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宏盛特钢核级奥氏体不锈钢管焊接接头晶间腐蚀原因分析
发布者:不锈钢管厂(www.zjhstg.com) 发布时间:2021/8/18 阅读:149

  浙江宏盛特钢有限公司在对核级奥氏体不锈钢管焊接接头性能分析过程中,发现晶间腐蚀试验不合格,且发生晶间腐蚀开裂的位置为母材,通过分析发现导致母材晶间腐蚀不合格的原因可能是由于不合理的元素成分(过高的锰含量和过低的镍含量)和不合理的热处理制度导致了母材在敏化后微观组织为奥氏体+δ铁素体+σ相,从而使得晶间敏化时贫铬更严重,同时针对该种情况给出了相应的预防措施。

 

18-8型奥氏体不锈钢因其具有较高的强度、塑形和良好的耐腐蚀性能在核电站中广泛应用,其中包括某些设备的重要部件以及需承担耐高温、耐腐蚀等而恶劣环境的重要系统管道。重要部件及管道用奥氏体不锈钢在使用过程中需要复验,同时在焊接过程中还需要对焊接接头进行焊接工艺评定,其中就包括进行晶间腐蚀试验。由于晶间腐蚀对于奥氏体不锈钢的应用影响很大,且其发生过程不易觉察,所以奥氏体不锈钢晶间腐蚀现象受到了广泛关注。

 

 至德钢业针对某一核级奥氏体不锈钢管在焊接实施前焊接工艺评定不合格问题,进行了包括化学成分、力学性能、工艺性能、微观组织、耐腐蚀性能等方面的试验,分析了造成工艺评定不合格的原因主要为晶间腐蚀试验不合格,并对造成晶间腐蚀试验不合格的原因进行了分析,并提出了避免该种问题出现的相关措施,从而为核级奥氏体不锈钢在核电站中的广泛应用提供一定的理论基础。

 

一、焊接接头的制备与试验方法

 

 1. 焊接接头的制备

 

 母材为Z2CN18.10,规格为Φ21.3mm×3.37mm,填充焊丝为ER316L,规格为Φ2.0,焊接工艺为惰性气体保护钨极电弧焊(TIG)。对焊接接头进行无损检测,包括目视检测、渗透检测和射线检测,结果表明焊接接头的表面缺陷及内部缺陷在采购规定的要求范围之内。

 

 2. 试验方法及试验结果

 

 为了检验焊接接头是否满足要求,从焊接接头上分别取样进行化学成分分析、横向拉伸、弯曲、微观组织、晶间腐蚀等试验项目,具体要求如下。

 

   a. 化学成分

   按照GB/T 20066-2001的规定从焊接接头上截取试样,试验方法按照GB/T 11170-2008的要求在M5000直读光谱仪进行。化学成分分析结果如表所示,从表中可以看出测量值符合规范要求,同时杂质元素铜、硼、氮、磷、硫等含量较低,这可以保证焊接质量的可靠性;另外其中还含有微量的稳定化元素铌,元素铌的存在是为了形成碳化物,从而降低基体中的碳含量,从而对于提高材料的抗晶间腐蚀能力有益;另外根据Delong图计算得到δ铁素体含量约为6%,符合规范要求的铁素体含量在5~15%的要求。焊接接头中一定量铁素体的存在,是为了提高焊接接头在凝固过程中的强度,从而避免凝固收缩形成的张力将焊缝撕裂。

 

   b. 横向拉伸

 

  按照GB/T 2651-2008的规定截取管接头板状试样,其中试样平行长度部分的宽度为6mm,试验设备均为WAW-300液压万能试验机。拉伸试验结果表明焊接接头的抗拉强度Rm为575MPa,满足规范要求的不低于490MPa的要求,同时断裂位置在焊缝以外区域,这说明焊接接头强度优于母材强度。

 

  c. 弯曲

 

  根据GB/T 2653-2008的规定,截取横向弯曲试样,其中试样厚度为钢管厚度(3.37mm),试样的宽度为8mm,试样的长度为100mm,且焊缝处于试样的中间位置,试验设备为WAW-300液压万能试验机。截取4个横向弯曲试样,其中2个进行面弯试验,2个进行背弯试验,弯曲过程所采用的圆形压头直径为15mm,弯曲角度为180°,试验结果均未发现有裂纹或其他缺陷产生。

 

  d. 微观组织

 

   从焊接接头上截取长度为30mm的管段,沿纵截面监测焊缝和焊缝附近区域的微观组织,侵蚀剂为300mL HCl+500gFeCl 3+700mlH2O,侵蚀时间2秒,然后在CMM-40E金相显微镜上观察不同区域的微观组织。

焊缝处的微观组织如图所示,可以看出存在明显的两种组织,根据表中的化学成分分析及Delong图计算结果可知,该组织主要为奥氏体的基体和沿奥氏体基体分布的枝状铁素体,由于该铁素体为直接从液相中析出,可以判断出为δ铁素体,据此可以判断得出焊缝处的组织为铸态的奥氏体+δ铁素体。

焊缝附近热影响区的组织如图所示,可以看出该区域的组织结构和焊缝的铸态组织明显不同,出现了经加工和热处理后由于材料发生再结晶而存在的明显晶界,同时晶内出现了异与基体的其他组织,且存在一定数量的孪晶。

另外,母材区域的微观组织如图所示,根据张文华的研究,铬-镍型奥氏体不锈钢在1100~1300℃固溶处理过程后,其δ铁素体含量随着固溶温度的升高而增加,根据F-2A型铁素体仪测母材的微观组织中除了奥氏体基体外,还包括7.3%的铁素体,据此推测此铁素体应为δ铁素体;除δ铁素体,还可以观测得知在部分晶界存在碳化物析出;同时对δ铁素体析出区域放大倍数进一步进行观察,如图所示,可以看出在条形δ铁素体周围存在其它块状析出相,利用平衡相图计算结果及相关研究,可分析得知该析出相为σ相。

 

 e. 晶间腐蚀

 

  晶间腐蚀试验按照GB/T4334.5-2000的规定进行,试样长度为100mm,宽为20mm的厚度为管材壁厚的条形试样;晶间腐蚀前应对试样进行敏化,敏化温度为650℃,敏化保温时间为2小时,保温后在空气中冷却;晶界腐蚀试验的腐蚀介质是按照该标准要求配置的硫酸-硫酸铜溶液;试验完成后,取出试样,洗净、干燥、并进行声响试验和弯曲试验,弯曲角度为180°。试验结果发现,在靠近焊缝热影响区的母材区域存在裂纹,而焊缝区域无裂纹,这表明母材的晶间腐蚀结果不合格。

 

  f. 母材性能

 

 根据母材的质量证明文件,可知母材的化学成分,具体如表所示。根据表的结果可以看出,锰含量接近上限,镍含量接近下限,且根据Delong图计算得到母材中的δ铁素体含量约为8%。同时,母材的拉伸性能结果表明其室温抗拉强度为575MPa,满足采购技术规格书中不低于490MPa的要求;屈服强度为260MPa,满足采购技术规格书中不低于175MPa的要求。

 

二、分析讨论

 

 根据对焊接接头的化学成分、力学性能、弯曲、微观组织、晶间腐蚀试验的结果,可以看出该焊接接头是不符合要求的,主要原因是由于母材区域在晶间腐蚀试验过程中的弯曲检测中出现开裂造成的。对于奥氏体不锈钢而言,晶间腐蚀开裂的主要原因是因为不锈钢在热处理过程中发生了“敏化”,即沿晶界析出M23C6碳化物(其中的M主要指铬和铁),导致晶界附近贫铬,同时远离晶界基体中的铬在短时间无法扩散到晶界,使得晶界附近的铬含量低于材料发生腐蚀所要求的最低值,从而导致在腐蚀溶液中晶界位置优先被侵蚀,最后导致材料失效。

 

 研究表明,在奥氏体不锈钢中一定含量的δ铁体有助于提高合金的抗晶间腐蚀性能,这主要是由于δ铁素体与奥氏体界面的界面能比奥氏体晶界的界面能低,使得M23C6碳化物优先在δ铁素体与奥氏体界面上析出;同时该相界面的存在相当于增加了碳化物的析出区域面积,使得单位面积上的碳化物浓度降低,从而使得材料发生“敏化”晶界附近区域铬含量也不至于过低,从而减少材料形成晶间腐蚀敏感性。另外,如果奥氏体不锈钢中锰过高,镍含量较低时则容易形成σ相。σ相是一种含有较高铬含量的Cr-Fe金属间化合物,当其沿晶界析出时,同时将使晶界周围形成贫铬区,从而使得材料的晶间腐蚀更敏感。

 

 根据对焊接接头和母材的微观组织分析,可以得知焊接接头的最终组织为奥氏体基体+δ铁素体,且焊缝为铸态组织,因此根据最终金相检查的分析结果可以得知焊接接头在焊接完成后没有发生明显的敏化;母材的微观组织为奥氏体基体+δ铁素体+σ相,同时在某些晶界部分发现有碳化物的析出;由于富铬的σ相在靠近δ铁素体区域析出,这将使得奥氏体基体中的铬含量降低,另外某些晶界存在碳化物析出,这就使得晶界附近的贫铬更为严重。根据化学成分结果可知焊缝区域的δ铁素体含量要高于母材,同时焊缝的铸态组织由于无明显晶界也无明显的敏化现象,导致焊接接头在敏化时未发生开裂;而母材由于即在基体中存在σ相析出,导致基体中的铬含量降低,同时某些晶界存在碳化物的析出,导致晶界区域的贫铬更为严重,最终使得母材在相同的腐蚀环境中发生晶间腐蚀开裂。

 

 对于18/8型奥氏体不锈钢,一般在交货前均要求进行最终固溶热处理,固溶热处理温度为1050~1150℃,保温时间约为10min,该热处理将会保证该类型奥氏体不锈钢为奥氏体+δ铁素体组织,只不过由于δ铁素体的含量很少,不易被觉察到因此一般被认为是单一的奥氏体基体组织。另外,当18/8型奥氏体不锈钢具有较高的锰和氮时,在500℃~900℃长时间加热,则σ相形成倾向就会比较强烈。对于本文中出现的该种焊接接头,由于在晶界试验中需要对试样进行敏化,而敏化过程温度正处于σ相的析出温度范围,同时在母材中锰含量处于上限、镍含量处于下限,从而对于σ相的形成较为有利。而对于焊接接头,由于熔覆金属的锰含量为1.60%,镍含量为12.09%,相对于母材中的锰含量为1.904%,镍含量为9.348%具有较低的锰和较高的镍,且δ铁素体也更少,从而导致了在相同的敏化条件下焊缝区域没有σ相产生。另外,由于铬是铁素体形成元素,镍是奥氏体形成元素,因此δ铁素体中的铬含量要明显高于奥氏体中的铬,则δ铁素体中将更容易析出富铬的σ相,这也与图中的金相检查结果相吻合。

 

 综上分析可知,由于母材中的锰含量较高、镍含量较低,导致其在晶间腐蚀试验的敏化过程中形成了奥氏体+δ铁素体+σ相的微观组织,且同时沿晶界存在碳化物析出,这导致了晶间腐蚀试验不合格;而焊接接头中由于仅存在δ铁素体,无σ相和碳化物析出,而单一的δ铁素体对于奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀是有益的,从而其在晶间腐蚀试验过程中未发现有裂纹。

 

三、结论及建议

 

 1. 导致焊接接头晶间腐蚀试验不合格的主要部位在母材区域,而导致母材晶间腐蚀试验不合格的原因是由于不合理的元素成分(过高的锰含量和过低的镍含量)导致在敏化后母材的微观组织为奥氏体+δ铁素体+σ相,从而导致母材的抗晶间腐蚀性能降低;

 

 2. 建议在奥氏体不锈钢制造过程中镍含量应取中间值范围,锰含量取较低值。

 
 

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