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        宏盛特鋼核級奧氏體不銹鋼管焊接接頭晶間腐蝕原因分析
        發布者:不銹鋼管廠(www.modeleweddings.com) 發布時間:2021/8/18 閱讀:115

          浙江宏盛特鋼有限公司在對核級奧氏體不銹鋼管焊接接頭性能分析過程中,發現晶間腐蝕試驗不合格,且發生晶間腐蝕開裂的位置為母材,通過分析發現導致母材晶間腐蝕不合格的原因可能是由于不合理的元素成分(過高的錳含量和過低的鎳含量)和不合理的熱處理制度導致了母材在敏化后微觀組織為奧氏體+δ鐵素體+σ相,從而使得晶間敏化時貧鉻更嚴重,同時針對該種情況給出了相應的預防措施。

         

        18-8型奧氏體不銹鋼因其具有較高的強度、塑形和良好的耐腐蝕性能在核電站中廣泛應用,其中包括某些設備的重要部件以及需承擔耐高溫、耐腐蝕等而惡劣環境的重要系統管道。重要部件及管道用奧氏體不銹鋼在使用過程中需要復驗,同時在焊接過程中還需要對焊接接頭進行焊接工藝評定,其中就包括進行晶間腐蝕試驗。由于晶間腐蝕對于奧氏體不銹鋼的應用影響很大,且其發生過程不易覺察,所以奧氏體不銹鋼晶間腐蝕現象受到了廣泛關注。

         

         至德鋼業針對某一核級奧氏體不銹鋼管在焊接實施前焊接工藝評定不合格問題,進行了包括化學成分、力學性能、工藝性能、微觀組織、耐腐蝕性能等方面的試驗,分析了造成工藝評定不合格的原因主要為晶間腐蝕試驗不合格,并對造成晶間腐蝕試驗不合格的原因進行了分析,并提出了避免該種問題出現的相關措施,從而為核級奧氏體不銹鋼在核電站中的廣泛應用提供一定的理論基礎。

         

        一、焊接接頭的制備與試驗方法

         

         1. 焊接接頭的制備

         

         母材為Z2CN18.10,規格為Φ21.3mm×3.37mm,填充焊絲為ER316L,規格為Φ2.0,焊接工藝為惰性氣體保護鎢極電弧焊(TIG)。對焊接接頭進行無損檢測,包括目視檢測、滲透檢測和射線檢測,結果表明焊接接頭的表面缺陷及內部缺陷在采購規定的要求范圍之內。

         

         2. 試驗方法及試驗結果

         

         為了檢驗焊接接頭是否滿足要求,從焊接接頭上分別取樣進行化學成分分析、橫向拉伸、彎曲、微觀組織、晶間腐蝕等試驗項目,具體要求如下。

         

           a. 化學成分

           按照GB/T 20066-2001的規定從焊接接頭上截取試樣,試驗方法按照GB/T 11170-2008的要求在M5000直讀光譜儀進行。化學成分分析結果如表所示,從表中可以看出測量值符合規范要求,同時雜質元素銅、硼、氮、磷、硫等含量較低,這可以保證焊接質量的可靠性;另外其中還含有微量的穩定化元素鈮,元素鈮的存在是為了形成碳化物,從而降低基體中的碳含量,從而對于提高材料的抗晶間腐蝕能力有益;另外根據Delong圖計算得到δ鐵素體含量約為6%,符合規范要求的鐵素體含量在5~15%的要求。焊接接頭中一定量鐵素體的存在,是為了提高焊接接頭在凝固過程中的強度,從而避免凝固收縮形成的張力將焊縫撕裂。

         

           b. 橫向拉伸

         

          按照GB/T 2651-2008的規定截取管接頭板狀試樣,其中試樣平行長度部分的寬度為6mm,試驗設備均為WAW-300液壓萬能試驗機。拉伸試驗結果表明焊接接頭的抗拉強度Rm為575MPa,滿足規范要求的不低于490MPa的要求,同時斷裂位置在焊縫以外區域,這說明焊接接頭強度優于母材強度。

         

          c. 彎曲

         

          根據GB/T 2653-2008的規定,截取橫向彎曲試樣,其中試樣厚度為鋼管厚度(3.37mm),試樣的寬度為8mm,試樣的長度為100mm,且焊縫處于試樣的中間位置,試驗設備為WAW-300液壓萬能試驗機。截取4個橫向彎曲試樣,其中2個進行面彎試驗,2個進行背彎試驗,彎曲過程所采用的圓形壓頭直徑為15mm,彎曲角度為180°,試驗結果均未發現有裂紋或其他缺陷產生。

         

          d. 微觀組織

         

           從焊接接頭上截取長度為30mm的管段,沿縱截面監測焊縫和焊縫附近區域的微觀組織,侵蝕劑為300mL HCl+500gFeCl 3+700mlH2O,侵蝕時間2秒,然后在CMM-40E金相顯微鏡上觀察不同區域的微觀組織。

        焊縫處的微觀組織如圖所示,可以看出存在明顯的兩種組織,根據表中的化學成分分析及Delong圖計算結果可知,該組織主要為奧氏體的基體和沿奧氏體基體分布的枝狀鐵素體,由于該鐵素體為直接從液相中析出,可以判斷出為δ鐵素體,據此可以判斷得出焊縫處的組織為鑄態的奧氏體+δ鐵素體。

        焊縫附近熱影響區的組織如圖所示,可以看出該區域的組織結構和焊縫的鑄態組織明顯不同,出現了經加工和熱處理后由于材料發生再結晶而存在的明顯晶界,同時晶內出現了異與基體的其他組織,且存在一定數量的孿晶。

        另外,母材區域的微觀組織如圖所示,根據張文華的研究,鉻-鎳型奧氏體不銹鋼在1100~1300℃固溶處理過程后,其δ鐵素體含量隨著固溶溫度的升高而增加,根據F-2A型鐵素體儀測母材的微觀組織中除了奧氏體基體外,還包括7.3%的鐵素體,據此推測此鐵素體應為δ鐵素體;除δ鐵素體,還可以觀測得知在部分晶界存在碳化物析出;同時對δ鐵素體析出區域放大倍數進一步進行觀察,如圖所示,可以看出在條形δ鐵素體周圍存在其它塊狀析出相,利用平衡相圖計算結果及相關研究,可分析得知該析出相為σ相。

         

         e. 晶間腐蝕

         

          晶間腐蝕試驗按照GB/T4334.5-2000的規定進行,試樣長度為100mm,寬為20mm的厚度為管材壁厚的條形試樣;晶間腐蝕前應對試樣進行敏化,敏化溫度為650℃,敏化保溫時間為2小時,保溫后在空氣中冷卻;晶界腐蝕試驗的腐蝕介質是按照該標準要求配置的硫酸-硫酸銅溶液;試驗完成后,取出試樣,洗凈、干燥、并進行聲響試驗和彎曲試驗,彎曲角度為180°。試驗結果發現,在靠近焊縫熱影響區的母材區域存在裂紋,而焊縫區域無裂紋,這表明母材的晶間腐蝕結果不合格。

         

          f. 母材性能

         

         根據母材的質量證明文件,可知母材的化學成分,具體如表所示。根據表的結果可以看出,錳含量接近上限,鎳含量接近下限,且根據Delong圖計算得到母材中的δ鐵素體含量約為8%。同時,母材的拉伸性能結果表明其室溫抗拉強度為575MPa,滿足采購技術規格書中不低于490MPa的要求;屈服強度為260MPa,滿足采購技術規格書中不低于175MPa的要求。

         

        二、分析討論

         

         根據對焊接接頭的化學成分、力學性能、彎曲、微觀組織、晶間腐蝕試驗的結果,可以看出該焊接接頭是不符合要求的,主要原因是由于母材區域在晶間腐蝕試驗過程中的彎曲檢測中出現開裂造成的。對于奧氏體不銹鋼而言,晶間腐蝕開裂的主要原因是因為不銹鋼在熱處理過程中發生了“敏化”,即沿晶界析出M23C6碳化物(其中的M主要指鉻和鐵),導致晶界附近貧鉻,同時遠離晶界基體中的鉻在短時間無法擴散到晶界,使得晶界附近的鉻含量低于材料發生腐蝕所要求的最低值,從而導致在腐蝕溶液中晶界位置優先被侵蝕,最后導致材料失效。

         

         研究表明,在奧氏體不銹鋼中一定含量的δ鐵體有助于提高合金的抗晶間腐蝕性能,這主要是由于δ鐵素體與奧氏體界面的界面能比奧氏體晶界的界面能低,使得M23C6碳化物優先在δ鐵素體與奧氏體界面上析出;同時該相界面的存在相當于增加了碳化物的析出區域面積,使得單位面積上的碳化物濃度降低,從而使得材料發生“敏化”晶界附近區域鉻含量也不至于過低,從而減少材料形成晶間腐蝕敏感性。另外,如果奧氏體不銹鋼中錳過高,鎳含量較低時則容易形成σ相。σ相是一種含有較高鉻含量的Cr-Fe金屬間化合物,當其沿晶界析出時,同時將使晶界周圍形成貧鉻區,從而使得材料的晶間腐蝕更敏感。

         

         根據對焊接接頭和母材的微觀組織分析,可以得知焊接接頭的最終組織為奧氏體基體+δ鐵素體,且焊縫為鑄態組織,因此根據最終金相檢查的分析結果可以得知焊接接頭在焊接完成后沒有發生明顯的敏化;母材的微觀組織為奧氏體基體+δ鐵素體+σ相,同時在某些晶界部分發現有碳化物的析出;由于富鉻的σ相在靠近δ鐵素體區域析出,這將使得奧氏體基體中的鉻含量降低,另外某些晶界存在碳化物析出,這就使得晶界附近的貧鉻更為嚴重。根據化學成分結果可知焊縫區域的δ鐵素體含量要高于母材,同時焊縫的鑄態組織由于無明顯晶界也無明顯的敏化現象,導致焊接接頭在敏化時未發生開裂;而母材由于即在基體中存在σ相析出,導致基體中的鉻含量降低,同時某些晶界存在碳化物的析出,導致晶界區域的貧鉻更為嚴重,最終使得母材在相同的腐蝕環境中發生晶間腐蝕開裂。

         

         對于18/8型奧氏體不銹鋼,一般在交貨前均要求進行最終固溶熱處理,固溶熱處理溫度為1050~1150℃,保溫時間約為10min,該熱處理將會保證該類型奧氏體不銹鋼為奧氏體+δ鐵素體組織,只不過由于δ鐵素體的含量很少,不易被覺察到因此一般被認為是單一的奧氏體基體組織。另外,當18/8型奧氏體不銹鋼具有較高的錳和氮時,在500℃~900℃長時間加熱,則σ相形成傾向就會比較強烈。對于本文中出現的該種焊接接頭,由于在晶界試驗中需要對試樣進行敏化,而敏化過程溫度正處于σ相的析出溫度范圍,同時在母材中錳含量處于上限、鎳含量處于下限,從而對于σ相的形成較為有利。而對于焊接接頭,由于熔覆金屬的錳含量為1.60%,鎳含量為12.09%,相對于母材中的錳含量為1.904%,鎳含量為9.348%具有較低的錳和較高的鎳,且δ鐵素體也更少,從而導致了在相同的敏化條件下焊縫區域沒有σ相產生。另外,由于鉻是鐵素體形成元素,鎳是奧氏體形成元素,因此δ鐵素體中的鉻含量要明顯高于奧氏體中的鉻,則δ鐵素體中將更容易析出富鉻的σ相,這也與圖中的金相檢查結果相吻合。

         

         綜上分析可知,由于母材中的錳含量較高、鎳含量較低,導致其在晶間腐蝕試驗的敏化過程中形成了奧氏體+δ鐵素體+σ相的微觀組織,且同時沿晶界存在碳化物析出,這導致了晶間腐蝕試驗不合格;而焊接接頭中由于僅存在δ鐵素體,無σ相和碳化物析出,而單一的δ鐵素體對于奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕是有益的,從而其在晶間腐蝕試驗過程中未發現有裂紋。

         

        三、結論及建議

         

         1. 導致焊接接頭晶間腐蝕試驗不合格的主要部位在母材區域,而導致母材晶間腐蝕試驗不合格的原因是由于不合理的元素成分(過高的錳含量和過低的鎳含量)導致在敏化后母材的微觀組織為奧氏體+δ鐵素體+σ相,從而導致母材的抗晶間腐蝕性能降低;

         

         2. 建議在奧氏體不銹鋼制造過程中鎳含量應取中間值范圍,錳含量取較低值。

         
         

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