王建軍，李冬毓，俞樹(shù)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(wèn)題影響加氫系列裝置壓力管道的安全服役[1-8]。本文對(duì)厚壁TP347鋼管焊接接頭開(kāi)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(duì)焊接接頭再熱裂紋敏感性進(jìn)行評(píng)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(guò)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T(mén)P347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(hào)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(hào)為T(mén)S-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(dòng)，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(jiàn)圖1，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)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(duì)焊接試件M進(jìn)行外觀目視檢測(cè)，焊縫表面成形均勻，多道焊焊道與焊道搭接處平整無(wú)溝槽，焊趾處與母材圓滑過(guò)渡，表面無(wú)氣孔、咬邊、夾渣等缺陷。在目視檢測(cè)合格后，經(jīng)射線檢測(cè)(RT)和滲透檢測(cè)(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(jiàn)圖3，熔合情況良好，未見(jiàn)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(jiàn)明顯長(zhǎng)大，可達(dá)到5級(jí)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(méi)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(cè)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(duì)焊接接頭試樣施加恒載，并測(cè)量相應(yīng)的斷裂時(shí)間。通過(guò)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(kāi)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(huì)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?cè)囼?yàn)機(jī)上對(duì)焊接試件M直徑為6 mm 的拉伸試樣開(kāi)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(píng)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(duì)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(píng)估材料對(duì)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(cè)量試樣的斷面收縮率Z，根據(jù)斷面收縮率來(lái)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(guò)程如圖5所示。

圖5 高溫緩慢拉伸試驗(yàn)過(guò)程示意

在高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上對(duì)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(píng)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(duì)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(jiàn)圖6，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(zhǎng)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?qǐng)D5所示的高溫緩慢拉伸試驗(yàn)過(guò)程，在高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上對(duì)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(jiàn)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(shuō)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(shuō)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(méi)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(kāi)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(shuō)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(shì)。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(shuō)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(huì)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(huì)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(guò)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(guò)對(duì)試樣解剖，腐蝕后觀察斷口多位于焊縫區(qū)，側(cè)面說(shuō)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(guò)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(dòng)，某些有應(yīng)力集中區(qū)域的晶界塑性變形量超過(guò)了該部位的臨界塑性變形能力后，就容易引起開(kāi)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(guò)程中以及高溫服役下，NbC在晶內(nèi)和晶界都會(huì)析出。晶內(nèi)析出引起晶內(nèi)強(qiáng)化，相對(duì)會(huì)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(guò)多的NbC，過(guò)多的析出相也會(huì)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(huì)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(zhǎng)，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(kāi)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(guò)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(duì)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(zhǎng)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(kāi)裂部位內(nèi)部分布有不規(guī)則塊狀的析出相(見(jiàn)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(jiàn)圖23)?？梢钥闯觯鸭y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(guò)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(huì)交叉，柱狀晶體與其另一側(cè)的裂紋連接，形成較長(zhǎng)的裂紋。

厚壁TP347鋼管焊接接頭在進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理過(guò)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(guò)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(duì)應(yīng)再熱裂紋敏感性也隨著溫度升高而增大。說(shuō)明這種再熱開(kāi)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(zhǎng)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(guò)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(guó)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(lái)越大，再熱裂紋產(chǎn)生機(jī)率也越來(lái)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(cuò)，減少了材料能承受的蠕變量，而現(xiàn)場(chǎng)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(duì)較小，熱處理過(guò)程中應(yīng)力很快得到消除，因此不易產(chǎn)生再熱裂紋；但對(duì)于厚壁材料，具有較大的焊接殘余應(yīng)力，加之現(xiàn)場(chǎng)熱處理時(shí)可能內(nèi)外壁存在較大溫差，熱應(yīng)力相對(duì)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(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)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(lái)，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(guó)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(jí)以上；

(2)施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)過(guò)程管理，避免剛性組對(duì)，焊接層道間的填充應(yīng)均勻，厚度盡量不超過(guò)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(guò)熱；

(4)盡量采用自動(dòng)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(duì)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(guò)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。