TP347不銹鋼高壓管道焊縫脆性成因分析及工藝改進(jìn)

束潤濤 武漢市潤之達(dá)石化設(shè)備有限公司

朱華平 中國石油化工股份公司荊門分公司

摘要：某石化公司新上渣油加氫裝置TP347高溫高壓管道的焊接接頭在穩(wěn)定化熱處理后出現(xiàn)大量裂紋，經(jīng)過對焊縫金屬進(jìn)行一系列試驗，發(fā)現(xiàn)焊縫金屬韌性很差，晶間腐蝕試驗也不合格。經(jīng)過微觀分析，發(fā)現(xiàn)焊縫柱狀晶晶界存在大量碳化物析出，沖擊試樣斷口存在密集碳化鈮和氧化性夾雜物。焊接工藝經(jīng)過改進(jìn)并嚴(yán)格控制焊接過程后，焊接接頭的工藝性能得到了顯著改善。針對現(xiàn)場焊后穩(wěn)定化熱處理存在溫差應(yīng)力的情況，取消了焊后穩(wěn)定化熱處理工藝。

關(guān)鍵詞：TP347 高壓管道 焊縫 失效分析 工藝改進(jìn)

0前言

某石化公司高溫高壓渣油加氫裝置TP347厚壁管道（ø427×50）焊后經(jīng)RT射線檢測未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，但經(jīng)過穩(wěn)定化熱處理后卻發(fā)現(xiàn)大量裂紋。由于涉及到高溫高壓的高危使用環(huán)境，該企業(yè)高度重視，組織專家進(jìn)行了專題討論，與會專家一致認(rèn)為，出現(xiàn)裂紋的原因可能是在焊接過程中就已經(jīng)形成了焊接接頭的性能惡化，而現(xiàn)場熱處理過程中又存在內(nèi)外壁嚴(yán)重的溫差應(yīng)力所致。

施工單位提供的失效分析樣件已經(jīng)對穩(wěn)定化熱處理后的原始缺陷進(jìn)行了焊補(bǔ)。由于涉及到高溫高壓使用環(huán)境，盡管所有原始裂紋都已經(jīng)被焊補(bǔ)，該公司仍決定按非正常失效來對待TP347高壓管道的焊接接頭，并將失效分析工作委托給潤之達(dá)石化公司進(jìn)行分析研究。

1、TP347高壓管道規(guī)格、熱處理、焊接工藝和裂紋形貌

1.1 TP347管道規(guī)格、狀態(tài)及裂紋形貌

TP347高壓管道規(guī)格為ø464*50mm。本次失效分析的焊接接頭樣品取自該石化公司渣油加氫工程施工現(xiàn)場焊接的高壓管道，但焊接接頭的裂紋在取樣前已經(jīng)被施工單位現(xiàn)場修復(fù)，沒有取到原始裂紋形貌，但施工單位提供了裂紋照片（見圖1）。

本次失效分析取樣避開了經(jīng)過焊補(bǔ)的部位，重點針對穩(wěn)定化熱處理的焊接接頭進(jìn)行相關(guān)試驗研究。

施工現(xiàn)場穩(wěn)定化熱處理工藝為900℃/4h，熱處理為局部加熱方式，加熱部件為電加熱帶，外部包覆石棉進(jìn)行保溫。

圖1 焊縫裂紋形貌

圖1為穩(wěn)定化熱處理后焊縫的裂紋形貌，裂紋位于焊縫中間搭接熔合線及母材熔合線，焊縫外觀成型較差。

1.2焊接工藝和質(zhì)量控制

現(xiàn)場施工單位提供的焊接工藝（WPS）為手工氬弧焊打底（TIG）+焊條電弧焊（SMAW）填充。氬弧焊焊絲為ER347，直徑ø2.5；手工焊焊條為A132國產(chǎn)焊條，直徑ø4.0。

在施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)TP347高壓管道焊縫表面成型較差，焊接質(zhì)量過程控制資料記錄不完整。

2、焊接接頭化學(xué)成分和機(jī)械性能試驗

2.1焊接接頭母材和焊縫金屬化學(xué)成分

焊接接頭母材和焊縫金屬的化學(xué)成分見表1.

表1 TP347母材和焊縫的化學(xué)成分（%）

化學(xué)成分測試方法按GB/T11170《不銹鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法》^【1】。按美國ASME SA312/SA312M-2010《無縫和焊接奧氏體不銹鋼公稱管》^【2】TP347的標(biāo)準(zhǔn)要求，母材和焊縫金屬的碳含量都略微偏低，焊縫的Cr含量超標(biāo)，但并不影響使用性能。

2.2焊接接頭力學(xué)性能

在TP347管道同一條焊接接頭上取了2個拉伸試樣，其拉伸試驗的結(jié)果見表2.

表2 焊接接頭拉伸試驗結(jié)果

按NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗》^【3】的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了拉伸試驗，其抗拉強(qiáng)度試驗結(jié)果滿足母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.3焊縫金屬常溫沖擊試驗

奧氏體不銹鋼焊縫金屬的沖擊韌性正常指標(biāo)應(yīng)該在100J左右，甚至更高。做沖擊試驗的目的是了解焊縫金屬脆性傾向的主要手段之一。為了使試驗數(shù)據(jù)更具說服力，在焊縫近表面和焊縫近根部按編號各取了5個沖擊式樣，試樣尺寸10×10×50，在試樣上部中間開標(biāo)準(zhǔn)V型缺口，以下是焊縫金屬沖擊試樣取樣截面示意圖（見圖2）。

圖2 焊縫金屬沖擊試樣取樣截面示意圖

常溫沖擊試驗按GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》^【4】，開V型缺口。

焊縫金屬常溫沖擊試驗結(jié)果見表3。

表3 焊縫金屬的常溫沖擊功（20℃）

從本次試驗的結(jié)果來看，焊縫金屬的常溫沖擊值很低。本課題組2015年做了全套“TP347焊接及熱處理專題試驗研究”，TP347采用焊條電弧焊焊縫金屬的正常常溫沖擊值應(yīng)在100J左右，優(yōu)質(zhì)焊縫的沖擊值應(yīng)在130J以上，而焊后穩(wěn)定化熱處理并不會造成沖擊韌性的大幅降低。后來也用本文所述同樣的焊接材料進(jìn)行過焊接驗證，其焊縫金屬的常溫沖擊功都在60J以上，其它綜合性能良好。因此，可以判定，以上數(shù)據(jù)說明焊工在焊接時的隨意性很大，焊接過程沒有嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，導(dǎo)致焊縫金屬的脆性傾向明顯。

3、擴(kuò)展性試驗分析

擴(kuò)展性試驗就是針對TP347奧氏體不銹鋼及焊接工藝在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之內(nèi)所沒有要求的相關(guān)試驗項目進(jìn)行檢測試驗和分析，其目的是進(jìn)一步了解焊縫金屬的其它綜合性能。根據(jù)圖1所顯示的裂紋形貌，基本可以判定焊縫金屬存在一定的脆性，僅僅通過化學(xué)成分和機(jī)械性能并不能發(fā)現(xiàn)具體原因。因此，進(jìn)行擴(kuò)展性試驗是了解焊縫內(nèi)在質(zhì)量的重要途徑和方法。

3.1母材和焊縫表面布氏硬度檢測

對TP347高壓厚壁管對接接頭焊縫內(nèi)壁和外壁環(huán)向按每隔180°的部位標(biāo)記一個7*7cm的方框，用手持式布氏硬度計在每個標(biāo)記的方框內(nèi)測試5個點。

查閱GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》^【5】中TP347等同鋼號（07Cr18Ni11Nb）的硬度值規(guī)定為≤192HB，而焊縫金屬存在成分差異、組織不均勻和焊接應(yīng)力等問題，其硬度值的上限可以按國標(biāo)母材規(guī)定值的1.1倍作為參照，即焊縫金屬的硬度值應(yīng)≤211HB。

經(jīng)硬度測試，發(fā)現(xiàn)焊縫外壁3個部位和焊縫內(nèi)壁1個部位的硬度值均≤211HB，而焊縫內(nèi)壁有1個方框內(nèi)HB硬度平均值達(dá)到214HB。由于焊接坡口型式為單面V型坡口，焊道中上部為收縮應(yīng)力，根部為壓應(yīng)力，根部硬度值稍大屬于正常情況。

3.2晶間腐蝕試驗

焊接工藝評定一般沒有晶間腐蝕試驗要求，但在有特殊要求情況下由甲乙雙方進(jìn)行協(xié)商規(guī)定。本次失效分析做晶間腐蝕試驗的目的是從腐蝕的角度驗證焊縫金屬的可靠性。

試驗方法：GB/T4334-2008 《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》^【6】中的A法。

腐蝕溶液：10%草酸電解液。

試樣尺寸1×1cm，電解密度1A/cm²,侵蝕時間90秒，試樣溫度28℃。

表4 晶間腐蝕試驗結(jié)果

晶間腐蝕試驗取樣部位為距焊縫外表面20mm的焊縫芯部，試樣經(jīng)打磨電解腐蝕后的微觀圖片如下：

圖3 焊縫，溝狀組織三類 500×

圖4 熔合線，溝狀組織三類 500×

圖5 熱影響區(qū)，混合組織二類 500×

圖6 母材，階梯組織一類 500×

從晶間腐蝕試驗的結(jié)果來看，焊接接頭的焊縫金屬、熔合線和熱影響區(qū)都不耐晶間腐蝕，焊縫存在嚴(yán)重的晶間腐蝕現(xiàn)象。

TP347是含鈮的穩(wěn)定化不銹鋼，焊接接頭經(jīng)過穩(wěn)定化熱處理后，母材熱影響區(qū)和焊縫金屬都不應(yīng)該有晶間腐蝕，如果發(fā)生晶間腐蝕，說明焊接工藝、焊接技能和過程控制管理都需要改進(jìn)和提高。

4、焊接接頭及焊縫沖擊式樣的微觀分析

4.1焊接接頭微觀分析

將焊接接頭取樣研磨、拋光和腐蝕后進(jìn)行微觀電鏡分析，母材為純奧氏體組織，焊縫為奧氏體+少量鐵素體，熔合線組織良好，焊縫熱影響區(qū)晶粒未見明顯長大。但經(jīng)過進(jìn)一步放大后發(fā)現(xiàn)兩個試樣的母材均存在彌散析出物（見圖7），焊縫柱狀晶晶界均發(fā)現(xiàn)有大量碳化物析出（見圖8），晶界呈明顯疏松特征。

圖7 熔合線兩側(cè)微觀組織 2000×

圖8 焊縫柱狀晶晶界析出物 2000×

在母材上發(fā)現(xiàn)彌散碳化物對材料的性能并無明顯負(fù)面影響，而在焊縫枝狀晶的鐵素體晶界出現(xiàn)大量析出物則是導(dǎo)致焊縫金屬沖擊韌性降低和晶間腐蝕試驗不合格的主要原因。從母材碳化物的彌散析出來看，晶界沒有碳化物析出，說明并非穩(wěn)定化熱處理所致，而焊縫金屬枝晶間的碳化物大量析出屬于焊接過程中熱輸入量過大所致。

4.2焊縫金屬沖擊試樣斷口微觀分析

鑒于焊縫金屬沖擊韌性很低的問題，對編號018A和018B焊縫金屬沖擊值最低的2個試樣進(jìn)行了微觀電鏡的分析研究。

4.2.1 編號018A沖擊試樣斷口的微觀分析

圖9 018A沖擊斷口低倍形貌 14×

圖10 沖擊斷口高倍韌窩形貌500×

018A沖擊試樣斷口平直，呈花崗巖脆性特征，基本無唇口，側(cè)向膨脹量很低，經(jīng)放大500倍后能夠觀察到韌窩中有細(xì)小的二次裂紋和不規(guī)則的孔洞。

為了進(jìn)一步分析沖擊斷口發(fā)生脆性斷裂的原因，對斷口進(jìn)一步放大后對3個點進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見圖11和表5。

圖11 韌窩中顆粒物的能譜分析

表5 韌窩中顆粒物EDS能譜分析重量百分比結(jié)果（%）

注：余量為Fe.

針對018A沖擊試樣3個微區(qū)的共同特點就是硅錳含量很高，第1個點還存在一定的鋁含量，基本可以判定這些顆粒物都是焊條藥皮所殘留的氧化性夾雜物。

4.2.2 編號018B沖擊試樣斷口的微觀分析

圖12 沖擊斷口芯部有二次裂紋 14×

圖13 沖擊斷口右上角解理形貌 500×

018B試樣低倍發(fā)現(xiàn)芯部有一條狀二次裂紋（圖12），右上角高倍發(fā)現(xiàn)韌窩狀態(tài)不明顯，基本呈脆性解理特征（圖13）。

通過進(jìn)一步高倍電鏡分析，發(fā)現(xiàn)在沖擊試樣芯部有密集碎渣狀顆粒物和氧化性夾雜物。碎渣狀顆粒物見圖14，氧化性夾雜物見圖15.

圖14 沖擊式樣斷口上的碎塊狀夾雜物 5000×

圖15 沖擊式樣斷口上的氧化物 1000×

針對碎塊狀夾雜物和氧化性夾雜物的EDS能譜分析結(jié)果如下：

表6 夾雜物EDS能譜分析結(jié)果（%）

注：余量為Fe.

微觀發(fā)現(xiàn)的碎塊狀顆粒物為碳化鈮，是焊接時藥皮中的鈮粉熔化不徹底所致。白色為金屬鉍的氧化物，為焊條藥皮中的脫氧劑成分。

5、穩(wěn)定化熱處理裂紋、焊縫脆性的成因分析和改進(jìn)措施

5.1焊后穩(wěn)定化熱處理裂紋的成因分析

TP347相鄰焊道熔合線及焊縫熔合區(qū)的裂紋與高壓厚壁管道局部穩(wěn)定化熱處理有關(guān)，因為管道施工現(xiàn)場的局部熱處理與爐膛密閉環(huán)境中的整體熱處理有很大區(qū)別，密閉熱處理爐爐膛內(nèi)部的溫差一般不大于30℃，而施工現(xiàn)場采用局部加熱帶進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理的方式，忽略了厚壁管的內(nèi)外溫差問題，因為管內(nèi)的溫度擴(kuò)散很快。某工程安裝企業(yè)做過穩(wěn)定化熱處理的溫度場測試，取長度800mm×45mm的厚壁管，兩端敞口部分用5mm厚的板材封堵，在管子中間寬度400mm的范圍用電加熱帶進(jìn)行加熱，在900℃保溫4h的時間內(nèi)，管內(nèi)溫度始終只有750℃左右。在實際工程應(yīng)用上，加熱溫度不僅通過金屬導(dǎo)熱擴(kuò)散，而且管子兩端是沒有封堵的，管內(nèi)溫度會向兩側(cè)自由擴(kuò)散，其管內(nèi)溫度與管外的溫差將達(dá)到200℃左右。

由于管子內(nèi)外壁金屬的膨脹量不同會導(dǎo)致內(nèi)外壁存在一定的溫差應(yīng)力，這種溫差應(yīng)力有可能會讓具有脆性傾向以及有焊接微缺陷的焊縫撕裂（見圖16）。

圖16 施工現(xiàn)場穩(wěn)定化熱處理溫度擴(kuò)散模擬圖

5.2焊縫脆性分析

經(jīng)過擴(kuò)展性試驗分析，發(fā)現(xiàn)焊縫金屬存在沖擊韌性很低的脆性問題，焊縫金屬的晶間腐蝕試驗也不合格。微觀研究發(fā)現(xiàn)焊縫柱狀晶晶界存在大量的碳化物析出，沖擊試樣斷口也發(fā)現(xiàn)密集的碳化鈮碎渣和氧化鉍等殘留物。

TP347焊縫金屬的碳化物析出是由于焊接熱輸入量過大，層間溫度沒有進(jìn)行有效控制，導(dǎo)致焊縫金屬在碳化物析出的敏感溫度段駐留時間過長所致。

焊縫中殘留的碳化鈮與焊條中合金元素的冶金過渡有關(guān)，因為國產(chǎn)A132焊條中的鈮是以粉末形態(tài)通過藥皮進(jìn)行冶金過渡的，而藥皮是起穩(wěn)弧、脫氧、脫渣和隔絕空氣作用的，對于像鈮這樣的高熔點金屬，弧柱周邊的溫度遠(yuǎn)低于弧柱芯部的溫度，而藥皮中以粉末狀態(tài)存在的鈮粉未能充分熔解也在情理之中。

焊縫中殘留的氧化鉍為藥皮中的脫氧劑，其它鋁、硅、錳等成分也是氧化性元素，實際上就是焊條藥皮中的非金屬和金屬粉末參與了冶金活動并殘留于焊道中間。

5.3穩(wěn)定化熱處理及焊接工藝改進(jìn)措施及改進(jìn)效果

5.3.1取消焊后穩(wěn)定化熱處理

經(jīng)過上述分析和討論，基本厘清了穩(wěn)定化熱處理產(chǎn)生裂紋的原因。由于施工現(xiàn)場不具備可靠的穩(wěn)定化熱處理條件，在施工現(xiàn)場進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理弊大于利。德國科學(xué)家在《不銹鋼焊接冶金》^【7】一書P202頁表述的也很清楚：含鈮和含鈦的穩(wěn)定化不銹鋼焊縫金屬在焊態(tài)和固溶態(tài)表現(xiàn)出最佳的耐蝕性，應(yīng)盡量避免采用固溶熱處理以外的其它熱處理方式。從現(xiàn)有失效案例以及我們前期所做的焊后熱處理專題試驗研究來看，TP347焊后穩(wěn)定化熱處理存在碳化鈮的彌散強(qiáng)化問題，對焊縫金屬的沖擊韌性并無實質(zhì)上的改善，而高壓管道的使用環(huán)境為400℃以上，實際上在使用過程中就一直處于消除應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)討論后取消了焊后穩(wěn)定化熱處理工藝。

5.3.2對高壓管道原始焊縫的處理措施

根據(jù)以上試驗研究的分析結(jié)果，該公司決定清除所有高壓管道的原始焊縫，按新的工藝要求進(jìn)行重新焊接。

a.焊條直徑由ø4.0改為ø3.2，焊縫中的鈮不得通過藥皮進(jìn)行冶金過渡。焊條來源選用進(jìn)口焊條，焊條的焊芯為含鈮的全元素不銹鋼焊芯，以改善鈮元素難以徹底熔解的問題。

b.焊接工藝參數(shù)嚴(yán)格按照WPS規(guī)定進(jìn)行多層多道小線能量焊接，將層間溫度控制在≤120℃以內(nèi)。

c.焊接過程進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制，每焊接一道均應(yīng)對焊接參數(shù)進(jìn)行如實記錄，并將焊縫表面的顏色控制為銀白色和金黃色，不得出現(xiàn)深紫色和鐵黑色。

5.3.3改進(jìn)效果

按5.3.2條焊接工藝改進(jìn)方案，重新焊接后焊縫金屬的綜合性能得到了明顯改善，焊縫金屬任一部位的表面硬度均≤192HB，常溫沖擊值（AKv）在80～150J范圍，晶間腐蝕試驗合格。

焊縫金屬的微觀柱狀晶邊緣及晶內(nèi)均未見碳化物析出，雖然仍然存在氧化物夾雜但夾雜物數(shù)量已明顯減少。

6、總結(jié)

6.1通過一系列試驗分析，發(fā)現(xiàn)TP347焊縫金屬硬度值有個別部位HB偏高，焊縫沖擊韌性很低，晶間腐蝕試驗不合格。

6.2通過焊接接頭的微觀分析，發(fā)現(xiàn)焊縫熔合線良好，但焊縫柱狀晶晶界存在大量碳化物析出。

6.3通過沖擊試樣斷口的微觀分析，發(fā)現(xiàn)斷口存在密集碳化鈮碎渣和密集氧化鉍，在所有韌窩中均存在大量細(xì)小的氧化性顆粒物。

6.4通過更換焊接材料，降低焊接參數(shù)，嚴(yán)格按照焊接工藝進(jìn)行過程控制，使焊縫金屬的綜合性能得到了顯著改善，取消焊后穩(wěn)定化熱處理工藝，滿足高壓管道的安全使用要求。

6.5目前，石油煉化及煤化工各種加氫裝置越來越多，涉及到高溫高壓臨氫環(huán)境設(shè)備及管道的焊接脆性是重要的隱性危害，希望引起業(yè)內(nèi)足夠認(rèn)識。

參考文獻(xiàn)：

【1】GB/T11170《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法》

【2】ASME SA312/SA312M-2010《無縫和焊接奧氏體不銹鋼公稱管》

【3】NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗》

【4】GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》

【5】GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》

【6】GB/T4334-2008 《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》

【7】《不銹鋼焊接冶金》，（德）埃里希.?？斯轮踝啃?/span>朱學(xué)軍譯，化學(xué)工業(yè)出版社，2004-10.（P202）

特別致謝：感謝陳方玉教授提供微觀電鏡和能譜分析實驗結(jié)果。

作者簡介：

束潤濤，男，1966年4月出生。武漢市潤之達(dá)石化設(shè)備有限公司總經(jīng)理兼研發(fā)中心主任，湖北省焊接技術(shù)協(xié)會常務(wù)理事。長期從事石化設(shè)備的材料、焊接和腐蝕失效分析和研究工作，公開發(fā)表專業(yè)技術(shù)論文20多篇。以課題負(fù)責(zé)人身份承擔(dān)了“國際熱核聚變實驗堆超低溫（-269℃）部件的焊接和熱處理”科研項目、國防科工委“超低溫（-196℃）風(fēng)洞”的科研項目以及中海油惠州煉化“TP347&TP347H焊接及熱處理專題試驗研究”項目。獲得5項發(fā)明專利授權(quán)證書和20多項實用新型專利授權(quán)證書，其中“耐硫化氫腐蝕09Cr2AlMoRE換熱器”獲得湖北省重大科技成果獎。是武漢工程大學(xué)和湖北工業(yè)大學(xué)特聘校外研究生導(dǎo)師。E-mail：shu8088@263.net