陳 剛，李志峰，路寶璽，楊利軍

(1.上海賽科石油化工有限責(zé)任公司，上海 201507；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013)

0 引 言

Incoloy 800HT合金具有良好的高溫性能、焊接性和耐腐蝕性能，一般用于制造石化行業(yè)和核工業(yè)中的高溫管道[1-2]及在較高環(huán)境溫度中使用的機(jī)械部件。石化行業(yè)內(nèi)的Incoloy 800HT合金管道一般為過(guò)熱蒸汽管道，例如苯乙烯裝置中的過(guò)熱蒸汽管道，其服役溫度高達(dá)800～900 ℃[3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)Incoloy 800HT合金的研究主要集中在異種材料焊接方法、焊接過(guò)程質(zhì)量控制等方面[3-6]，有關(guān)Incoloy 800HT合金及接頭失效分析的研究較少，且研究對(duì)象多為甲醇轉(zhuǎn)化爐豬尾管[7]。雖然王偉明[8]對(duì)Incoloy 800HT合金高溫蒸汽管道支管的斷裂原因進(jìn)行了分析，但該管道的服役時(shí)間較短。在對(duì)某工廠苯乙烯裝置已服役13 a的Incoloy 800HT合金過(guò)熱蒸汽管道進(jìn)行滲透探傷檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該管道3處采用鎢極氬弧焊(GTAW)打底、手工電弧焊(SMAW)填充蓋面的主管對(duì)接環(huán)焊縫熔合線處均存在斷續(xù)裂紋與蠕變孔洞。該管道于2005年3月投用，介質(zhì)壓力為0.1 MPa，介質(zhì)溫度為913 ℃，公稱直徑為1 050 mm，壁厚為23.81 mm，焊接材料為ERNiCrCoMo-1鎳基合金焊絲(牌號(hào)為AWS A5.14)。Incoloy 800HT合金的抗拉強(qiáng)度不低于450 MPa，屈服強(qiáng)度不低于170 MPa；ERNiCrCoMo-1焊絲的常溫抗拉強(qiáng)度為770 MPa，屈服強(qiáng)度為610 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為28%[9-10]。為了找到長(zhǎng)期服役Incoloy 800HT合金高溫蒸汽管道主管對(duì)接接頭的開裂原因，作者在該管道中主管對(duì)接環(huán)焊縫熔合線處取樣進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)其中1根主管對(duì)接焊縫進(jìn)行滲透發(fā)現(xiàn)微裂紋及蠕變孔洞，如圖1所示。

圖1 主管對(duì)接焊縫處宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of butt weld of main pipeline

1.2 化學(xué)成分

采用SPECTROMAX型直讀光譜分析儀對(duì)Incoloy800HT合金母材和焊縫金屬的化學(xué)成分進(jìn)行分析。由表1和表2可以看出，開裂管道母材和焊縫金屬的化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 Incoloy 800HT合金的化學(xué)成分

表2 焊縫金屬的化學(xué)成分

圖2 開裂管道不同區(qū)域的顯微組織Fig.2 Microstructure of different areas of cracked pipiline: (a) base metal and (b) weld

1.3 顯微組織

采用線切割法沿接頭橫截面截取金相試樣，經(jīng)磨拋，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%草酸溶液電解腐蝕后，采用AXIO Imager.A2m型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖2可見，開裂管道母材與焊縫的基體相均為奧氏體，同時(shí)晶界處有斷續(xù)黑色析出相。

將整個(gè)接頭截面按照順序拍攝組織照片后拼接成全圖。由圖3可以看出：接頭截面焊縫兩側(cè)熔合線上都有斷續(xù)的黑色析出相，雖然母材和焊縫中也存在黑色析出相，但其含量遠(yuǎn)低于熔合線處；管道內(nèi)表面存在部分腐蝕形貌，腐蝕層厚度約為1.52 mm；熔合線處孔洞附近已經(jīng)形成了微觀裂紋。

采用Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)焊接接頭熔合線處和焊縫的微觀形貌進(jìn)行觀察，同時(shí)用附帶的能譜儀(EDS)對(duì)析出相進(jìn)行微區(qū)成分分析。由圖4和表3可以看出：熔合線處的析出相多為鉻、鉬的碳化物。固溶處理后800HT合金顯微組織一般由具有典型孿晶晶界的奧氏體基體以及TiN和Ti(C，N)顆粒組成[11]，而在高溫下服役105h后，其內(nèi)部的鉻、鉬等可以提高高溫性能的合金元素逐漸出現(xiàn)偏析，并與碳等非金屬元素形成硬質(zhì)相。熔合線附近還存在少量硅化物，在析出相周圍出現(xiàn)多個(gè)蠕變孔洞，這些微觀結(jié)構(gòu)不連續(xù)處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋萌生。

圖3 焊接接頭的截面組織Fig.3 Section microstructure of welded joint: (a) whole metallographic structure of wall thickness section and (b) metallographicstructure enlarged in elliptical region

圖4 焊縫熔合線處析出物形貌Fig.4 Morphology of precipitates at the weld fusion line; (a) precipitates 1 and (b) precipitates 2 and (c) precipitates 3

表3 圖4焊縫熔合線處析出物的EDS分析結(jié)果

圖5 開裂接頭焊縫的SEM形貌和EDS分析位置Fig.5 SEM morphology of cracked joint weld and EDSanalysis position

由圖5和表4可以看出：焊縫中存在2種析出相，其中淺色相富集鉬元素，深色相富集鉻元素。這些析出相周圍也存在較多蠕變孔洞。

表4 圖5中不同位置的EDS分析結(jié)果

1.4 力學(xué)性能

按照GB/T 228.1-2010，以平行于焊縫及垂直于焊縫方向，在母材截取橫向、縱向在棒狀拉伸試樣，同時(shí)以焊縫為中心垂直于焊縫截取相同尺寸的棒狀焊接接頭拉伸試樣，試樣標(biāo)距為50 mm，分別采用Z250型和E45.305型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫和913 ℃高溫拉伸試驗(yàn)。由表5可以看出，母材的室溫拉伸性能與Incoloy800HT合金的標(biāo)準(zhǔn)拉伸性能相近，接頭的抗拉強(qiáng)度較母材降低 20%。接頭在室溫拉伸時(shí)的斷裂位置都位于熔合線處。一般設(shè)計(jì)要求焊縫的許用應(yīng)力等于或者大于基體材料的許用應(yīng)力，但在長(zhǎng)時(shí)間使用后，材料性能已經(jīng)劣化，已不滿足此條要求。母材和接頭的高溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相近，且均滿足設(shè)計(jì)要求(抗拉強(qiáng)度92.4 MPa，屈服強(qiáng)度62.1 MPa)，但接頭試樣的斷后伸長(zhǎng)率僅為母材試樣的50%，接頭在高溫拉伸時(shí)的斷裂位置依然位于熔合線處。

表5 母材和焊接接頭的室溫和高溫拉伸性能

按照GB/T 2653-2008，在焊縫處截取尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的試樣，采用SHT4106型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，下壓速度為1 mm·s-1，壓頭直徑為40 mm，彎曲角度為180°。試樣均在熔合線處斷裂。結(jié)合拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，熔合線是接頭的薄弱位置。

采用Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡對(duì)接頭室溫拉伸斷口和彎曲斷口形貌進(jìn)行觀察。由圖6可以看出，接頭室溫拉伸斷口整體呈沿晶韌性斷裂形貌，部分區(qū)域存在微裂紋，斷口底部存在規(guī)則狀沿晶脆性斷裂特征。高溫環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間服役后，熔合線處晶界的鉻、鉬元素發(fā)生偏析，材料發(fā)生蠕變，在外力的作用下裂紋在晶界處萌生并擴(kuò)展。在彎曲斷口中也存在韌性斷裂和規(guī)則狀沿晶脆性斷裂特征，如圖7所示。

圖6 焊接接頭的室溫拉伸斷口形貌Fig.6 Room temperature tensile fracture morphology of joint: (a) low magnification morphology of fracture;(b) intergranular fracture morphology and (c) microcrack morphology

圖7 焊接接頭的彎曲斷口形貌Fig.7 Bending fracture morphology of joint: (a) low magnification morphology of fracture and (b) intergranular fracture morphology

2 開裂原因分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，Incoloy 800HT合金高溫蒸汽管道主管對(duì)接接頭熔合線處有大量的含鉻、鉬的碳化物析出，母材的力學(xué)性能在長(zhǎng)期服役后依然滿足或高于設(shè)計(jì)要求，所以該管道的薄弱點(diǎn)在熔合線。在長(zhǎng)期高溫工況下，熔合線處析出鉻、鉬碳化物并且碳化物發(fā)生聚集長(zhǎng)大，溫度越高、服役時(shí)間越長(zhǎng)，碳化物聚集長(zhǎng)大過(guò)程發(fā)生得越快[12-13]。隨著碳化物的長(zhǎng)大，在其附近更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)蠕變孔洞。蠕變孔洞的擴(kuò)展和蠕變裂紋的產(chǎn)生還與設(shè)備所承受的應(yīng)力有關(guān)[14]。

綜上可知，Incoloy 800HT合金高溫蒸汽管道接頭發(fā)生開裂的主要原因是由于在913 ℃長(zhǎng)時(shí)服役后熔合線處含鉻、鉬等碳化物的析出導(dǎo)致合金高溫力學(xué)性能的降低并產(chǎn)生應(yīng)力集中，蠕變孔洞在析出相附近產(chǎn)生并合并長(zhǎng)大，從而形成蠕變裂紋。

3 結(jié)論及建議

(1) Incoloy 800HT合金高溫蒸汽管道接頭發(fā)生開裂的主要原因是在913 ℃長(zhǎng)時(shí)服役后熔合線處含鉻、鉬等碳化物的析出導(dǎo)致合金高溫力學(xué)性能的降低并產(chǎn)生應(yīng)力集中，蠕變孔洞在析出相附近產(chǎn)生；隨著高溫服役時(shí)間的延長(zhǎng)，蠕變孔洞合并并形成蠕變裂紋。

(2) 建議對(duì)管道重新焊接，消除熔合線處的析出相；保證管道介質(zhì)作壓力、介質(zhì)溫度的平穩(wěn)，在工藝允許的條件下建議取溫度低限值運(yùn)行。