347H不锈钢管线环焊缝稳定化处理后裂纹原因分析

  浙江宏盛特钢有限公司一项目从国外引进的大口径厚壁347H不锈钢管采用E347型的TS-347Z焊条焊接的环焊缝，在焊后检查中（UT、PT）未发现焊缝裂纹，但按设计要求在进行了900±10℃×（4~6）小时保温稳定化处理后，焊缝严重开裂，肉眼可见连续和断续裂纹数百毫米。该项目不同直径的厚壁管环焊缝计200余条已焊64个，发现开裂的焊口约有1/3。

一、裂纹成因分析

  表是切取试样焊缝所用焊材的熔敷金属化学成分及铁素体含量。根据表化学成分计算镍、铬当量，在图上查出TS-347Z焊条铁素体含量为9.8%。同时也用F-2A铁素体测量仪对TS-347Z焊条熔敷金属的铁素体含量进行了测量，平均值为11.78%。测量值和查图值虽有一定偏差，但均表明此种焊条的铁素体含量是比较高的。也对切取的试块测量其铁素体含量，其平均值为纵向裂纹试块为1.03%，横向裂纹试块为3.02%。应当说明铁素体测量仪为国产F-2A测量仪，使用中发现当铁素体＜5%时，测量值偏低，存在一定误差，即使如此，两个试块测量值仍然说明焊后经过稳定化处理，铁素体发生了转变，含量显著减少。

二、裂纹微观分析

  取纵向裂纹试块横截面试样进行光学显微镜观察，由图可见裂纹均沿着焊缝金属中的铁素体或铁素体与奥氏体晶界开裂。这一现象说明焊后稳定化处理过程中，应力松弛时发生塑性变形。而由于铁素体在稳定化处理中发生组织转变或碳化物析出变脆，局部不能满足变。断口分析从纵向和横向裂纹试块上沿裂纹打开，用扫描电子显微镜观察和分析裂纹断口的形貌，图是纵向裂纹断口上某一点从低倍到高倍的第一组断口形貌。由图可知低倍电子扫描照片显示，断裂面沿焊缝柱状晶开裂，属于脆性断口；当放大倍数增加到1.5K时，断口上显示为许多小坑状微孔，当放大倍数达到4.5K时，发现微孔面存在若干白色块状物，采用扫描电子显微镜能谱分析，这些白色块状物Nb含量极高。上述照片是347H厚壁钢管TS-347Z焊条焊后经过稳定化热处理之后焊缝裂纹的断裂面的形貌。类似于蠕变断裂时的断口形貌，这种断口形貌被认为是焊接再热裂纹断口的特征。

  金相试样用扫描电镜分析在用作光学显微镜观察的裂纹横截面金相试样上，用扫描电镜进行铁素体的光谱分析。析铁素体可知，同样铌元素的含量极高，这与在断口上的白色块状物分析结果是一致的。再一次证明裂纹是沿着焊缝铁素体或铁素体与奥氏体晶界开裂，而这种裂纹与铁素体部位存在高铌的金属间化合物（如σ相）或在晶界析出了NbC有关。

  根据环焊缝的制造工艺和裂纹的形貌特征，确定347H不锈钢管环焊缝的开裂是再热裂纹，347H不锈钢厚壁大口径管环焊缝焊后在稳定化处理900±10℃×（4~6）小时中发生NbC的析出或生成高Nb的金属间化合物（如σ相），使奥氏体和铁素体晶界因NbC的析出或在铁素体基体上形成金属化合物而脆化，在应力松弛晶格滑移时产生空穴，然后空穴长大，聚合而成裂纹。可以认为E347焊缝稳定化处理后发生的开裂符合蠕变损伤理论。

三、裂纹预防建议

   在本次分析试验表明，E347焊缝经稳定化处理后，裂纹沿铁素体或铁素体-奥氏体晶界开裂，而且裂纹断口上析出物和金相试样上铁素体组织上能谱分析显示，C、Nb含量很高。因此，认为为了防止347H管焊缝再热裂纹，从焊材和施工工艺方面提出以下建议：

1）减少焊条中化学成分C、Nb含量；

2）减少熔敷金属铁素体含量（约6%）；

3）采取保持层间温度（200~300℃），减少收缩应变；

4）最后3~5层采用对稳定化处理不敏感的E308L焊条焊接，防止从外侧启裂；

5）如果采用308L焊条焊接，将稳定化处理温度提高到950℃以上否则用阶梯热处理方式。