摘 要:某304奥氏体不锈钢管外圈表面T型焊接加强套管的焊缝位置出现渗漏,采用宏观观 察、化学成分分析、液体渗透检验测试、金相检验和扫描电子显微镜分析等方法研究其渗漏原因。结果 表明:焊缝处存在大量气孔、未焊透、纵向裂纹等焊接缺陷,裂纹已穿透管壁;奥氏体不锈钢与加强 套管为异种金属焊接,产生了较高的焊接残余应力,同时焊接热输入量过大导致不锈钢的晶界性能 变弱,从而引起开裂。

  奥氏体不锈钢拥有高的热膨胀系数和低的热导 率,在焊接过程中易产生较高的焊接残余应力和 较大的变形[1],且焊缝处易产生热裂纹和晶间腐 蚀[2]。关于奥氏体不锈钢焊接失效的研究已有很 多,焊接残余应力及其引起的耐腐蚀和抗老化性能下降是常 见的原因之一[3]。

  在某304不锈钢管的安装过程中,为了尽最大可能避免钢 管与隔舱壁发生摩擦碰撞,在304钢管外部焊接加 强套管能够更好的起到保护管材的作用(见图1)。加强套 管与管材之间通过T型接头连接,最大的作用为固定 加强套管,焊缝不承压,套管材料为碳钢,即该焊缝 为不锈钢-碳钢异种钢焊接。该304不锈钢管在出 厂前已经经过相关检测,存在缺陷的概率极低。根 据客户提供的信息,当前钢管处于管路冲洗阶段,压 力为0.5MPa,计算得出管壁应力约为3MPa,应力 较低,相比不锈钢材料的固有力学性能,该工作应力 不足以使正常状态下的材料发生开裂。

  钢管安装结束后,冲洗管路,在焊缝位置发现钢 管渗漏。为分析该304不锈钢管的渗漏原因,笔 者进行了一系列理化检验,以避免该类问题再次 发生。

  在管道的渗漏位置横向切断,断口宏观形貌如 图2所示,可见裂纹方向为沿管材纵向,裂纹从焊缝 气孔贯穿至管材内侧,气孔内存在很明显的开裂,该穿 透式开裂是发生渗漏的根本原因。焊缝处气孔的宏 观形貌如图3所示,可见角焊缝处存在大量的气孔, 包括独立的大尺寸气孔和密集型气孔,最大气孔尺 寸约为5mm,数量最多的密集气孔处共有12个密 集小气孔。

  对该失效的管材取样,并对试样进行化学成分分 析,结果如表1所示,可知该管的化学成分符合ASTM A312—2019《无缝和奥氏体不锈钢公称管》的要求。

  经过仔仔细细地观察管材内壁,发现每个较大气孔及 密集气孔处都存在疑似开裂,为了观察管材是否还 存在别的开裂位置,对管材内壁进行了液体渗透检 测(PT),结果发现:渗漏位置和断面存在很明显的PT 线性显示,与前述宏观观察到裂纹的形态、方向一 致。每个较大气孔及密集气孔处的疑似开裂位置都 存在PT线性显示,经判定为裂纹(见图4)。其他内 壁位置未发现PT线 金相检验及扫描电镜(SEM)分析

  利用线切割方式对渗漏位置(试样1)和未渗漏 位置(试样2)进行采样分析,对试样进行抛光前和抛 光后的金相检验。对于试样1,焊道上存在之前目视 检验测试发现的类似气孔,焊缝根部存在未焊透,经过机 械抛光,试样根部清晰显示很严重的未焊透。对于 试样2,焊道上发现了一处尺寸约为2mm的夹渣,焊 道内发现了小尺寸的疑似气孔,经抛光后发现该缺陷 为未焊透,未焊透深度达3mm。结合整条焊缝的宏 观观察结果,可以认为该焊缝的焊接质量较差,存在 着大量的焊接缺陷,表明焊接热输入量较大。

  利用光学显微镜对焊缝进行观察,结果如图5所示。试样1的焊缝热影响区存在很明显的结晶区, 且宽度约为0.2mm;开裂处呈沿晶开裂特征;在试 样2的焊缝熔合区发现了典型的柱状晶区,以及疑 似沿焊缝根部的析出物。

  利用扫描电子显微镜对试样1进行观察,结果如 图6所示,在焊道的气孔内发现了很多开裂处[见图 6a)],且还存在从焊道处开始至不锈钢热影响区和母 材的沿晶裂纹[见图6b)],可见该处开裂情况十分严 重。由图6可知:试样开裂为非常典型的沿晶开裂, 且焊接已经导致了热影响区的晶界性能弱化。

  从上述观察能够准确的看出,该焊缝的焊接热输入量 较大,导致了焊缝的组织不佳。由于焊接热输入量 过大,焊接时高温时间过长,导致不锈钢侧的母材热 影响区易发生沿晶界的碳化物析出现象,在高温区 形成贫铬层,因此导致焊缝的枝晶倾向加剧,晶界处 的性能变弱,易发生开裂和晶间腐蚀。

  气孔是焊接中常见的缺陷之一,为熔池中的气 体未在金属凝固前全部溢出熔池,残存于焊缝中所 形成的孔洞。气孔也会引起应力集中,这也是裂纹 产生的重要原因之一。

  该焊缝为铁素体碳钢和奥氏体不锈钢的异种钢 焊接,两种材料的热导率和热线胀系数有很大差异, 304不锈钢热导率低,热膨胀系数大,热导率仅为碳 钢的1/2。在焊缝冷却过程中,焊缝两侧的收缩量 不同,产生较大的周向焊接残余应力,导致纵向裂纹 的产生和扩展。

  (1)304奥氏体不锈钢管 T型焊缝位置存在大 量的气孔、未焊透、纵向裂纹等焊接缺陷;裂纹起源 于气孔处,呈沿晶开裂特征,并已穿透管壁。

  (2)焊接裂纹的产生原因是:由于奥氏体异种 金属焊接产生较大的周向焊接残余应力,同时焊接 热输入量过大导致不锈钢的晶界性能严重弱化。

  (3)不锈钢管渗漏是纵向的、穿透型焊接裂纹 导致的;其最终的原因是不锈钢与加强套管的焊接工 艺极为不佳。

  (4)建议更换套管材料,选用304奥氏体不锈 钢,且尽量不采用仰焊或横焊的方式,焊接前注意待 焊表面的清洁以及焊材的烘干,焊接时控制好温度。