厚壁TP347鋼管焊接接頭再熱裂紋敏感性試驗(yàn)研究

王建軍，李冬毓，俞樹榮

(1.蘭州理工大學(xué),蘭州 730050；2.中石化 第五建設(shè)有限公司，廣州 510180)

0 引言

厚壁TP347鋼管焊接接頭穩(wěn)定化熱處理易產(chǎn)生再熱裂紋的問題影響加氫系列裝置壓力管道的安全服役[1-8]。本文對厚壁TP347鋼管焊接接頭開展穩(wěn)定化熱處理溫度(900 ℃)下的高溫恒載試驗(yàn)和750,800,850,900 ℃下的高溫慢拉伸試驗(yàn)，對焊接接頭再熱裂紋敏感性進(jìn)行評估，探索焊接接頭產(chǎn)生再熱裂紋的主要因素；進(jìn)一步通過SEM,EDS等微觀表征技術(shù)研究再熱裂紋的形核和擴(kuò)展，揭示再熱裂紋的形成機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 基材

試驗(yàn)材料為TP347鋼管材，其規(guī)格為?457 mm×45.24 mm，交貨狀態(tài)為固溶處理+酸洗鈍化,該材料化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分

表2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

1.2 焊材

試驗(yàn)用焊絲牌號為CHG-347R，規(guī)格為?2.5 mm，其化學(xué)成分如表3所示；焊條牌號為TS-347，規(guī)格為?3.2 mm，其化學(xué)成分如表4所示。

表3 CHG-347R化學(xué)成分

表4 TS-347化學(xué)成分

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試件的制備

焊接接頭的制備采用手工鎢極氬弧焊+焊條電弧焊，氬弧焊焊接厚度為3 mm，其他層填充與蓋面均采用焊條電弧焊。為了減少焊材填充量，以及便于焊條擺動，保障熔合良好，當(dāng)壁厚大于30 mm時(shí)，通常采用VY形組合式坡口。焊接接頭坡口形式見圖1，焊接工藝參數(shù)見表5。

圖1 焊接接頭坡口形式

表5 焊接工藝參數(shù)

制備完成的焊接試件M如圖2所示。對焊接試件M進(jìn)行外觀目視檢測，焊縫表面成形均勻，多道焊焊道與焊道搭接處平整無溝槽，焊趾處與母材圓滑過渡，表面無氣孔、咬邊、夾渣等缺陷。在目視檢測合格后，經(jīng)射線檢測(RT)和滲透檢測(PT)顯示合格。試件焊后不進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理。

圖2 焊接試件

焊接試件M宏觀金相見圖3，熔合情況良好，未見裂紋、未熔合、氣孔等缺陷。

焊接試件M焊縫區(qū)和熱影響區(qū)金相組織如圖4所示?？梢钥闯?，焊縫區(qū)組織為鐵素體和奧氏體，鐵素體枝狀晶分布方向與管徑方向一致，均勻分布在奧氏體基體上；熱影響區(qū)主要為奧氏體組織，奧氏體晶粒未見明顯長大，可達(dá)到5級以上，晶界未出現(xiàn)大量析出物或粗化；塊狀或島鏈狀NbC較多，這是母材中沒有完全固溶到基體中的NbC，具有沿著鋼材軋制方向分布的特征。

圖3 焊接試件宏觀金相照片

(a)焊縫區(qū)

(b)熱影響區(qū)

1.3.2 再熱裂紋恒載試驗(yàn)

高溫恒載試驗(yàn)用于測量試樣在試驗(yàn)溫度下的臨界斷裂應(yīng)力[9-12],即在試驗(yàn)溫度下對焊接接頭試樣施加恒載，并測量相應(yīng)的斷裂時(shí)間。通過一系列不同載荷的試驗(yàn)，再熱裂紋試驗(yàn)有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：開裂和斷裂。本文采用斷裂準(zhǔn)則，即當(dāng)載荷低于一定值時(shí)，試樣在一定時(shí)間內(nèi)不發(fā)生斷裂,該荷載定義為試驗(yàn)溫度下的臨界斷裂應(yīng)力。在此載荷下，在規(guī)定的熱處理時(shí)間內(nèi)不會出現(xiàn)裂紋。根據(jù)文獻(xiàn)[13]報(bào)道，含Ti,Nb穩(wěn)定化元素的不銹鋼再熱裂紋敏感溫度在900 ℃左右。工程中，設(shè)計(jì)文件一般規(guī)定TP347鋼的穩(wěn)定化熱處理溫度為900±25 ℃，因此，文中的試驗(yàn)溫度選擇為900 ℃。

在高溫蠕變試驗(yàn)機(jī)上對焊接試件M直徑為6 mm 的拉伸試樣開展不同載荷條件下的高溫恒載試驗(yàn)，得到在900 ℃時(shí)的斷裂時(shí)間及臨界斷裂應(yīng)力，評估900 ℃時(shí)焊接接頭的再熱裂紋敏感性。選取典型斷口，并在掃描電鏡下觀察，對析出物進(jìn)行能譜分析。

1.3.3 高溫慢拉伸試驗(yàn)

高溫慢拉伸試驗(yàn)是一種評估材料對再熱裂紋敏感性的試驗(yàn)方法[9]。將試樣安裝到試驗(yàn)機(jī)上后，先不施加載荷，將試樣加熱到試驗(yàn)溫度，保溫15 min，然后以恒定的應(yīng)變速度(5×10-4/s)進(jìn)行拉伸直至試樣斷裂。待試樣冷卻到室溫后，測量試樣的斷面收縮率Z，根據(jù)斷面收縮率來判斷材料再熱裂紋敏感性[14]，當(dāng)Z<5%，非常敏感；當(dāng)5%20%，不敏感。試驗(yàn)過程如圖5所示。

圖5 高溫緩慢拉伸試驗(yàn)過程示意

在高溫蠕變試驗(yàn)機(jī)上對焊接試件M直徑為6 mm 的試樣進(jìn)行不同溫度下的高溫慢拉伸試驗(yàn)，得到在750,800,850,900 ℃下的斷面收縮率，評估不同溫度下焊接接頭的再熱裂紋敏感性。選取典型斷口，并在掃描電鏡下觀察，對析出相進(jìn)行能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 高溫恒載試驗(yàn)結(jié)果及分析

高溫恒載試樣拉斷樣貌見圖6，試驗(yàn)結(jié)果見表6和圖7。

圖6 恒載試樣斷后形貌

表6 焊接試件M高溫恒載試驗(yàn)結(jié)果

圖7 焊接試件M在900 ℃下的高溫恒載試驗(yàn)結(jié)果

斷裂均出現(xiàn)在焊縫區(qū)，說明焊縫區(qū)的強(qiáng)度比熱影響區(qū)和母材都低。觀察到試樣未發(fā)生明顯的頸縮，說明焊接接頭塑性較低。

焊接試件M的再熱裂紋臨界斷裂應(yīng)力為24 MPa,該應(yīng)力已遠(yuǎn)低于80%母材高溫屈服強(qiáng)度，說明焊接接頭的再熱裂紋敏感性較高。

載荷越接近臨界斷裂應(yīng)力、越有利于發(fā)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生的機(jī)制，因此選擇恒載試驗(yàn)試樣斷口M-H6和M-H7進(jìn)行SEM,EDS觀察及分析。圖8,9示出試樣M-H6和M-H7恒載試驗(yàn)斷口在不同倍數(shù)下的掃描電鏡照片。斷口均呈現(xiàn)沿柱狀晶晶界斷裂形貌，斷面上有較多的析出相和孔洞。

圖8 M-H6試樣在28 MPa，900 ℃恒載試驗(yàn)斷口掃描電鏡照片

圖9 M-H7試樣在25 MPa，900 ℃恒載試驗(yàn)斷口掃描電鏡照片

圖10,11示出試樣M-H6和M-H7恒載試驗(yàn)斷口掃描電子照片及能譜分析。可觀察到晶內(nèi)與晶界析出相具有不同的形態(tài)和大小。晶內(nèi)析出相多呈顆粒狀或橢球狀，呈均勻分布狀態(tài)；晶界析出相沿著晶界聚集長大，像絲絡(luò)一樣布滿晶界。

圖10 M-H6試樣在28 MPa，900 ℃恒載試驗(yàn)斷口電子照片及能譜分析

圖11 M-H7試樣在25 MPa，900 ℃恒載試驗(yàn)斷口電子照片及能譜分析

2.2 高溫慢拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照圖5所示的高溫緩慢拉伸試驗(yàn)過程，在高溫蠕變試驗(yàn)機(jī)上對焊接試件M直徑為6 mm的試樣進(jìn)行一系列高溫慢拉伸試驗(yàn)，每個(gè)溫度下進(jìn)行2件慢拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表7和圖12所示。

結(jié)果表明，在750～900 ℃溫度區(qū)間焊接接頭的平均斷面收縮率均低于20%，說明該溫度范圍區(qū)間焊接接頭都具有再熱裂紋敏感性，且隨著溫度升高，再熱裂紋敏感性增大；斷裂位置均位于焊縫，說明焊縫比熱影響區(qū)和母材再熱裂紋敏感性高。

表7 焊接試件M高溫慢拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖12 焊接試件高溫慢拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖13 M-L2試樣900 ℃慢拉伸試驗(yàn)斷口掃描電鏡照片

圖13～16分別示出焊接試件M在900,850,800,750 ℃慢拉伸試樣的斷口掃描電鏡照片?？捎^察到各試驗(yàn)溫度下慢拉伸試樣斷口均呈現(xiàn)沿柱狀晶斷裂樣貌，沒有韌窩，屬于典型失塑性斷裂樣貌；900 ℃慢拉伸試樣斷口沿著一排排柱狀晶晶界開裂樣貌比其他溫度下斷口更明顯。慢拉伸試樣斷面收縮率也顯示隨著溫度的升高而變小，說明厚壁TP347鋼管焊接接頭在750～900 ℃溫度區(qū)間，隨著溫度升高再熱裂紋敏感性具有增大的趨勢。觀察到750～850 ℃慢拉伸試樣斷口晶粒呈冰糖狀，有些晶粒之間已經(jīng)發(fā)生分離，形成不規(guī)則的孔洞，斷口晶界均出現(xiàn)較多的析出相，說明再熱裂紋敏感性與出現(xiàn)大量的析出相有關(guān)。溫度越高，越會加速元素向晶界擴(kuò)散，導(dǎo)致晶界出現(xiàn)大量的析出相。

圖14 M-L4試樣850 ℃慢拉伸試驗(yàn)斷口掃描電鏡照片

圖15 M-L5試樣800 ℃慢拉伸試驗(yàn)斷口掃描電鏡照片

圖16 M-L7試樣750 ℃慢拉伸試驗(yàn)斷口掃描電鏡照片

從圖17～20可觀察到析出相具有不規(guī)則的樣貌和大小，選擇晶界典型析出相進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)析出相富含Si,Mn,Cr,Nb等元素，分析析出相主要為NbC和Cr23C6，再熱裂紋與晶界析出較多碳化物有關(guān)；同時(shí)，高溫加速了Si,Mn等元素向晶界擴(kuò)散，出現(xiàn)偏析，易在晶界出現(xiàn)偏析液膜，會降低晶界的結(jié)合能力和蠕變性能，為再熱裂紋的形核與擴(kuò)展提供有利條件。

圖17 M-L2試樣900 ℃慢拉伸試驗(yàn)斷口電子照片及能譜分析

圖18 M-L4試樣850 ℃慢拉伸試驗(yàn)斷口電子照片及能譜分析

圖19 M-L5試樣800 ℃慢拉伸試驗(yàn)斷口電子照片及能譜分析

圖20 M-L7試樣750 ℃慢拉伸試驗(yàn)斷口電子照片及能譜分析

3 再熱裂紋形成因素和機(jī)理分析

3.1 再熱裂紋形成因素

通過高溫恒載試驗(yàn)和高溫慢拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，再熱裂紋敏感性隨之增大，通過對試樣解剖，腐蝕后觀察斷口多位于焊縫區(qū)，側(cè)面說明焊縫區(qū)比熱影響區(qū)更易產(chǎn)生再熱裂紋。掃描電鏡下觀察斷口均是沿柱狀晶晶界脆性斷裂。厚壁TP347鋼管焊接接頭再熱裂紋產(chǎn)生的本質(zhì)原因是在一定的高溫下，由于蠕變失塑，大量空洞在晶界形核的結(jié)果。分析再熱裂紋產(chǎn)生的主要原因有以下方面。

(1)與厚壁TP347鋼管焊接接頭具有較大焊接殘余應(yīng)力有關(guān)。TP347鋼熱膨脹系數(shù)較大，故其焊后具有較高水平的殘余應(yīng)力，而且焊接殘余應(yīng)力隨著壁厚的增加而增大。處理過程中或高溫服役下，焊接接頭應(yīng)力的松弛伴隨有蠕變產(chǎn)生，晶界優(yōu)先滑動，某些有應(yīng)力集中區(qū)域的晶界塑性變形量超過了該部位的臨界塑性變形能力后，就容易引起開裂。

(2)與TP347鋼高溫下具有析出強(qiáng)化特點(diǎn)有關(guān)，熱處理過程中以及高溫服役下，NbC在晶內(nèi)和晶界都會析出。晶內(nèi)析出引起晶內(nèi)強(qiáng)化，相對會引起晶界弱化。溫度越高元素向晶界擴(kuò)散越劇烈，從而導(dǎo)致晶界出現(xiàn)過多的NbC，過多的析出相也會引起局部應(yīng)力集中。為孔洞在晶界形核提供了有利條件。

(3)高溫會促使Si，Mn，S，P等元素向晶界擴(kuò)散，易產(chǎn)生偏析，從而在晶界形成低熔點(diǎn)偏析液膜。溫度越高，處于高溫環(huán)境下的時(shí)間越長，這種偏析越明顯，在厚壁管道焊接接頭內(nèi)復(fù)雜應(yīng)力作用下越易引起開裂。

3.2 再熱裂紋形成機(jī)理

在恒載試樣M-H7上取樣，經(jīng)過打磨、拋光，使用10%草酸溶液進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，清洗、吹干后，采用掃描電鏡對焊縫區(qū)和熱影響區(qū)進(jìn)行觀察，如圖21,22所示。

可以看出，焊縫區(qū)與熱影響區(qū)組織有明顯的區(qū)別。焊縫區(qū)含有較多鐵素體枝狀晶，奧氏體晶粒呈長條狀的柱狀晶樣貌，鐵素體或鐵素體與奧氏體柱狀晶晶界分布著大量的微孔洞，放大觀察孔洞和開裂部位內(nèi)部分布有不規(guī)則塊狀的析出相(見圖22)。采用能譜分析顯示這些析出物富含Nb，應(yīng)為NbC。有些部位的微孔洞相互連接形成了裂紋的擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展方向與枝狀晶方向一致。熱影響區(qū)晶粒則呈橢圓狀形貌，明顯比焊縫區(qū)晶粒要粗大，但熱影響區(qū)并未出現(xiàn)微孔洞和裂紋，這也證明了焊縫區(qū)比熱影響區(qū)再熱裂紋敏感性要高。

圖21 M-H7焊縫和熱影響區(qū)SEM圖

圖22 M-H7焊縫微裂紋SEM圖

從斷裂高溫恒載試樣M-H7上制取金相試樣進(jìn)行觀察(見圖23)?？梢钥闯?，裂紋處存在明顯的晶界滑移現(xiàn)象，晶界滑移有助于孔洞的形成，再熱裂紋和蠕變斷裂具有相似的裂紋形態(tài)，裂紋機(jī)制也是孔洞的形成和聚集。焊縫上的裂紋沿著原始奧氏體柱狀晶的晶界延伸。

由于試驗(yàn)過程中加載的應(yīng)力與柱狀晶體的方向有一定的角度，沿柱狀晶體延伸的裂紋會交叉，柱狀晶體與其另一側(cè)的裂紋連接，形成較長的裂紋。

厚壁TP347鋼管焊接接頭在進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理過程中，較大焊接殘余應(yīng)力松馳，首先引起晶界滑移，空位形成。高溫下加速了C,Cr,Nb以及雜質(zhì)元素向空位及晶界擴(kuò)散。通過高溫慢拉伸試驗(yàn)，證實(shí)了這種擴(kuò)散隨著熱處理溫度(750～900 ℃)升高而增大，對應(yīng)再熱裂紋敏感性也隨著溫度升高而增大。說明這種再熱開裂由元素?cái)U(kuò)散，導(dǎo)致晶界大量析出物M(C,N)和M23C6聚集長大，引起局部應(yīng)力集中。當(dāng)該區(qū)域的晶界塑性變形量超過臨界塑性變形能力后，就形成了微孔洞，大量孔洞合并導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。

圖23 試樣M-H7斷裂后的金相照片

3.3 厚壁TP347鋼管接頭再熱裂紋控制措施探討

隨著國內(nèi)加氫系列裝置的大型化，用于裝置高溫高壓部位的TP347管道壁厚也越來越大，再熱裂紋產(chǎn)生機(jī)率也越來越高。當(dāng)厚壁TP347鋼管接頭焊后穩(wěn)定化熱處理時(shí)，在高溫和焊接殘余應(yīng)力作用下，NbC析出，晶界發(fā)生位錯，減少了材料能承受的蠕變量，而現(xiàn)場熱處理通常都是進(jìn)行局部加熱和冷卻，焊接接頭在高溫下承受較高的拉應(yīng)力，加速了蠕變。當(dāng)蠕變釋放的焊接應(yīng)力傳遞到晶界，造成晶粒間不連續(xù)，導(dǎo)致再熱裂紋產(chǎn)生，因此再熱裂紋與應(yīng)力釋放有關(guān)。當(dāng)壁厚較薄時(shí)，焊接應(yīng)力相對較小，熱處理過程中應(yīng)力很快得到消除，因此不易產(chǎn)生再熱裂紋；但對于厚壁材料，具有較大的焊接殘余應(yīng)力，加之現(xiàn)場熱處理時(shí)可能內(nèi)外壁存在較大溫差，熱應(yīng)力相對也較大，極易產(chǎn)生再熱裂紋。

TP347鋼焊后是否必須進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒有強(qiáng)制性要求，但為了提高TP347不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕，設(shè)計(jì)時(shí)更傾向于焊后進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理。近年來，隨著管道壁厚的增加，為了防止厚壁TP347鋼管焊接接頭產(chǎn)生再熱裂紋，國內(nèi)修訂多個(gè)加氫裝置的技術(shù)條件，規(guī)定當(dāng)TP347/TP347H管道操作溫度≤450 ℃時(shí)，可不進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理。目前，這些裝置運(yùn)行情況一直比較平穩(wěn)。

在工程施工中，為了防止厚壁TP347鋼管焊接接頭產(chǎn)生再熱裂紋，應(yīng)制定預(yù)防措施，主要有以下方面：

(1)嚴(yán)格控制母材和焊材中S,P含量，要求母材晶粒度達(dá)到5級以上；

(2)施工過程中應(yīng)加強(qiáng)過程管理，避免剛性組對，焊接層道間的填充應(yīng)均勻，厚度盡量不超過焊芯直徑，以獲得較低焊接殘余應(yīng)力的焊接接頭；

(3)盡量采用較小熱輸入進(jìn)行焊接，嚴(yán)格控制層道間溫度，防止熔池過熱；

(4)盡量采用自動焊等人為干擾因素少的焊接方法，便于控制焊接工藝參數(shù)；

(5)對于超壁厚管道，可調(diào)整熱處理的時(shí)機(jī)，當(dāng)焊接接頭的焊接厚度未超過30 mm時(shí)，先進(jìn)行熱處理，全部焊完后不再進(jìn)行熱處理。

4 結(jié)論

(1)高溫恒載試驗(yàn)結(jié)果表明，厚壁TP347鋼管焊接接頭在900 ℃時(shí)的臨界斷裂應(yīng)力為24 MPa，該應(yīng)力值遠(yuǎn)低于母材高溫屈服強(qiáng)度的80%，表明在900 ℃下進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理時(shí)容易產(chǎn)生再熱裂紋。

(2)高溫慢拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，厚壁TP347鋼管焊接接頭在750～800 ℃溫度區(qū)間稍微具有再熱裂紋敏感性；850～900 ℃溫度區(qū)間具有較高再熱裂紋敏感性，隨著溫度升高再熱裂紋敏感性隨之增大。

(3)厚壁TP347鋼管焊接接頭具有較高再熱裂紋敏感性，這是因?yàn)楦邷丶铀倭薈r,Nb以及雜質(zhì)元素向晶界擴(kuò)散，晶界聚集析出大量的碳化物(MC和M23C6)以及低熔點(diǎn)共晶相，降低了晶界的塑性，高溫環(huán)境下，殘余應(yīng)力引起晶界出現(xiàn)滑移，產(chǎn)生孔洞，孔洞合并導(dǎo)致了裂紋擴(kuò)展。