摘 要:某304奧氏體不銹鋼管外圈表面T型焊接加強套管的焊縫位置出現滲漏,采用宏觀觀 察、化學成分分析、液體滲透檢測、金相檢驗和掃描電子顯微鏡分析等方法研究其滲漏原因。結果 表明:焊縫處存在大量氣孔、未焊透、縱向裂紋等焊接缺陷,裂紋已穿透管壁;奧氏體不銹鋼與加強 套管為異種金屬焊接,產生了較高的焊接殘余應力,同時焊接熱輸入量過大導致不銹鋼的晶界性能 變弱,從而引起開裂。
關鍵詞:304奧氏體不銹鋼;焊接;開裂;滲漏
中圖分類號:TG142.7;TB31 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)06-0022-03
奧氏體不銹鋼具有高的熱膨脹系數和低的熱導 率,在焊接過程中容易產生較高的焊接殘余應力和 較大的變形[1],且焊縫處容易產生熱裂紋和晶間腐 蝕[2]。關于奧氏體不銹鋼焊接失效的研究已有很 多,焊接殘余應力及其引起的耐腐蝕性能下降是常 見的原因之一[3]。
在某304不銹鋼管的安裝過程中,為了避免鋼 管與隔艙壁發生摩擦碰撞,在304鋼管外部焊接加 強套管可以起到保護管材的作用(見圖1)。加強套 管與管材之間通過T型接頭連接,主要作用為固定 加強套管,焊縫不承壓,套管材料為碳鋼,即該焊縫為不銹鋼-碳鋼異種鋼焊接。該304不銹鋼管在出 廠前已經經過相關檢測,存在缺陷的概率極低。根 據客戶提供的信息,當前鋼管處于管路沖洗階段,壓 力為0.5MPa,計算得出管壁應力約為3MPa,應力 較低,相比不銹鋼材料的固有力學性能,該工作應力 不足以使正常狀態下的材料發生開裂。
鋼管安裝結束后,沖洗管路,在焊縫位置發現鋼 管滲漏。為了分析該304不銹鋼管的滲漏原因,筆 者進行了一系列理化檢驗,以避免該類問題再次 發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
在管道的滲漏位置橫向切斷,斷口宏觀形貌如 圖2所示,可見裂紋方向為沿管材縱向,裂紋從焊縫 氣孔貫穿至管材內側,氣孔內存在明顯的開裂,該穿 透式開裂是發生滲漏的主要原因。焊縫處氣孔的宏 觀形貌如圖3所示,可見角焊縫處存在大量的氣孔, 包括獨立的大尺寸氣孔和密集型氣孔,最大氣孔尺 寸約為5mm,數量最多的密集氣孔處共有12個密 集小氣孔。
1.2 化學成分分析
對該失效的管材取樣,并對試樣進行化學成分分 析,結果如表1所示,可知該管的化學成分符合ASTM A312—2019《無縫和奧氏體不銹鋼公稱管》的要求。
1.3 液體滲透檢測
經過仔細觀察管材內壁,發現每個較大氣孔及 密集氣孔處都存在疑似開裂,為了觀察管材是否還 存在其他開裂位置,對管材內壁進行了液體滲透檢 測(PT),結果發現:滲漏位置和斷面存在明顯的PT 線性顯示,與前述宏觀觀察到裂紋的形態、方向一 致。每個較大氣孔及密集氣孔處的疑似開裂位置都 存在PT線性顯示,經判定為裂紋(見圖4)。其他內 壁位置未發現PT線性顯示。
1.4 金相檢驗及掃描電鏡(SEM)分析
利用線切割方式對滲漏位置(試樣1)和未滲漏 位置(試樣2)進行取樣分析,對試樣進行拋光前和拋 光后的金相檢驗。對于試樣1,焊道上存在之前目視 檢測發現的類似氣孔,焊縫根部存在未焊透,經過機 械拋光,試樣根部清晰顯示非常嚴重的未焊透。對于 試樣2,焊道上發現了一處尺寸約為2mm的夾渣,焊 道內發現了小尺寸的疑似氣孔,經拋光后發現該缺陷 為未焊透,未焊透深度達3mm。結合整條焊縫的宏 觀觀察結果,可以認為該焊縫的焊接質量較差,存在 著大量的焊接缺陷,表明焊接熱輸入量較大。
利用光學顯微鏡對焊縫進行觀察,結果如圖5所示。試樣1的焊縫熱影響區存在明顯的結晶區, 且寬度約為0.2mm;開裂處呈沿晶開裂特征;在試 樣2的焊縫熔合區發現了典型的柱狀晶區,以及疑 似沿焊縫根部的析出物。
利用掃描電子顯微鏡對試樣1進行觀察,結果如 圖6所示,在焊道的氣孔內發現了很多開裂處[見圖 6a)],且還存在從焊道處開始至不銹鋼熱影響區和母 材的沿晶裂紋[見圖6b)],可見該處開裂情況十分嚴 重。由圖6可知:試樣開裂為非常典型的沿晶開裂, 且焊接已經導致了熱影響區的晶界性能弱化。
2 綜合分析
從上述觀察可以看出,該焊縫的焊接熱輸入量 較大,導致了焊縫的組織不佳。由于焊接熱輸入量 過大,焊接時高溫時間過長,導致不銹鋼側的母材熱 影響區易發生沿晶界的碳化物析出現象,在高溫區 形成貧鉻層,從而導致焊縫的枝晶傾向加劇,晶界處 的性能變弱,易發生開裂和晶間腐蝕。
氣孔是焊接中常見的缺陷之一,為熔池中的氣 體未在金屬凝固前全部溢出熔池,殘存于焊縫中所 形成的孔洞。氣孔也會引起應力集中,這也是裂紋 產生的重要原因之一。
該焊縫為鐵素體碳鋼和奧氏體不銹鋼的異種鋼 焊接,兩種材料的熱導率和熱膨脹系數有很大差異, 304不銹鋼熱導率低,熱膨脹系數大,熱導率僅為碳 鋼的1/2。在焊縫冷卻過程中,焊縫兩側的收縮量 不同,產生較大的周向焊接殘余應力,導致縱向裂紋 的產生和擴展。
3 結語與建議
(1)304奧氏體不銹鋼管 T型焊縫位置存在大 量的氣孔、未焊透、縱向裂紋等焊接缺陷;裂紋起源 于氣孔處,呈沿晶開裂特征,并已穿透管壁。
(2)焊接裂紋的產生原因是:由于奧氏體異種 金屬焊接產生較大的周向焊接殘余應力,同時焊接 熱輸入量過大導致不銹鋼的晶界性能嚴重弱化。
(3)不銹鋼管滲漏是縱向的、穿透型焊接裂紋 導致的;其根本原因是不銹鋼與加強套管的焊接工 藝極為不佳。
(4)建議更換套管材料,選用304奧氏體不銹 鋼,且盡量不采用仰焊或橫焊的方式,焊接前注意待 焊表面的清潔以及焊材的烘干,焊接時控制好溫度。
參考文獻:
[1] 鐘華,周南陽,湯文.奧氏體不銹鋼焊接變形和殘余應 力仿真[J].工業技術創新,2021,8(4):20-30,41.
[2] 武宜梁,繆宏,滕增,等.316H奧氏體不銹鋼焊接接頭 裂紋失效分析[J].化工裝備技術,2016,37(2):40- 42,46.
[3] 郭凱,李心剛,孔晨光,等.316L奧氏體不銹鋼堿液儲 罐開裂原因[J].理化檢驗(物理分冊),2022,58(5): 22-25,29.