316H不锈钢管件焊接接头裂纹失效分析

作者:管件 来源: 日期:2020/5/20 5:44:19 人气:8

316H不锈钢通常需要焊接加工来构成成品。其焊接特点主要有:焊缝处易形成方向性很强的粗大柱状晶组织,使杂质和一些敏感元素在晶间形成低熔点的液态膜成为可能;焊接时间过长时,会使铬的碳化物从奥氏体中析出,在焊缝处形成晶间腐蚀;热导率小且线膨胀系数大,局部不均匀加热时,易形成较大的温度梯度等。这些特点会直接或间接地导致裂纹产生,甚至造成严重的安全事故。因此本文就对316H不锈钢管件焊接接头裂纹失效相关方面进行分析和探讨。

1316H不锈钢管件的焊接性

由于奥氏体不锈钢管件含有较高的铬,可形成致密的氧化膜,所以具有良好的耐蚀性。当含Cr量达到18%,含Ni量达到8%时,基本上可获得单一的奥氏体组织,故奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性、塑性、高温性能和焊接性能。但为了全面保证焊接接头的质量,往往需要解决一些特殊的间题,如接头各种形式的腐蚀、焊接热裂纹、铁素体含量控制及δ相脆化等。

2316H不锈钢管件裂纹产生原因分析

焊接CrNi纯奥氏体不锈钢主要存在三个问题,分别是焊接裂纹、接头腐蚀和时效脆化,而焊接裂纹的产生按其裂纹生成的原因又可分为结晶裂纹、高温液化裂纹和高温脆性裂纹。

熔融的熔敷金属在凝固结晶过程中,当残留在凝固晶粒间的液体薄膜被收缩应力拉开而又不能用足够的液体金属填满时,就会形成结晶裂纹。这种裂纹常会出现在焊缝中,尤其是易发生在焊缝收尾部分和弧坑处。在焊接热影响区的过热区,焊接的高温加热使该区域母材局部熔化。在冷却时的凝固过程中,局部熔融的母材金属的晶界,也可能出现上述晶间的液体薄膜被拉开而无法填补的现象,导致在热影响区的过热区产生高温液化裂纹。在过热区,材料虽然没有发生局部熔融,但在高温下,如果塑性降到很低水平,也可能在应力作用下由于塑性不足而产生高温脆性裂纹。

现场对发生裂纹部位进行打磨后重新进行焊接,焊后检查未发现裂纹,隔天进行渗透检测,结果发现在316H不锈钢大小头侧热影响区再次发生裂纹,因此可以排除裂纹是由于焊接因素导致的原因。根据宏观检验,裂纹平行于熔合线,距熔合线0.5mm,位于大小头侧热影响区,可以排除结晶裂纹。根据金相分析,该奥氏体不锈钢晶粒异常粗大导致单位体积晶界面积减小,因此在晶界上产生的低熔点物质,如FeSFe3PNi3P等单位晶界面积含量增高,在冷却凝固过程中极易产生高温液化裂纹,同时晶粒异常粗大,会导致该区域塑性降低,极易在应力作用下产生高温脆性裂纹。从上述分析可以看出,316H不锈钢大小头侧热影响区奥氏体组织晶粒的异常粗大,是导致焊接裂纹产生的直接原因。

3316H不锈钢焊接接头裂纹失效对策

3.1控制焊缝中有害杂质的含量

在焊缝金属中严格限制硼、硫、磷、硒等有害元素含量,以防止热裂纹的产生。对于不允许存在铁素体的纯奥氏体焊缝,可以加入适当的锰,少许的碳、氮,同时减少硅的含量。

3.2合理选用焊条和焊剂

1)一般选用的原则是参照母材材质,采用低碳或超低碳以及含钛、铌等稳定化元素的焊材。如:A102对应0Cr19Ni9A137对应1Cr18Ni9Ti等。(2)对于在高温工作的耐热不锈钢(奥氏体耐热钢),所选用的焊条主要应能满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接接头的高温性能。①对Cr/Ni1的奥氏体耐热钢,一般均采用奥氏体-铁素体不锈钢焊条,以焊缝金属中含2%5%铁素体为宜,如A002A102A137。在某些特殊的场合,可能要求采用全奥氏体的焊缝金属时,可采用如A402A407焊条等。②对Cr/Ni1的稳定型奥氏体耐热钢,一般应在保证焊缝金属具有与母材化学成分大致相近的同时,增加焊缝金属中MoWMn等元素的含量,使得在保证焊缝金属热强性的同时,提高焊缝的抗裂性,如采用A502A507

3.3选择正确的焊接工艺参数

为了控制成形系数,必须合理调整焊接工艺参数,奥氏体不锈钢焊接时应选用小电流、快速焊来减少单位长度的输入热量,即减小线能量。采用较小的焊接线能量,从多个方面讲都是对减少热裂纹是有利的。减小线能量,可降低熔池温度,减少偏析的量;降低线能量,可提高冷却速度,便于生成更多的残余铁素体含量;降低线能量,可减少熔池金属,从而降低结晶凝固时的应变量;减少线能量,有利于减少粗大枝晶的形成等,这些都是有利于降低裂纹敏感性的。在多层焊时,为使奥氏体不锈钢的高温停留时间尽量短,以防其晶粒长大,要等前一层焊缝冷却后再焊接次一层焊缝,层间的温度控制在100℃以下。厚板焊接时,为加快冷却,可从焊缝背面喷水或用压缩空气吹焊缝表面,但层间必须注意清理,防止压缩空气污染焊接区。施焊过程中焊条不允许摆动,采用窄焊缝的操作技能。

3.4降低接头的刚度和拘束度

为了减少结晶过程中的收缩应力,在接头设计和焊接顺序方面尽量降低接头的刚度和拘束度。例如,设计上减小结构的板厚,合理布置焊缝;在施工上合理安排焊件的装配顺序和每道焊缝的先后顺序,避免每条焊缝处在刚性拘束状态焊接,设法让每条焊缝有较大的收缩自由。

3.5预热

奥氏体钢由于具有较高的塑性,焊前预热会使冷却速度减慢,有促进析出碳化物等不良影响,故这种钢一般焊前不进行预热,但对于刚性极大的情况,有时也要进行预热,以防裂纹的产生,而且随着预热温度的升高其裂纹倾向降低。

4结语

总之,在对其焊接头裂纹失效处理中,还需要在焊后应进行整体热处理,以细化316H不锈钢管件组织,消除焊后残余应力。焊缝处应避免应力集中,减小坡度,尽量使之平整。并且在焊接过程中热输入过大及母材内部温度梯度过大造成的内应力会导致焊接裂纹产生,通过焊前预热、焊后缓冷、降低热输入以及适当锤击以释放焊接应力等措施,可有效避免裂纹的产生。