夏正文， 許全光， 馬世龍， 劉 蔚， 顏俊杰， 吳勝強(qiáng)

（1. 浙江天管久立特材有限公司， 浙江 湖州 313012；2. 浙江久立特材科技股份有限公司， 浙江 湖州 313008）

雙金屬襯里復(fù)合管（mechanically lined pipes,MLP） 是一類兼具高強(qiáng)度、 耐蝕性、 經(jīng)濟(jì)性的油氣輸送管道[1-3]， 目前行業(yè)通常采用的成型方法是將耐蝕合金內(nèi)襯管經(jīng)水壓擴(kuò)徑， 與外層碳鋼基管緊密貼合而成。 由于受深海用復(fù)合管敷設(shè)方式（J-lay 或Reel-lay） 的影響， 對襯管母材及焊縫的晶界腐蝕性能有十分嚴(yán)格的要求[4]， 其中一種評定方法是： 將襯管母材和焊縫樣品先經(jīng)過應(yīng)變處理 （5%拉伸） 后， 再經(jīng)過250 ℃的時(shí)效熱處理1 h， 按ASTM A262 E 法進(jìn)行敏化和腐蝕試驗(yàn)， 然后進(jìn)行180°彎曲試驗(yàn)。

低碳316L 不銹鋼是一種常見的耐蝕合金襯管材料， 這種材料在焊接后不易在熱影響區(qū)析出Cr23C6相而造成晶界貧Cr， 具有較好的抗晶間腐蝕能力。 母材成型后進(jìn)行直縫焊接， 焊接過程可以添加焊絲也可以不加焊絲。 若用焊絲進(jìn)行焊縫填充， 考慮到焊縫耐蝕性的要求， 通常選擇耐蝕性不低于母材的合金鋼焊絲。

本研究中， 不銹鋼焊管焊接后經(jīng)過在線固溶處理， 以退火態(tài)交貨的狀態(tài)稱為交貨態(tài) （AR）；焊管在固溶熱處理后， 再經(jīng)過應(yīng)變處理 （5%拉伸）， 并經(jīng)過250 ℃的時(shí)效熱處理1 h， 則稱為應(yīng)變時(shí)效態(tài) （SA）。 為了滿足雙金屬機(jī)械復(fù)合管對316L 不銹鋼襯管母材和焊縫在交貨態(tài)和應(yīng)變時(shí)效態(tài)的抗晶界腐蝕要求， 本研究評價(jià)了316L不銹鋼母材， 以及不添加焊絲和添加不同焊絲的兩種工藝得到的焊縫的抗晶界腐蝕能力， 焊絲分別選擇ER316L、 ER317L、 ER385 和ERNiCrMo-3合金焊絲[5-8]。 對焊縫組織進(jìn)行了晶間腐蝕敏感性測試， 觀察了焊縫組織的物相分布和形貌， 并通過Lippold 焊縫凝固模型分析了焊縫的凝固組織， 并利用Suutala 圖對焊接凝固組織裂紋的敏感性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

樣管母材選擇ASTM A240 標(biāo)準(zhǔn)的316L 不銹鋼板， 鋼板厚度為4.1 mm， 在連續(xù)機(jī)組線上進(jìn)行成型、 焊接、 熱處理和定徑， 最終規(guī)格為Φ168.3 mm×4.1 mm。 焊接工藝采用等離子焊接，I 形坡口， 單面焊雙面成形。 焊接電流225 A， 電壓25 V， 焊接速度550 mm/min。 填充焊絲分別選擇ER316L、 ER317L、 ER385 和ERNiCrMo-3，對焊后組織的化學(xué)成分進(jìn)行了分析， 分析結(jié)果見表1。

表1 316L 不銹鋼焊管不同焊絲條件下焊縫的化學(xué)成分

焊后熱處理工藝選擇整管在線固溶熱處理，即將成型后的焊管在連續(xù)機(jī)組線上通過感應(yīng)熱處理爐進(jìn)行在線熱處理， 固溶熱處理溫度設(shè)定為1 070 ℃， 時(shí)間約3 min， 水冷。

1.2 試驗(yàn)方法

采用ASTM A262 E 法 “銅-硫酸銅-16%硫酸試驗(yàn)” 進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。 截取樣管制備成25 mm×75 mm 規(guī)格的弧形試樣， 將焊縫保留在弧長的中心位置。 對于AR 態(tài)和SA 態(tài)試樣， 都要經(jīng)過675 ℃×1 h 敏化熱處理， 然后浸入16%硫酸和6%硫酸銅的沸騰溶液中腐蝕15 h， 再將試樣彎曲180°， 在受拉彎曲面進(jìn)行10 倍放大觀察， 如無裂紋則判定為合格， 有裂紋則判定為不合格。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 母材晶間腐蝕試驗(yàn)

對316L 焊管母材進(jìn)行交貨態(tài) （AR） 和應(yīng)變時(shí)效態(tài)（SA） 的晶間腐蝕試驗(yàn)， 沿垂直于母材軋制方向的橫向取樣， 晶間腐蝕測試全部合格， 說明母材的成分均勻、 抗敏化性能滿足產(chǎn)品要求。

2.2 焊縫晶間腐蝕試驗(yàn)

采用不添加焊絲和添加焊絲工藝進(jìn)行對焊縫焊接， 焊接參數(shù)相同， 在線熱處理后焊縫晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見表2。 從表2 可以看出， 未添加填充金屬的AR 態(tài)和SA 態(tài)試樣， 晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果均顯示合格。 對于添加添加ER316L 焊絲和ER317L焊絲的焊縫， 在AR 態(tài)晶界腐蝕試驗(yàn)結(jié)果均符合要求， 但在SA 態(tài)下則不合格。 而使用ER385 焊絲和ER NiCrMo-3 焊絲的焊縫， AR 態(tài)和SA 態(tài)下晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果均不符合要求。

表2 焊縫在線熱處理后的晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

對4 種添加焊絲的焊縫進(jìn)行金相觀察， 分析結(jié)果如圖1 所示。 由圖1 可以看出， 隨著合金含量的增加， 鐵素體相從彌散分布逐漸增多。 選擇ER316L 焊絲和ER317L 焊絲的焊縫， 其中鐵素體大部分以顆粒狀存在， 顏色較淺， 彌散分布，說明成分偏聚現(xiàn)象較弱。 但采用ER385 焊絲和ERNiCrMo-3 焊絲的焊縫， 鐵素體成條塊狀， 且沿枝晶生長方向連續(xù)分布， 成分偏析現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖1 添加不同焊絲的焊縫經(jīng)過固溶熱處理后的組織形貌

3 分析和討論

應(yīng)變時(shí)效處理是模擬不銹鋼管后續(xù)制造、 安裝階段的應(yīng)變過程。 應(yīng)變處理過程使材料發(fā)生塑性變形， 增加了位錯(cuò)、 滑移和缺陷， 產(chǎn)生大量殘余應(yīng)力， 時(shí)效過程雖消除部分變形殘余應(yīng)力， 但不能改變因添加合金元素造成的成分偏析。

焊縫區(qū)域主要包括金屬完全熔化或部分熔化形成的熔合區(qū)， 以及固態(tài)形式存在的熱影響區(qū)。對于添加焊絲或不添加焊絲的焊縫， 焊接參數(shù)相同， 熱輸入量對組織的影響基本相同。 本研究結(jié)果表明， 對于不加焊絲的焊縫， 無論是交貨態(tài)還是應(yīng)變時(shí)效狀態(tài)， 都能通過ASTM A262 E 法的晶間腐蝕測試。 但添加焊絲的焊縫， 就存在較大的差異。 為了理解上述差異， 需要結(jié)合焊縫熔合區(qū)的組織成分、 耐蝕性以及開裂敏感性進(jìn)行分析。

對于焊絲的選擇， 除了考慮所添加焊絲自身的耐蝕性一般比母材要高的要求外， 還需要分析不同焊絲液化再固化過程中的凝固模式。 Lippold 整理了不同Creq/Nieq 比例的焊接組織凝固模式， 如圖2 所示。 其中的Creq、 Nieq 當(dāng)量按照WRC1992 算 法 計(jì) 算[9]。 Suutala 等 人[10]統(tǒng) 計(jì) 了不同Creq/Nieq 比例的裂紋敏感性， 如圖3 所示。 根據(jù)Lippold 凝固模式預(yù)測公式和Suutala 的焊縫開裂敏感性預(yù)測公式， 分別得到對應(yīng)的Creq 和Nieq 當(dāng)量值， 匯總于表3。

表3 按照不同算法得到的焊絲Creq/Nieq 當(dāng)量值

圖2 不同Creq/Nieq 比值的奧氏體不銹鋼的凝固模式

圖3 用于預(yù)測奧氏體不銹鋼焊接凝固組織裂紋敏感性的Suutala 圖

對比可知， 采用ER316L 和ER317L 焊絲的不銹鋼是以FA 模式（鐵素體-奧氏體模式） 發(fā)生凝固， 而采用ER385 和ERNiCrMo-3 焊絲的不銹鋼是AF 模式（奧氏體-鐵素體模式） 發(fā)生凝固。裂紋敏感性主要來源于金屬凝固過程中熱脹冷縮及組織變化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。 FA 模式具有較好的抗裂紋敏感性， 這是因?yàn)橄任龀龅摩?鐵素體成為了形核中心， 有利于晶粒細(xì)化； 而AF 模式凝固的組織， 奧氏體容易快速生長形成粗大組織， 并在晶界形成連續(xù)分布的鐵素體， 對焊縫力學(xué)性能不利。預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致， ER316L 和ER317L 焊絲不銹鋼具有較好的抗開裂組織敏感性， 而ER385 和ERNiCrMo-3 焊絲不銹鋼容易在熱敏化后出現(xiàn)開裂， 說明理論模型具有較強(qiáng)的預(yù)測能力。

綜上， 當(dāng)焊管生產(chǎn)時(shí)， 若交貨態(tài)要求進(jìn)行ASTM A262 E 法試驗(yàn)， 可考慮不添加焊絲或采用ER316L 焊絲和ER317L 焊絲； 若要求應(yīng)變時(shí)效態(tài)交貨， 不添加填充金屬最有利于保證焊縫的抗晶間腐蝕能力。 對于合金含量更高的ER385和ERNiCrMo-3 焊絲， 在所述工藝下無法為焊縫提供較好的抗晶間腐蝕能力。

4 結(jié) 論

（1） 對于焊后固溶處理狀態(tài)下的316L 不銹鋼焊管， 建議采用不添加焊絲的焊接工藝， 或添加ER316L、 ER317L 焊絲進(jìn)行焊接， 能夠保證焊縫的抗晶間腐蝕性能滿足ASTM A262 E 法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 對于焊后進(jìn)行應(yīng)變時(shí)效條件下的316L 焊管， 不添加焊絲的焊縫能夠滿足抗晶間腐蝕的要求， 而添加焊絲則無法通過ASTM A262 E 法試驗(yàn)。

（3） 預(yù)測焊縫組織耐蝕性， 除了需要對比焊絲成分， 還要考慮焊縫熔合區(qū)的凝固模式， 分析焊后組織是否滿足預(yù)期。

（4） 采用Suutala 圖預(yù)測Creq/Nieq 以1.5 為界， 可以幫助判斷焊縫的抗裂紋敏感性， 并能幫助預(yù)測應(yīng)變時(shí)效態(tài)的焊縫抗晶間腐蝕能力。