張國(guó)信,馬 偉

(1．中石化廣州工程有限公司,廣東 廣州510620;2．中科(廣東)煉化有限公司,廣東 湛江524076)

奧氏體不銹鋼是具有面心立方(FCC)單相組織、以FeGCrGNi作為基本元素的一種材料,按照奧氏體的穩(wěn)定性,可分為穩(wěn)定型和亞穩(wěn)定型.0Cr18Ni10Ti(321型)、0Cr18Ni11Nb(347型)是穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼,在石化行業(yè)多應(yīng)用于含氫(H)的高溫、高壓厚壁管道,具有較好的耐晶間腐蝕、耐連多硫酸(PTA SCC)腐蝕能力,以及較高熱變形抗力和熱強(qiáng)性,且焊接性良好.347型材料焊后通常采用850~920℃穩(wěn)定化熱處理制度,其作用一是消除焊接接頭的殘余應(yīng)力,二是穩(wěn)定化元素鈮(Nb)在此過(guò)程中可形成穩(wěn)定的碳化物相碳化鈮(NbC),從而降低材料的晶間腐蝕傾向和提高材料的熱強(qiáng)性.根據(jù)材料特性,原則上347型不銹鋼焊后應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理.但在具體制造和使用過(guò)程中,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)技術(shù)研究,進(jìn)行或不進(jìn)行焊后熱處理,均有較多成功制造和使用的經(jīng)驗(yàn).而347型管道焊接接頭不管是否進(jìn)行焊后熱處理,均出現(xiàn)了焊縫的開(kāi)裂問(wèn)題,這些問(wèn)題也發(fā)生在小直徑、薄壁加熱爐工藝管道中.本文并不針對(duì)某個(gè)損傷案例進(jìn)行分析,而是從奧氏體材料在制造和使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的熱裂紋和晶間腐蝕問(wèn)題以及如何控制等方面進(jìn)行分析和探討.

1 奧氏體不銹鋼在焊接和使用過(guò)程中存在的損傷

1．1 晶間腐蝕

奧氏體不銹鋼在焊接和使用過(guò)程中與特定介質(zhì)接觸就會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕問(wèn)題.焊接接頭的晶間腐蝕包括焊縫的晶間腐蝕和熱影響區(qū)的晶間腐蝕.焊縫的晶間腐蝕有兩種情況:一是焊態(tài)下產(chǎn)生晶間腐蝕,二是焊后焊縫經(jīng)敏化溫度區(qū)重復(fù)加熱后產(chǎn)生的晶間腐蝕.焊縫產(chǎn)生晶間腐蝕的冶金因素是焊接過(guò)程中焊縫的合金元素發(fā)生了變化,其中主要是滲碳(C)和鉻(Cr)的燒損,以及雜質(zhì)元素的偏析;其次是過(guò)大的焊接線(xiàn)能量引起的粗晶所致;另外,多層多道焊時(shí),后一道焊縫對(duì)前一道焊縫的“敏化處理”,也可能產(chǎn)生晶間腐蝕.熱影響區(qū)(HAZ)的晶間腐蝕是在焊接熱循環(huán)作用下,近焊縫區(qū)經(jīng)歷了相當(dāng)于敏化溫度熱處理區(qū)域產(chǎn)生的晶間腐蝕,對(duì)18CrG8Ni奧氏體不銹鋼相當(dāng)于經(jīng)歷了450~850℃的敏化問(wèn)題.

對(duì)于347型材料,焊接過(guò)程可能產(chǎn)生的熱影響區(qū)的晶間腐蝕敏化區(qū)在材料使用過(guò)程中會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生沿熔合區(qū)母材側(cè)、寬度1~3 mm的集中腐蝕問(wèn)題,這種腐蝕稱(chēng)為“刀狀腐蝕”.這種腐蝕的產(chǎn)生是由于在焊接熱循環(huán)作用下,峰值溫度超過(guò)1 000℃的過(guò)熱區(qū)發(fā)生了碳化物分解和重溶過(guò)程,而在冷卻過(guò)程中,富Cr的碳化物析出的速度比碳化物NbC快;另外C向晶界擴(kuò)散聚集,并在隨后的敏化溫度區(qū)間形成很窄的Cr碳化物區(qū)域,而離熔合區(qū)較遠(yuǎn)處,碳化物NbC并不溶解.因此,“刀狀腐蝕”是晶間腐蝕的一種形式.

1．2 焊接接頭熱裂紋

奧氏體不銹鋼焊接接頭的熱裂紋包括凝固(結(jié)晶)裂紋、再熱裂紋、高溫失塑裂紋、液化裂紋等.對(duì)于穩(wěn)定型347型不銹鋼材料,在焊接和使用過(guò)程中,上述四種裂紋均表現(xiàn)比較敏感.下面就這四種裂紋的開(kāi)裂機(jī)理進(jìn)行分析.

1．2．1 凝固(結(jié)晶)裂紋

凝固裂紋是在焊縫凝固過(guò)程結(jié)晶后期產(chǎn)生的,它使焊縫在結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生較大的收縮變形和拉伸應(yīng)力.凝固裂紋形成的另一個(gè)原因是焊縫金屬中某些容易形成低熔點(diǎn)共晶的元素,例如硫(S)、磷(P)、硼(B)、硅(Si)等,在奧氏體基體中的溶解度很低,容易在粗大的方向性很強(qiáng)的柱狀晶、樹(shù)枝狀晶體之間偏析而形成低熔點(diǎn)共晶液態(tài)薄膜.凝固裂紋的形成主要取決于成分,與焊接過(guò)程中奧氏體(A)、鐵素體(F)的結(jié)晶形式有關(guān),焊縫金屬如果以?shī)W氏體、奧氏體G鐵素體(AF)模式凝固以及較高的P和S含量促進(jìn)了凝固模式為全奧氏體組織的情況,則具有較強(qiáng)的開(kāi)裂敏感性;如果以鐵素體G奧氏體組織(FA)形式凝固,則具有較低的開(kāi)裂敏感性.另外,焊接時(shí)高的拘束條件、較高的焊接線(xiàn)能量、凹陷的焊道形狀等也會(huì)促進(jìn)凝固裂紋的產(chǎn)生.

上世紀(jì)80年代,suutala聯(lián)合其他學(xué)者開(kāi)發(fā)了基于奧氏體不銹鋼成分預(yù)測(cè)凝固裂紋敏感性的Suutala圖【1】(見(jiàn)圖1).該圖依據(jù)奧氏體材料的Cr當(dāng)量(Creq)、鎳(Ni)當(dāng)量(Nieq)以及P＋S含量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)奧氏體材料焊縫金屬中凝固裂紋產(chǎn)生的敏感性.從圖1可以看出:當(dāng)Creq/Nieq增加到某一臨界值后,不管P＋S含量有多少,抗裂性能均大幅提高.大幅提高的原因是由于凝固初期析出相由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體所致.另外,從圖1中還可看出:在P＋S含量極低的情況下,材料也具有較好的抗裂性.但這種情況目前在工程上還難以實(shí)現(xiàn),因此,控制凝固裂紋的有效辦法是控制凝固模式.

根據(jù)WRCG1992組織圖(見(jiàn)圖2)也可預(yù)測(cè)奧氏體不銹鋼的凝固模式.從圖2可以看出:凝固模式從A—AF—FA變化,鐵素體數(shù)(FN)也在相應(yīng)范圍內(nèi)變化.如果采用FN＝10的焊接材料焊接全奧氏體母材,考慮合金元素稀釋率等其他因素,在低焊接線(xiàn)能量下,凝固模式將會(huì)是FA,焊縫中的FN大約為6,這種焊縫將具有較好的抗裂性.

圖1 焊縫金屬成分預(yù)測(cè)凝固裂紋敏感性

圖2 WRCG1992根據(jù)相成分預(yù)測(cè)凝固模式和鐵素體數(shù)

焊縫凝固裂紋的特點(diǎn)是完全的枝狀晶斷口形貌,沿焊縫金屬或熱影響區(qū)的奧氏體晶界擴(kuò)展,在使用過(guò)程中,由于應(yīng)力的釋放和其他作用可能會(huì)擴(kuò)展開(kāi)裂.綜合研究表明,焊縫和熱影響區(qū)的凝固裂紋和鐵素體含量、初始析出相的凝固組織(AF或FA)、冷卻速度三個(gè)因素關(guān)系重大.

1．2．2 再熱裂紋(消除應(yīng)力裂紋)

奧氏體不銹鋼中的再熱裂紋主要發(fā)生在H型以及含穩(wěn)定化元素的材料中,在標(biāo)準(zhǔn)型奧氏體不銹鋼中是不常見(jiàn)的.調(diào)查顯示:常用奧氏體不銹鋼再熱裂紋的敏感性大小為347型＞321型＞304型【2】,316型基本無(wú)再熱裂紋傾向.

奧氏體不銹鋼再熱裂紋的產(chǎn)生與晶內(nèi)析出物有關(guān).這種晶內(nèi)的析出強(qiáng)化了晶粒內(nèi)部,而把松弛殘留的焊接應(yīng)力和整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)力所需的應(yīng)變轉(zhuǎn)移到晶界,降低了蠕變延性,導(dǎo)致晶界破壞.再熱裂紋可能發(fā)生在焊縫的熱處理期間,也可能發(fā)生在材料的使用階段,二者的機(jī)理基本相同,但開(kāi)裂溫度區(qū)間有所不同,如347型材料在焊縫熱處理期間產(chǎn)生再熱裂紋的溫度區(qū)間為700~1 050℃,而這個(gè)溫度區(qū)間正好是NbC析出的溫度范圍(見(jiàn)圖3)【3】.圖3是根據(jù)Gleeble熱G力模擬試驗(yàn)機(jī)上得到的數(shù)據(jù)繪出的,顯示再熱裂紋形成一個(gè)C曲線(xiàn)形溫度與時(shí)間的關(guān)系.該圖為將焊縫金屬試樣加熱到各種焊后熱處理溫度、然后加載到75%~100%高溫屈服強(qiáng)度(YS)的應(yīng)力值并保持試驗(yàn)載荷直至斷裂而得到的一個(gè)“C形”的裂紋相應(yīng)曲線(xiàn).在這個(gè)溫度區(qū)間進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理正好和強(qiáng)化機(jī)理作用的溫度相重合,因此就有可能產(chǎn)生再熱裂紋.而在使用期間,在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力釋放的情況下,再熱裂紋發(fā)生的溫度為500~700℃,同時(shí)還伴隨碳化物析出.再熱裂紋開(kāi)裂形式大多表現(xiàn)為穿晶開(kāi)裂,也有沿晶界開(kāi)裂的情況發(fā)生.

圖3 347型不銹鋼焊縫金屬再熱裂紋敏感性

1．2．3 高溫失塑裂紋(或稱(chēng)為失延裂紋,簡(jiǎn)稱(chēng)DDC)

奧氏體不銹鋼的高溫失塑裂紋發(fā)生在材料加熱時(shí)1/2熔點(diǎn)處,為高溫塑性突然下降所致(見(jiàn)圖4)【3】.其溫度范圍相當(dāng)于再結(jié)晶溫度區(qū),因此,焊縫和熱影響區(qū)高溫低塑性裂紋產(chǎn)生的溫度比液化裂紋更低.奧氏體不銹鋼在低于固相線(xiàn)溫度以下的加熱過(guò)程和冷卻過(guò)程,其塑性變化是不同的.在加熱過(guò)程中,隨溫度升高,塑性略有增加,在溫度達(dá)到約1/2熔點(diǎn)時(shí)塑性開(kāi)始降低;在冷卻過(guò)程中,塑性開(kāi)始恢復(fù),當(dāng)溫度降至500~700℃時(shí)已接近原來(lái)加熱時(shí)的水平.因此,在材料塑性降低時(shí)如果存在較大的收縮應(yīng)變,就會(huì)引起高溫失塑裂紋.通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),穩(wěn)定型347型奧氏體不銹鋼具有較高的DDC裂紋傾向.

圖4 奧氏體不銹鋼高溫凝固時(shí)的脆性溫度區(qū)

在347型不銹鋼的焊縫和熱影響區(qū)可觀(guān)察到DDC的存在.焊縫和HAZ的晶粒粗大還與高拘束度有關(guān).開(kāi)裂通常沿微觀(guān)組織中的遷移晶界延伸,不顯示枝狀晶裂紋.目前,對(duì)DDC的開(kāi)裂機(jī)理并不完全清楚,但在奧氏體焊縫中存在鐵素體可以形成凹凸不平的晶界,使DCC萌生和裂紋擴(kuò)展的阻力增大,可有效降低產(chǎn)生DDC的風(fēng)險(xiǎn).

1．2．4 液化裂紋

1)焊縫金屬的液化裂紋

焊縫金屬的液化裂紋是多道焊焊縫中沿凝固晶界或遷移晶界發(fā)生的,其原因是先焊的焊道中鐵素體含量少或無(wú)鐵素體而存在低熔點(diǎn)共晶薄膜,在隨后焊道的熱影響下發(fā)生開(kāi)裂,也就是說(shuō),全奧氏體焊縫對(duì)液化裂紋是敏感的.液化裂紋通常埋藏在焊縫內(nèi)部且尺寸比較小,因此難以通過(guò)無(wú)損檢測(cè)的手段檢測(cè),除非發(fā)生焊縫表面開(kāi)裂而通過(guò)滲透檢測(cè)(PT)發(fā)現(xiàn).另外,這種裂紋在焊縫熱處理后沿熔合線(xiàn)排列,常常會(huì)被誤認(rèn)為是再熱裂紋.

2)熱影響區(qū)液化裂紋

奧氏體不銹鋼HAZ的液化裂紋是由于在鄰近熔合線(xiàn)的部分熔合區(qū)內(nèi),沿其晶粒邊界形成了液態(tài)薄膜而產(chǎn)生的.這種液化可以是由于高溫時(shí)在晶粒邊界偏析的雜質(zhì)(如S、P)形成比基體熔點(diǎn)低的共晶薄膜,或者由于NbC(347型不銹鋼)、碳化鈦(TiC,321型不銹鋼)成分液化而產(chǎn)生的.對(duì)于液化裂紋,S比P更有害.

3)控制焊縫金屬和熱影響區(qū)金屬的液化裂紋最有效的辦法是調(diào)整熔敷金屬的化學(xué)成分,使其產(chǎn)生合適的鐵素體組織.研究表明,347型和321型奧氏體不銹鋼焊后熱處理后的鐵素體數(shù)FN≥6.減少焊接熱輸入量在焊縫周?chē)臒嵊绊憛^(qū)形成很陡的溫度梯度、每道焊縫盡量形成FA凝固模式、降低雜質(zhì)元素(如S、P)含量,均可降低產(chǎn)生液化裂紋的敏感性.另外,焊縫和熱影響區(qū)的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)以及適當(dāng)提高錳(Mn)含量也有利于增進(jìn)抗裂性.

1．3 σ相析出

奧氏體不銹鋼中的σ相是由鐵(Fe)和Cr組成的金屬間化合物,形成溫度為500~900℃,其析出主要有三個(gè)途徑,一是直接產(chǎn)生于δ鐵素體相,二是可能為γ奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊F素體,三是奧氏體直接產(chǎn)生.存在鐵素體的奧氏體不銹鋼母材和焊縫金屬有利于σ相的形成,因?yàn)楦籆r的鐵素體有利于Cr的擴(kuò)散.σ相多半分布在晶界處,這不但降低了材料的塑性和韌性,而且增大了晶間腐蝕的傾向.對(duì)于321型和347型奧氏體不銹鋼,加熱到700℃以上時(shí),σ相可重新分解重溶.

2 焊接接頭熱裂紋的預(yù)防

2．1 焊縫化學(xué)成分與組織控制

奧氏體不銹鋼焊接材料選擇應(yīng)遵循等強(qiáng)度,相近的化學(xué)成分、組織性能和耐蝕性的原則,關(guān)鍵要考慮所采用的焊接方法對(duì)合金元素實(shí)際過(guò)渡系數(shù)、與母材熔合比對(duì)焊縫金屬的化學(xué)成分的影響.

1)焊縫金屬化學(xué)成分控制及估算

對(duì)于熔焊來(lái)說(shuō),焊縫金屬是由填充材料和熔化了的母材兩部分組成的.母材在焊縫金屬中所占的百分比稱(chēng)為熔合比.以焊絲作為填充金屬的氣體保護(hù)焊,其焊縫金屬中某一元素的合金含量[主要是指Cr、Ni、Mo、鉬(Nb)等合金元素]可按式(1)計(jì)算.焊縫金屬中某一元素的含量可用下式表示:

式中:Cw——某合金元素在焊縫中的合金含量,(w,%);

b——熔合比;

Cb——某合金元素在母材中的合金含量,(w,%);

Cf——某合金元素在焊材中的合金含量,(w,%);

η——合金元素的過(guò)渡系數(shù).

如果采用焊條手工電弧焊、埋弧焊或藥芯焊絲焊接,還要考慮藥皮、焊劑或藥芯滲合金的情況,其合金元素的過(guò)渡系數(shù)是不一樣的.

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊縫金屬中的合金元素成分,對(duì)于奧氏體不銹鋼中焊縫組織和性能與成分關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)的材料尤為必要,另外對(duì)焊接材料的選擇、焊縫組織的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)也具有較好的作用.

2)焊縫金屬的組織預(yù)測(cè)

根據(jù)焊縫組織的化學(xué)成分,可應(yīng)用 WRCG 1998(或 WRC 519【4】)組織圖、采用計(jì)算法或作圖法預(yù)測(cè)焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu).對(duì)于347型不銹鋼,其焊態(tài)和熱處理后應(yīng)有一定量的鐵素體存在.鐵素體的作用主要有以下幾個(gè)方面:

a)鐵素體組織對(duì)P、S等雜質(zhì)元素有較高的溶解性.這些對(duì)熱裂紋有不利影響的P、S雜質(zhì)可在鐵素體晶內(nèi)被優(yōu)先沉積,如果配合FA凝固作用,可以很好地改善焊縫金屬特別是熱影響區(qū)的抗裂性.

b)含有鐵素體的焊縫金屬有一個(gè)較窄的凝固溫度區(qū)間,這個(gè)溫度區(qū)間可保證在凝固終了階段同時(shí)出現(xiàn)鐵素體和奧氏體,產(chǎn)生凹凸不平的鐵素體G奧氏體晶界,從而改變晶界浸潤(rùn)性質(zhì).一旦起裂,裂紋很難在這個(gè)凹凸不平的晶界擴(kuò)展.

c)與奧氏體相相比,鐵素體相較低的熱脹系數(shù)降低了焊縫在凝固(結(jié)晶)和冷卻時(shí)的收縮應(yīng)力.

d)具有全奧氏體相的焊縫容易產(chǎn)生合金和雜質(zhì)元素偏析,形成液態(tài)薄膜;而對(duì)于同時(shí)具有鐵素體和奧氏體的雙相組織,在焊縫結(jié)晶溫度區(qū)由于二者界面能的差異,可以阻止“液態(tài)薄膜”的產(chǎn)生.

3)預(yù)防熱裂紋的產(chǎn)生還可通過(guò)細(xì)化晶粒、打亂奧氏體枝狀晶方向的方式,使低熔點(diǎn)物質(zhì)不至于析集在少數(shù)奧氏體晶界處,而是成為不連續(xù)的分散狀態(tài).焊縫金屬的晶粒度應(yīng)達(dá)到5~6級(jí)或以上.

4)奧氏體不銹鋼焊縫金屬晶間腐蝕敏感溫度范圍可參考 NACE SP0170【5】,如321型、347型不銹鋼的敏感溫度區(qū)間為400~815℃,但根據(jù)焊縫中的實(shí)際C含量的不同,該溫度范圍還需要有所調(diào)整.相關(guān)研究顯示,Cr23C6型碳化物最高析出溫度與C含量的關(guān)系可參見(jiàn)圖5【6】,也可參照合金材料的TTC曲線(xiàn)具體確定該碳化物的析出溫度.因此,在制定焊后熱處理的溫度及冷卻方式時(shí)要綜合考慮.

圖5 不同C含量的18G8鋼中Cr23 C6析出時(shí)間G溫度的關(guān)系

5)P、S及其他元素的控制

盡可能降低焊縫金屬中的P、S含量,當(dāng)Si/C≤5時(shí),控制 P≤0．015%(w,%)、S≤0．010%(w,%).另外,適當(dāng)提高焊縫金屬中的C、Mn含量、保證Nb≈10C等措施對(duì)防止焊縫金屬的熱裂紋也是有利的.

2．2 焊后熱處理

對(duì)于存在焊接熱裂傾向的奧氏體不銹鋼,焊后原則上應(yīng)進(jìn)行熱處理.熱處理的方式有三種,即固溶處理、穩(wěn)定化熱處理和消除應(yīng)力熱處理.通常亞穩(wěn)定型不銹鋼需要采用固溶處理(如304型、316型等),穩(wěn)定型不銹鋼采用穩(wěn)定化熱處理.對(duì)采用550~650℃這一溫度范圍進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理,業(yè)界有不同的看法,因?yàn)檫@個(gè)溫度范圍可能處于某些奧氏體不銹鋼的敏化范圍.對(duì)于厚壁不銹鋼管道,消除應(yīng)力熱處理雖然可使峰值應(yīng)力降低40%左右,但平均應(yīng)力只能降低5%~15%,一旦熱處理工藝掌握不好,極易造成焊接接頭的敏化.

目前,國(guó)內(nèi)在厚壁347型管道(或者采用347型焊材焊接的321管道)焊后熱處理問(wèn)題上有不同的意見(jiàn),相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也未作強(qiáng)制規(guī)定,大多壁厚超過(guò)40 mm的347型焊接接頭要求進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理.筆者個(gè)人認(rèn)為:首先,對(duì)于采用和不采用熱處理的不同情況,對(duì)鐵素體含量要作出區(qū)別規(guī)定,如果不進(jìn)行焊后熱處理,焊縫金屬和熱影響區(qū)的鐵素體數(shù)可控制在2≤FN≤5;如果進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理,鐵素體數(shù)應(yīng)控制在5≤FN≤10,以保證焊接接頭的抗裂性.其次,穩(wěn)定化熱處理的溫度不宜超過(guò)900℃、時(shí)間不宜超過(guò)2 h.這主要是考慮到650~900℃是347型不銹鋼σ相的析出溫度,若超過(guò)900℃,則存在鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)化的可能性;而在900℃時(shí)的保溫時(shí)間不宜超過(guò)2 h,則是因?yàn)閼?yīng)力的消除主要取決于溫度而非時(shí)間.另外,焊后熱處理的冷卻方式、空冷溫度等細(xì)節(jié)也需注意.

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)奧氏體不銹鋼的常見(jiàn)開(kāi)裂問(wèn)題原因以及主要防止措施進(jìn)行了探討.由于開(kāi)裂也許是幾種熱裂紋共同作用所致,因此,具體的開(kāi)裂情況需要根據(jù)當(dāng)時(shí)的焊接工藝、熱處理?xiàng)l件等因素綜合考慮,才能找出合理的開(kāi)裂原因.另外,除本文提到的相關(guān)控制方法外,還需考慮焊接方法(如手工電弧焊、埋弧焊、藥芯焊絲焊接等)、焊接材料選擇、焊接工藝等因素對(duì)開(kāi)裂的影響,綜合制定出有效的、有針對(duì)性的措施,保證焊接接頭的綜合性能及抗裂性要求.