熱加工工藝對新型奧氏體不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕的影響

張杰，鐘正彬

東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司 四川自貢 643000

1 序言

隨著電站鍋爐向高參數、大容量方向發展，以SA-213S30432、HR3C為代表的新型奧氏體不銹鋼材料在超臨界、超（超）臨界機組鍋爐中得到了大量的工程應用，且廣泛應用于高溫再熱器、高溫過熱器、屏式過熱器等高等級部件中，因此小口徑管對接接頭大量出現，焊接接頭（焊縫和熱影響區）晶間腐蝕問題也越來越引起關注。

2 試驗背景

某1 0 0 0 M W 超（超）臨界機組鍋爐水壓試驗時，發現高溫再熱器管屏S A-2 1 3 S 3 0 4 3 2、φ51mm×3.5mm對接接頭開裂失效，在熱絲TIG自動焊和手工鎢極氬弧焊（GTAW）接頭中均發現了晶間腐蝕現象，缺陷位于接頭熱影響區熔合線附近，呈沿晶開裂形貌，局部可見晶粒脫落（見圖1），具有晶間腐蝕特征。晶間腐蝕分布在管子內壁，從內壁起始，向外壁擴展，深度不等，最深的接近管材壁厚，開裂失效為晶間腐蝕所致。

圖1 接頭熱影響區沿晶開裂形貌

針對新型奧氏體不銹鋼接頭熱影響區晶間腐蝕的問題，為了查找產生的原因，評估焊接接頭晶間腐蝕傾向，對鍋爐使用的SA-213S30432、HR3C等材料開展了一系列工藝試驗分析，研究了焊接方法、焊接參數、焊后熱處理等熱加工工藝因素對接頭晶間腐蝕的影響。

3 試驗過程與結果

3.1 對接接頭試樣制備

選用焊絲THERMANIT 304HCu、φ1.0mm，在熱絲TIG機上焊接SA-213S30432、φ45mm×7mm管接頭試樣2組，試樣編號A1、A2；選用焊絲THERMANIT 304HCu、φ2.4mm，GTAW焊接SA-213S30432、φ45mm×7mm管接頭試樣2組，試樣編號A3、A4。選用焊絲ERNiCrCoMo-1、φ1.0 m m，在熱絲T I G 機上焊接H R 3 C、φ45mm×7mm管接頭試樣2組，試樣編號B1、B2；選用焊絲ERNiCrCoMo-1、φ2.4mm，GTAW焊接HR3C、φ45mm×7mm管接頭試樣2組，試樣編號B3、B4。焊接參數見表1，其中試樣A1、A3、B1、B3焊后退火處理，按760℃×90min執行。

表1 試樣焊接參數

3.2 檢驗結果

試樣焊后、熱處理后的焊縫經100%RT檢測合格； PT范圍為焊縫及兩側各100mm區域，100%PT檢測合格。經檢驗，試樣接頭（焊縫、熱影響區）無缺陷。

母材及焊縫化學成分見表2、表3，表中試樣位置B代表母材，W代表焊縫。

表2 A組化學成分（質量分數） （%）

表3 B組化學成分（質量分數） （%）

按GB/T 4334—2020中的方法E 銅-硫酸銅-16%硫酸腐蝕試驗方法進行，將試樣在加有銅屑的硫酸-硫酸銅溶液中煮沸，使其保持微沸狀態，試驗連續20h，試驗后取出試樣，洗凈、干燥、彎曲，采用彎曲法和金相法判定晶間腐蝕傾向。接頭晶間腐蝕深度見表4，部分腐蝕試樣如圖2所示。

圖2 腐蝕試樣

表4 接頭晶間腐蝕深度

SA-213S30432鋼對接接頭4種狀態的接頭抗晶間腐蝕能力除GTAW焊態合格外，其余3個試樣均不合格，且存在明顯差異，焊態接頭抗晶間腐蝕能力優于退火態接頭，GTAW接頭抗晶間腐蝕能力優于熱絲TIG焊接頭。

HR3C鋼對接接頭4種狀態的接頭抗晶間腐蝕能力優于SA-213S30432鋼，但也存在明顯差異，焊態接頭抗晶間腐蝕能力均合格，退火態接頭抗晶間腐蝕能力均不合格。

4 試驗分析

4.1 晶間腐蝕的成因

“貧鉻理論”認為奧氏體不銹鋼發生晶間腐蝕是由于加熱到450～850℃溫度區間會發生敏化，過飽和固溶的碳向晶粒邊界擴散，與晶界附近的鉻結合形成（CrFe）23C6并在晶界沉淀析出[1]；由于碳的擴散速度快，鉻來不及從晶內補充到晶界附近，出現晶界區貧鉻，喪失了抗腐蝕性能，在腐蝕介質的作用下，形成晶間腐蝕。

4.2 焊接接頭特性

焊接接頭在鍋爐產品制造中不可避免，焊接熱影響區在焊接過程中必然存在，在焊接的快速連續加熱過程中，鉻碳化物形成過程必然會出現在熱影響區，因此熱影響區是整個焊接接頭最薄弱的環節，也是抗晶間腐蝕能力最薄弱的區域。焊縫上的晶間腐蝕通常都是在多層多道焊中出現，前焊道的熔敷金屬受到后面焊道的熱影響，處于敏化溫度的區間，出現晶間貧鉻，導致耐蝕能力下降。

4.3 材料的影響

SA-213S30432鋼焊接接頭抗晶間腐蝕能力不及HR3C鋼，這是由于母材及選用焊接材料的化學成分決定的，故兩者存在較大的差異。

SA-213S30432鋼管是在SA-213TP304H鋼的基礎上加入適量Cu、Nb、N 等元素進一步提高蠕變強度，開發的奧氏體耐熱不銹鋼，其C含量較高，wC=0.07%～0.13%，wCr=17%～19%。對接接頭焊接選擇與母材匹配的焊接材料THERMANIT 304H C u，其C含量較高，wC=0.09%～0.10%，wCr=18.33%～18.40%，在敏化溫度區間會發生敏化，晶間貧鉻，使晶界附近抗腐蝕性能下降[2]。

HR3C 鋼管是在TP310 鋼基礎上通過復合添加N b、N合金元素研制而成的一種新型奧氏體耐熱鋼，由于Cr、Ni 含量較高，所以有效增強了鋼的抗高溫腐蝕和高溫蒸汽氧化能力，并穩定了奧氏體組織、抑制σ相的析出傾向。HR3C 鋼具有優異的抗晶間腐蝕性能，晶間腐蝕敏感性低。對接接頭焊接選擇的焊接材料為ERNiCrCoMo-1，其C含量較低，wC=0.06%～0.07%，wCr=21.0%～21.4%，wMo=8.4%～9.0%，wTi=0.32%～0.33%，在焊縫中增加了如Cr、Mo、Ti、Nb等鐵素體形成元素，在奧氏體晶內以及晶粒之間有一定數量的鐵素體，使奧氏體晶粒交界面上不會形成連續的網狀鉻的碳化物，提高焊縫抗晶間腐蝕的能力。

4.4 焊接工藝的影響

從A組熱絲TIG焊試樣看，無論焊態還是退火熱處理態的接頭均出現晶間腐蝕，焊態試樣內壁、外壁均有開裂，腐蝕深度2100μm、707μm，而GTAW接頭焊態晶間腐蝕試驗合格，因此焊接方法不同對接頭抗晶間腐蝕能力產生影響存在差異。熱絲TIG焊與GTAW焊接過程存在明顯差異，熱絲TIG焊是一種連續焊接的高效焊接方法，多層多道焊時，連續焊接，層溫較高，可達500～600℃，焊縫在高溫停留時間較長，焊接電流也比GTAW大。GTAW焊接參數較小，層溫較低，控制方便，由于焊縫在高溫停留時間較短，故GTAW接頭抗晶間腐蝕的能力優于熱絲TIG焊接頭。

4.5 焊后熱處理工藝的影響

從上述試驗結果看，無論是S A-213S30432鋼、還是H R3C鋼，焊接接頭退火前后抗晶間腐蝕能力存在明顯差異，焊態接頭抗晶間腐蝕能力明顯優于退火態接頭。焊后退火處理的溫度為750～770℃，正處于奧氏體不銹鋼的敏化溫度區（450～825℃），經過退火處理抗晶間腐蝕性能降低。

經歷了不同的焊后熱處理方式的焊接接頭，會呈現出不同的晶間腐蝕傾向，如果通過固溶處理或穩定化處理，則可以提高抗晶間腐蝕的能力。

4.6 介質的影響

焊接接頭經歷敏化并不意味著晶間腐蝕必然發生，晶間腐蝕的發生必須有腐蝕介質，如Cl離子。因此，設備制造標準、設備運行標準對水質提出了限制要求，特別是Cl離子的控制，以避免晶間腐蝕的發生。

由于超（超）臨界機組鍋爐過熱器和再熱器的工作溫度一般為600～610℃，正處于奧氏體不銹鋼的敏化溫度區，如果使用環境中存在腐蝕性離子，如Cl、O、S等離子，在腐蝕介質的長期作用下容易產生晶間腐蝕。晶間腐蝕使奧氏體晶界結合強度顯著降低，其強度、塑性等力學性能大幅度降低甚至喪失，在外力的作用下容易誘發微裂紋，進而發展成宏觀裂紋，造成接頭開裂失效。

5 預防焊接接頭晶間腐蝕的措施

預防焊接接頭晶間腐蝕的措施如下：

1）盡量選用低碳型焊接材料，嚴格控制碳含量[3]。焊縫金屬盡量減少碳含量，避免形成鉻的碳化物，減少或避免晶間腐蝕的傾向，超低碳奧氏體不銹鋼基本上可以避免晶間腐蝕。

2）焊接工藝設計應盡量選用熱輸入較小的焊接方法，焊接接頭盡可能縮短在敏化溫度區停留的時間，減少敏化溫度對其的影響。在保證焊接質量的前提下，盡量采用小焊接電流、快速焊，窄焊縫；盡量采用多層多道焊，層溫冷卻后再焊接下一道，管子內通氬氣保護，既保護焊接熔池不易氧化，有利于背面焊縫成形，又加快了接頭的冷卻。

3）焊后局部退火處理。由于高溫再熱器、高溫過熱器、屏式過熱器等部件出口、入口端為T91鋼、T92鋼等材料，存在大量的T91/T92鋼+奧氏體不銹鋼的異種鋼接頭，所以需要進行焊后退火處理，一般采用整體進爐熱處理，加熱溫度740～760℃，保溫90～120min。雖然高溫停留時間較短，但對奧氏體不銹鋼接頭抗晶間腐蝕能力不利。為此，可改變熱處理方式，將整體退火熱處理調整為局部退火熱處理，僅對異種鋼接頭做退火處理，不銹鋼接頭不再進行退火處理，避免接頭和母材敏化，降低晶間腐蝕敏感性。

4）穩定化處理或固溶處理是預防晶間腐蝕的有效方式，將整個焊件進行整體穩定化處理或固溶處理，可以降低晶間腐蝕敏感性，減少或避免晶間腐蝕傾向。但在實際生產中，鍋爐受熱面高等級部件受到產品結構、變形控制等諸多因素的影響，整體穩定化處理或固溶處理則難以實施。

6 結束語

1）SA-213S30432鋼、HR3C鋼焊接接頭焊態抗晶間腐蝕能力優于焊后退火態接頭，奧氏體不銹鋼退火熱處理不利于接頭抗晶間腐蝕。

2）GTAW接頭抗晶間腐蝕能力優于熱絲TIG焊接頭，選擇適當的焊接工藝有利于改善接頭抗晶間腐蝕性能。