奧氏體不銹鋼焊接裂紋原因分析

張鮮俊 李 豐 傅 強 李 華

一、前言

在服役條件較惡劣的承壓設(shè)備檢驗中，裂紋是一種危害性較大的缺陷，常出現(xiàn)于各種加氫反應(yīng)器內(nèi)壁，換熱器殼體，管線鋼管等的焊接部位。針對石化公司混氫原料蠟線裝置裂紋進行分析研究，對承壓設(shè)備的缺陷檢驗及缺陷防范提供參考。

二、檢驗情況

1.宏觀檢驗

在某石化公司混氫原料蠟線裝置檢驗中，在彎管與大小頭連接焊縫部位、大小頭熱影響區(qū)位置，發(fā)現(xiàn)一條長26mm的裂紋，裂紋位于彎管側(cè)平面，平行于熔合線，距離熔合線0.5mm。

2.化學(xué)成分分析

采用SPECTROTEST型移動式直讀光譜儀對彎管母材、大小頭母材和焊縫進行化學(xué)成分分析，查閱設(shè)備資料，彎管、大小頭材料為奧氏體不銹鋼（0Cr18Ni9），分析表明，混氫原料蠟線彎管、大小頭和焊縫化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.金相分析

采用XH-500型現(xiàn)場視頻金相儀對彎管母材及熱影響區(qū)、大小頭母材及熱影響區(qū)和焊縫組織進行金相分析。彎管母材及彎管側(cè)熱影響區(qū)均為奧氏體組織，晶粒度4～5級。大小頭母材為奧氏體組織，晶粒度3級，大小頭側(cè)熱影響區(qū)亦為奧氏體組織，但其晶粒度異常粗大，為1級。

圖1顯示在100×條件下，可見焊縫金相組織為比較均勻的胞狀奧氏體組織。

圖2顯示，在100×條件下存在裂紋的大小頭側(cè)熱影響區(qū)處金相組織。裂紋位于熱影響區(qū)晶粒長大部位，沿奧氏體晶界擴展為主（圖2a），裂紋尖端穿晶發(fā)展（圖2b），總體為混合型裂縫。

三、裂紋產(chǎn)生原因分析

焊接Cr、Ni純奧氏體不銹鋼主要存在三個問題，分別是焊接裂紋、接頭腐蝕和時效脆化，而焊接裂紋的產(chǎn)生按其裂紋生成的原因又可分為結(jié)晶裂紋、高溫液化裂紋和高溫脆性裂紋。

熔融的熔敷金屬在凝固結(jié)晶過程中，當(dāng)殘留在凝固晶粒間的液體薄膜被收縮應(yīng)力拉開而又不能用足夠的液體金屬填滿時，就會形成結(jié)晶裂紋。這種裂紋常會出現(xiàn)在焊縫中，尤其是易發(fā)生在焊縫收尾部分和弧坑處。在焊接熱影響區(qū)的過熱區(qū)，焊接的高溫加熱使該區(qū)域母材局部熔化。在冷卻時的凝固過程中，局部熔融的母材金屬的晶界，也可能出現(xiàn)上述晶間的液體薄膜被拉開而無法填補的現(xiàn)象，導(dǎo)致在熱影響區(qū)的過熱區(qū)產(chǎn)生高溫液化裂紋。在過熱區(qū)，材料雖然沒有發(fā)生局部熔融，但在高溫下，如果塑性降到很低水平，也可能在應(yīng)力作用下由于塑性不足而產(chǎn)生高溫脆性裂紋。

現(xiàn)場對發(fā)生裂紋部位進行打磨后重新進行焊接，焊后檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋，隔天進行滲透檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大小頭側(cè)熱影響區(qū)再次發(fā)生裂紋，因此可以排除裂紋是由于焊接因素導(dǎo)致的原因。

根據(jù)宏觀檢驗，裂紋平行于熔合線，距熔合線0.5mm，位于大小頭側(cè)熱影響區(qū)，可以排除結(jié)晶裂紋。根據(jù)金相分析，該奧氏體不銹鋼晶粒異常粗大導(dǎo)致單位體積晶界面積減小，因此在晶界上產(chǎn)生的低熔點物質(zhì)，如FeS、Fe3P或Ni3P等單位晶界面積含量增高，在冷卻凝固過程中極易產(chǎn)生高溫液化裂紋，同時晶粒異常粗大，會導(dǎo)致該區(qū)域塑性降低，極易在應(yīng)力作用下產(chǎn)生高溫脆性裂紋。從上述分析可以看出，大小頭側(cè)熱影響區(qū)奧氏體組織晶粒的異常粗大，是導(dǎo)致焊接裂紋產(chǎn)生的直接原因。

對于奧氏體不銹鋼鍛件而言，奧氏體組織晶粒大小主要取決于始鍛溫度以及終鍛溫度下的變形控制。奧氏體不銹鋼的鍛造溫度主要受高溫鐵素體形成溫度的限制，當(dāng)鋼的加熱溫度超過此溫度時，鋼中原有的游離鐵素體（α相）的含量便會顯著增多。這些鋼中δ相鐵素體的出現(xiàn)溫度大致在1100～1300℃范圍內(nèi)，隨鋼號不同而有所變化。奧氏體不銹鋼的始鍛溫度一般為1150～1200℃，終鍛溫度一般為825～850℃。當(dāng)始鍛溫度過高，會直接導(dǎo)致晶粒變大，鍛造時變形量不足，則不會在鍛造中打碎粗大的晶粒。所以為了得到細(xì)晶粒組織，在鍛造中應(yīng)嚴(yán)格控制加熱溫度、鍛造溫度、鍛造比、鍛造力這些參數(shù)。

對于鍛造后進行的固熔處理而言，高的固熔溫度可使鍛件提高蠕變斷裂強度，但同時會引起晶粒組織粗大，導(dǎo)致其抗腐蝕能力降低。采用較低的固熔處理溫度，就會降低蠕變斷裂強度，但是奧氏體組織晶粒較細(xì)。所以對于鍛造后進行的固熔處理，嚴(yán)格控制固熔溫度也是非常重要的環(huán)節(jié)。

四、結(jié)論和建議

（1）混氫原料蠟線裝置管道大小頭側(cè)熱影響區(qū)檢驗中發(fā)現(xiàn)的裂紋，產(chǎn)生原因是奧氏體組織晶粒的異常粗大。

（2）為防止同類裂紋產(chǎn)生，應(yīng)嚴(yán)格控制奧氏體不銹鋼組織中晶粒的大小。對鍛件主要應(yīng)控制兩個方面：①鍛造中嚴(yán)格控制加熱溫度、鍛造溫度、鍛造比、鍛造力這些參數(shù)。②嚴(yán)格控制鍛造后的固熔溫度。

（3）對于使用單位，應(yīng)對同批奧氏體不銹鋼鍛件進行全面普查，對其焊縫進行100%滲透檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷的管件及時更換。對于奧氏體不銹鋼材料部件的入廠驗收，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求進行，以防止類似裂紋的產(chǎn)生。