抗晶間腐蝕能力不利。為此，可改變熱處理方式，將整體退火熱處理調(diào)整為局部退火熱處理，僅對異種鋼接頭做退火處理，不銹鋼接頭不再進(jìn)行退火處理，避免接頭和母材敏化，降低晶間腐蝕敏感性。

4）穩(wěn)定化處理或固溶處理是預(yù)防晶間腐蝕的有效方式，將整個焊件進(jìn)行整體穩(wěn)定化處理或固溶處理，可以降低晶間腐蝕敏感性，減少或避免晶間腐蝕傾向。但在實際生產(chǎn)中，鍋爐受熱面高等級部件受到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、變形控制等諸多因素的影響，整體穩(wěn)定化處理或固溶處理則難以實施。

6 結(jié)束語

1）SA-213S30432鋼、HR3C鋼焊接接頭焊態(tài)抗晶間腐蝕能力優(yōu)于焊后退火態(tài)接頭，奧氏體不銹鋼退火熱處理不利于接頭抗晶間腐蝕。

2）GTAW接頭抗晶間腐蝕能力優(yōu)于熱絲TIG焊接頭，選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に囉欣诟纳平宇^抗晶間腐蝕性能。