趙 強(qiáng) 肖維寶 王大強(qiáng) 孫章豪 熊續(xù)平

(1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心工程技術(shù)所,北京 100161；2.華東瑯琊山抽水蓄能有限責(zé)任公司,安徽 滁州 239000)

304不銹鋼法蘭焊接裂紋分析及返修

趙 強(qiáng)1肖維寶2王大強(qiáng)2孫章豪2熊續(xù)平2

(1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心工程技術(shù)所,北京 100161；2.華東瑯琊山抽水蓄能有限責(zé)任公司,安徽 滁州 239000)

對檢修過程中發(fā)現(xiàn)的304不銹鋼焊縫裂紋及母材本體裂紋進(jìn)行分析，焊縫存在較多的焊渣，以及根部未焊透是焊縫開裂的原因。母材的金相分析表明，304不銹鋼晶界存在碳化物聚集，容易發(fā)生晶間腐蝕，引起母材開裂，焊接過程中，多層多道焊也容易使得熱影響區(qū)晶間腐蝕加劇，引起母材開裂。304不銹鋼鍛造法蘭的制造過程中應(yīng)避免在敏化溫度停留時(shí)間過長，固溶處理時(shí)應(yīng)采取快冷的方式避免晶間腐蝕。焊接返修過程中，通過嚴(yán)格控制焊接層間溫度，采用快速小熱輸入的工藝參數(shù)使得返修后的304不銹鋼焊接質(zhì)量檢驗(yàn)合格。

304不銹鋼 焊縫 裂紋 晶間腐蝕

0 序 言

304不銹鋼是一種通用型奧氏體不銹鋼，對應(yīng)國內(nèi)的牌號(hào)06Cr19Ni10。304不銹鋼室溫下可為單相奧氏體組織，具有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度較低，但是塑韌性、耐蝕性優(yōu)良，冷加工性能好，無磁性等特點(diǎn)。由于材料本身含碳量不高，所以焊接性良好，適用于制作現(xiàn)場安裝的工件。304不銹鋼在固溶處理過程中應(yīng)采取快冷工藝，避開敏化溫度，防止發(fā)生晶間腐蝕。

304不銹鋼具有良好的焊接性能，但由于其導(dǎo)熱系數(shù)小，電阻率大，焊接過程中必須嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，避免熱輸入量太大，使得焊縫過熱[1]。嚴(yán)格控制層間溫度。焊后要快速冷卻，避免焊縫在危險(xiǎn)敏化區(qū)停留時(shí)間過長。而且焊接電弧為短弧，焊條盡量不要擺動(dòng)，防止合金元素不必要的燒損。

1 問題描述

某抽水蓄能電站的調(diào)相壓水管道的尾水管的法蘭連接形式如圖1所示，尾水錐管本體開孔焊接法蘭，法蘭同閥門通過螺栓連接。尾水錐管和法蘭的材質(zhì)均為304不銹鋼，焊縫處開K形坡口，設(shè)計(jì)為滿焊。

在某次檢修過程中發(fā)現(xiàn)，對尾水錐管焊縫進(jìn)行滲透檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)尾水錐管內(nèi)側(cè)焊縫有裂紋，如圖2所示。對焊縫進(jìn)行打磨后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有較多焊渣沒有清理，如圖3所示。未焊接部分深約15 mm，尾水管內(nèi)焊接部位深約為10 mm，尾水管外焊接部分約為15 mm。

圖1 尾水錐管與法蘭連接結(jié)構(gòu)圖

圖2 尾水錐管側(cè)焊接裂紋

圖3 尾水錐管同法蘭焊縫形貌

針對該機(jī)組檢修發(fā)現(xiàn)的問題，對其他機(jī)組進(jìn)行了擴(kuò)大檢查，排空尾水錐管內(nèi)側(cè)焊縫進(jìn)行滲透檢測，法蘭和尾水錐管焊接處有裂紋基本是共性問題，此外，法蘭本體也存在肉眼可見的裂紋，如圖4所示。

圖4 法蘭本體上的肉眼可見裂紋

初步的處理方法為更換法蘭，將焊縫全部打磨后重新焊接，焊接方法為氬弧焊，焊接過程中為了保證檢修進(jìn)度，未嚴(yán)格控制層間溫度。焊接完成后發(fā)現(xiàn)法蘭本體裂紋有加大向貫穿性發(fā)展的趨勢，如圖5所示。

圖5 焊接返修后法蘭本體裂紋

2 原因分析

2.1焊縫裂紋分析

現(xiàn)場對法蘭、尾水錐管進(jìn)行了光譜檢驗(yàn)，化學(xué)成分均符合304不銹鋼的成分要求。

法蘭與尾水管間焊接處存在焊縫裂紋主要是由于焊接過程中根部存在未焊透。焊接過程中如果采用焊條電弧焊，層道之間未清渣，造成焊縫中存在大量的夾渣。檢修過程中發(fā)現(xiàn)的焊縫缺陷正是引起焊縫裂紋的原因，尤其是根部未焊透，此類缺陷為危害性缺陷，在運(yùn)行過程中會(huì)從未焊透部位產(chǎn)生裂紋，從而引起開裂。

2.2法蘭本體裂紋分析

現(xiàn)場對法蘭本體和尾水錐管進(jìn)行金相檢查，由于尾水錐管內(nèi)側(cè)濕度較大，金相照片中存在較多由于水汽造成的黑點(diǎn)，但可以看到尾水錐管的組織是典型的奧氏體晶粒，晶粒相對較小，晶界清晰且無明顯的碳化物聚集，如圖6所示。

圖6 錐管母材顯微組織

同尾水錐管的晶粒相比較，法蘭本體的晶粒相對較為細(xì)小，組織中的碳化物向晶界發(fā)生明顯聚集，已發(fā)生晶間腐蝕，如圖7所示。

圖7 法蘭本體顯微組織

法蘭本體的組織晶界析出碳化物嚴(yán)重，可見已經(jīng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的晶間腐蝕，法蘭本體晶界的強(qiáng)度大大減低。奧氏體不銹鋼的一種較為常見的破壞方式為晶間腐蝕，晶間腐蝕由表面沿晶界深入到內(nèi)部，使材料的強(qiáng)度急劇下降，稍受外力即沿晶界斷裂，而表面卻仍然光亮完好[2]。由于室溫時(shí)碳在奧氏體中的溶

解度只有0.02%[3]，304不銹鋼中的鉻含量遠(yuǎn)大于0.02%，經(jīng)過固溶處理后，奧氏體中過飽和的碳就會(huì)與晶界邊緣的鉻結(jié)合形成Cr23C6，并優(yōu)先沿晶粒晶界沉淀析出，從而使晶界附近的鉻大量減少，從而使晶界附近的鉻大量減少[4-5]，當(dāng)該區(qū)域鉻含量降低到有效含量(Cr%=12.5%)以下時(shí)，就形成了貧鉻區(qū)，造成晶間腐蝕。

產(chǎn)生晶間腐蝕的溫度是在450～850 ℃之間，該溫度區(qū)間為產(chǎn)生晶間腐蝕的敏化溫度區(qū)，其中，尤以650 ℃最為危險(xiǎn)。法蘭產(chǎn)生晶間腐蝕的原因很可能是在固溶處理的過程中在敏化溫度區(qū)間停留過長。

2.3返修裂紋分析

焊接接頭在冷卻過程中，焊接接頭的晶間腐蝕在離焊縫邊沿1.5～3 mm之外的母材金屬上，熱循環(huán)峰值溫度為600～1 000 ℃的熱影響區(qū)。有的也發(fā)生在焊縫上，焊縫的晶間腐蝕通常指出現(xiàn)在多層多道焊的情況，前一道焊縫受到后一道焊縫的熱影響而處于敏化的區(qū)間。晶界上容易析出Cr的碳化物，形成貧Cr的晶粒邊界，易產(chǎn)生晶間腐蝕[6]。奧氏體不銹鋼在焊接時(shí)，隨著焊接能量的增加，焊縫晶粒粗大化，晶界貧Cr層也增加，晶間腐蝕速度將加快[7]。焊接時(shí)可以通過提高焊接速度的方法來增大電流，以維持較低熱輸入，從而降低晶間腐蝕的傾向，也可以對焊接后的不銹鋼進(jìn)行固溶處理和穩(wěn)定化處理來降低焊接件晶間腐蝕敏感性[8]。

焊縫開裂是由于在焊接過程中層間溫度未嚴(yán)格控制使得焊縫發(fā)生晶間腐蝕。

在尾水錐管和法蘭焊接返修過程中，由于未控制層間溫度，焊縫和熱影響區(qū)在敏化溫度區(qū)間停留的時(shí)間過長，可能導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)發(fā)生晶間腐蝕，強(qiáng)度較低。焊縫一側(cè)的尾水錐管母材晶粒度相對較為粗大，但晶界并未析出碳化物，不存在晶間腐蝕的傾向，即焊接返修并未使組織正常的尾水錐管側(cè)的熱影響區(qū)發(fā)生晶間腐蝕。

由于法蘭本體存在較為嚴(yán)重的晶間腐蝕傾向，焊接過程中加劇了法蘭一側(cè)熱影響區(qū)的晶間腐蝕傾向，使得法蘭發(fā)生晶間腐蝕，從而法蘭開裂，也有可能是焊縫發(fā)生開裂，延伸至法蘭本體。

3 解決方案

3.1法蘭替換

為了避免法蘭制造過程中出現(xiàn)晶間腐蝕，對于鍛造法蘭的制造過程進(jìn)行了限定，要求終鍛溫度不低于850 ℃，鍛造的平臺(tái)和砧面要進(jìn)行預(yù)熱。鍛造加熱過程中應(yīng)采取措施避免滲碳，避免火焰直接噴射到毛坯上，使鋼增碳或使晶界貧鉻，增加晶間腐蝕的敏感性。鍛造后的冷卻應(yīng)進(jìn)行快冷，尤其是在敏化溫度附近。鍛造后的固溶處理溫度應(yīng)為1 000～1 150 ℃，為防止晶粒過分長大，固溶處理溫度不宜過高，保溫時(shí)間不宜過長，固溶處理后應(yīng)采取快冷措施。

3.2焊接返修

焊接返修時(shí)采用焊條電弧焊，焊接時(shí)為了避免焊接接頭在敏化溫度停留，采用小電流、快速焊限制熱輸入量，控制一次成型的焊縫寬度。嚴(yán)格控制層間溫度不超過150 ℃，為了控制層間溫度，如果有條件可以采取焊縫背后通水的方法強(qiáng)制降低焊接接頭的溫度，層道之間用機(jī)械方法清除焊渣。為了保證焊接質(zhì)量，中間進(jìn)行一些滲透檢測，全部焊滿后24 h無損檢測合格，如圖8所示。

圖8 返修后形貌

4 結(jié) 論

(1)對比尾水錐管和法蘭可以發(fā)現(xiàn)，法蘭金相組織中晶界存在較為明顯的碳化物聚集，存在較為明顯的晶間腐蝕傾向。

(2)尾水錐管和法蘭的焊縫存在未焊透是焊縫開裂的主要原因，焊接返修過程中如果工藝控制不當(dāng)容易引起焊縫的開裂，且容易引起本身存在晶間腐蝕的熱影響區(qū)發(fā)生破壞。焊接返修過程中應(yīng)嚴(yán)格控制熱輸入量和層間溫度保證焊縫和熱影響區(qū)避開敏化溫度，降低晶間腐蝕的傾向。

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2016-06-21

TG47

趙 強(qiáng)，1981年出生，碩士，高級工程師。主要從事耐熱鋼、水電用鋼的性能及焊接研究工作，已發(fā)表論文14篇。