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304不銹鋼大徑厚壁管道焊接缺陷分析及防治

引 言

海陽核電項目不銹鋼大徑厚壁管道多數(shù)選用304L超低碳不銹鋼。該鋼抗晶間腐蝕能力優(yōu)秀，在未進(jìn)行熱處理的情況下，亦能保持良好的耐蝕性，應(yīng)用于抗晶間腐蝕性要求高的部件。如果在焊接過程中操作不當(dāng)，容易出現(xiàn)焊接缺陷，導(dǎo)致部件快速失效。

1 304L不銹鋼管的化學(xué)成分及焊接性

奧氏體不銹鋼304L對應(yīng)為：00Cr19Ni10，其主要化學(xué)成分和主要力學(xué)性能見表1。304L不銹鋼熱導(dǎo)率較低，線膨脹系數(shù)大。因此在局部加熱和冷卻條件下，容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。

2 304L不銹鋼的焊接性

盡管304L不銹鋼線膨脹系數(shù)大，但焊接過程中彈塑性應(yīng)力應(yīng)變量也很大，故焊接過程中極少出現(xiàn)冷裂紋。焊接時易出現(xiàn)的主要問題是：

（1）因其導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)大，大徑厚壁管焊接中產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力；

（2）接頭產(chǎn)生碳化鉻析出，耐蝕性下降，容易產(chǎn)生晶間腐蝕；

（3）介質(zhì)中有氯離子存在時，在應(yīng)力作用下造成應(yīng)力腐蝕開裂；

（4）焊縫及熱影響區(qū)熱裂紋敏感性大，焊接過程中易產(chǎn)生熱裂紋。

3 焊接缺陷分析及防治措施

3.1 晶間腐蝕

晶間腐蝕是在腐蝕介質(zhì)作用下，起源于金屬表面的晶界并且沿晶粒邊界深入金屬內(nèi)部產(chǎn)生在晶粒之間的一種腐蝕。不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須＞12%， 304L不銹鋼在焊接過程中存在危險溫度區(qū)間450 ~850℃，當(dāng)溫度在這一范圍時，奧氏體中過飽和的碳向晶界迅速擴(kuò)散，并在晶粒邊界析出，在晶間形成碳和鉻的化合物 Cr23C6，此溫度區(qū)間鉻在奧氏體中的擴(kuò)散速度很慢，來不及向晶界擴(kuò)散，消耗的Cr主要來自晶界，使得晶界處的Cr含量＜12%，就形成相對的“貧鉻區(qū)”，“貧鉻區(qū)”電位下降，而晶粒本身仍維持高電位，晶粒與“貧鉻區(qū)”之間存在著一定的電位差，而在腐蝕介質(zhì)中晶界的溶解速度和晶粒本身的溶解速度是不同的，晶界的溶解速度遠(yuǎn)大于晶粒本身的溶解速度，“貧鉻區(qū)”作為陽極與晶粒構(gòu)成大陰極小陽極的微電偶電池，造成“貧鉻區(qū)”的選擇性局部腐蝕，也就是晶間腐蝕。

晶間腐蝕發(fā)生后，雖然金屬表面仍保持一定的金屬光澤，也看不出被破壞的跡象，但晶粒間的結(jié)合力已顯著減弱，強(qiáng)度下降，冷彎后表面出現(xiàn)裂縫，零件容易遭到破壞。晶間腐蝕隱蔽性強(qiáng)，突發(fā)性破壞幾率大，因此有嚴(yán)重的危害性。

3.2 應(yīng)力腐蝕開裂

應(yīng)力腐蝕開裂是指承受應(yīng)力的合金在腐蝕性環(huán)境中，由于裂紋的擴(kuò)展而產(chǎn)生失效的一種形式，其形成機(jī)理還沒有統(tǒng)一的定論。奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的重要變量是溫度、介質(zhì)、非金屬夾雜物的形態(tài)大小和分布以及加工應(yīng)力的影響。304L不銹鋼導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)大、屈服強(qiáng)度低，焊接時容易變形，當(dāng)焊接變形受到限制時，焊接接頭中必然會有較大的殘余應(yīng)力。核電站附近海風(fēng)中含有大量的氯離子，因此較容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂。

應(yīng)力腐蝕開裂的表面特征是：裂紋均發(fā)生在焊縫表面上，裂紋多與焊接方向垂直，裂紋細(xì)長并曲折，常常貫穿有黑色點(diǎn)蝕的部位。從表面開始向內(nèi)部擴(kuò)展，點(diǎn)蝕是裂紋的根源，裂紋整體呈樹枝狀，嚴(yán)重時裂紋可穿過熔合線進(jìn)入熱影響區(qū)。

3.3 結(jié)晶裂紋

304L不銹鋼焊接時，容易出現(xiàn)的熱裂紋是結(jié)晶裂紋，熱裂紋宏觀上無金屬光澤，帶有氧化顏色。304L不銹鋼中的合金元素較多，尤其含有一定量的鎳，它易與硫、磷等雜質(zhì)形成低熔點(diǎn)的共晶，焊縫金屬在凝固結(jié)晶的過程中，先結(jié)晶的金屬較純，后結(jié)晶的金屬含雜質(zhì)較多，這些雜質(zhì)與鎳形成的共晶都有較低的熔點(diǎn)而被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成一種所謂的“液態(tài)薄膜”，此時由于收縮而受到了拉伸應(yīng)力，這時焊縫中的液態(tài)薄膜就成了薄弱地帶，在拉伸應(yīng)力的作用下就有可能在這個薄弱地帶開裂而形成結(jié)晶裂紋。

3.4 防治措施

為避免焊接中出現(xiàn)以上所分析的缺陷問題，重點(diǎn)從以下幾個方面進(jìn)行防治：

焊接時盡量減少熔池過熱的情況，以防止形成粗大的柱狀晶，因此焊接時宜采用小熱輸入及小截面的焊道，多層焊時，層間溫度不宜過高，避免過熱，焊接過程中不允許焊條擺動，采用窄焊縫的操作技術(shù)。

采用超低碳奧氏體不銹鋼焊材，此時碳含量低于碳在不銹鋼中室溫溶解極限值以下，使碳不能與鉻生成Cr23C6，從根本上消除晶間腐蝕。

使焊縫金屬具有奧氏體-鐵素體雙向組織，提高其抗晶間腐蝕的能力。

氬弧焊打底焊和第一道電弧焊時進(jìn)行管道內(nèi)充氬保護(hù)，防止金屬在高溫時氧化。

將焊件加熱至1050~1150℃后快冷進(jìn)行固溶處理，使Cr23C6熔入晶粒內(nèi)部，形成均勻的奧氏體組織。

4 焊接工藝

4.1 焊接材料

根據(jù)304L不銹鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能，焊材選用ER308L焊絲（化學(xué)成分見表2）和PP-A002焊條（化學(xué)成分見表3）。焊材使用前必須復(fù)驗(yàn)合格方可使用，保證熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能。同時應(yīng)測定鐵素體體積分?jǐn)?shù)。鐵素體含量增加時可以改善焊接性，可以有效防止晶間腐蝕和熱裂紋，但接頭中鐵素體含量過高（超過15%）時，接頭耐均勻腐蝕性能下降，還可能出現(xiàn)475℃脆化或σ相脆化。因此其含量要嚴(yán)格控制，一般其體積分?jǐn)?shù)在4%~12%為宜。

4.2 焊接工藝參數(shù)及操作要點(diǎn)

正確選用焊材直徑。焊材直徑關(guān)系到焊接熱輸入量的多少，因此氬弧焊焊絲選用直徑為Ф2.5mm的焊絲，手工電弧焊選用直徑為Ф3.2mm 的焊條。在保證完全焊透、完全熔合的情況下，采用小電流、低電壓（短弧焊）快速焊接，以減少熱輸入量、改善接頭性能、減少焊接應(yīng)力。焊接工藝參數(shù)見表4。

（1）坡口組對。坡口組對前應(yīng)將坡口區(qū)域打磨出金屬光澤。焊前坡口檢查，確保坡口角度符合工藝要求。錯邊量≤壁厚的10%，且≤1mm。焊口組對不合格，不予施焊。實(shí)際操作見圖1、圖2。

（2）施焊前焊條必須烘干，并存放保溫桶內(nèi)備用。

（3）打底焊接頭前，把先焊接的一段尾端打磨成斜坡，便于接頭，避免長時間焊接產(chǎn)生過燒或接頭缺陷。

（4）打底焊時背面充氬保護(hù)，并保持到焊縫厚度大于5mm時方可停止背面保護(hù)氣體。觀察內(nèi)部打底情況（見圖3），特別注意檢查根部有無過燒組織，以驗(yàn)證充氬效果。

（5）采用直線運(yùn)條，不作橫向擺動，采用雙人對稱焊，層間溫度不宜過高，使用紅外線測溫儀隨時檢查層間溫度（見圖4、圖5）。待冷卻至60℃以下清渣后再進(jìn)行下一道焊接，層間接頭要錯開15~20mm，收弧時應(yīng)填滿熔池。

（6）每道焊縫厚度不要超過焊條直徑，寬度不要超過焊條直徑的3倍。

4.3 檢驗(yàn)結(jié)果

（1）焊接完畢，焊工應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行焊縫表面清理和外觀檢查（見圖6、圖7），確認(rèn)表面無缺陷。焊接后除了焊工嚴(yán)格自檢之外，質(zhì)檢員要對焊縫做100%的外觀檢查，并填寫焊縫外觀檢查記錄表，發(fā)現(xiàn)缺陷立刻進(jìn)行返修。

冷焊機(jī) 電火花堆焊修復(fù)機(jī)

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（2）經(jīng)過無損檢測，一次探傷合格率達(dá)99.92%。

（3）不合格焊縫的返修，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)范要求進(jìn)行返修處理。

5 結(jié)束語

不銹鋼一般使用在耐腐蝕性要求高的環(huán)境中，如果對其認(rèn)識不夠，施工過程中不注意保護(hù)，其腐蝕速度甚至超過普通碳鋼，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到耐腐蝕的要求，造成快速失效。因此不僅要掌握焊接技巧，提高焊接質(zhì)量，而且對其存放、打磨清理、標(biāo)記等都要有嚴(yán)格的規(guī)定。