TP347H原材料检验及焊后稳定化热处理研究-束润涛

TP347H 原材料检验及焊后稳定化热处理研究原材料检验及焊后稳定化热处理研究 赵岩 1 侯树军 1 束润涛 2 杨鹏 2 余亚文 2 （1 中海石油炼化有限责任公司惠州炼化分公司 邮编 516086 ） （2 武汉市润之达石化设备有限公司邮编 430223） 摘要：摘要： 本文介绍了 TP347H 两种规格大口径钢管的原材料在进行机械性能检验和微观分析的情况， 发现其中一种规格 的原材料存在不容忽视的质量问题。 对两种规格焊接接头的焊态和稳定化热处理态进行了机械性能和晶间腐蚀试验， 以及针对微缺陷部位的微观电镜和能谱分析等相关试验研究，发现经稳定化热处理的焊接试样出现弯曲微裂纹的概 率较大。经分析，产生微裂纹的原因为母材脆性缺陷和焊缝金属中残留氧化物所致。 关键词关键词：母材缺陷 焊接 稳定化热处理 微裂纹分析 1.前言前言 TP347H 是美国 ASME SA312/SA312M-2010无缝和焊接奥氏体不锈钢公称管 【1】中含铌的 稳定化奥氏体不锈钢材料，与 TP321 含钛的奥氏体不锈钢性能基本一致，但 TP347 和 TP347H 材 料比 TP321 的高温热强性更好，同时还具有耐连多硫酸腐蚀性能，已被广泛应用于石化电力系统 的高温高压以及连多硫酸腐蚀环境。 对于 TP347H 是否必须进行焊后稳定化热处理，目前争议很大，SH/T3554-2013 石油化工 钢制管道焊接热处理规范的附录 C 【2】中，指出“通常”应做稳定化热处理。 我国压力容器和美国 ASME 规范对奥氏体不锈钢设备都没有焊后热处理的强制规定和要求。 根 据工程项目建设中的实践经验，该材料的大口径钢管焊后进行稳定化热处理会产生大量裂纹。在此 情况下，本公司决定立项，将“TP347&TP347H 焊接及焊后热处理专题试验研究”的课题委托给武汉 市润之达石化设备有限公司进行科研分析。 根据双方拟定的技术方案，对原材料进行了全面检验，制订了合理的焊接工艺及热处理工艺， 针对焊态、600退火、模拟工况的长时间（620/100h）退火试验和 900稳定化热处理的焊接 试样进行了大量的机械性能试验、晶间腐蚀试验、微观分析和能谱分析研究，获得了非常丰富的试 验数据，为公司二期项目提供了很好的技术支撑，该项目的研究报告也获得了项目验收评审专家的 一致认可。 作者简介：赵岩，男，1964 出生，教授级高级工程师,硕士,中海石油炼化有限责任公司惠州炼 化分公司总经理兼惠州炼化二期项目组总经理, 邮编 516086，E-mail:zhaoyan3 本次试验研究采用 TP347H 的两种大口径无缝钢管，规格分别为273.114 和558.836。焊 接工艺按手工焊和气保焊两种焊接方法进行了焊接及焊后热处理的全套试验研究工作，本文将仅针 对原材料、手工焊焊接试板及焊后稳定化热处理的相关试验研究进行概述。 2、原材料检验、原材料检验 本次科研项目试验研究的大口径钢管为第一期工程项目中使用后剩下的余料，本次试验不仅仅 是科研性质，更重要的是要为二期项目工程提供良好的技术支撑。用余料进行试验更能真实的反应 实际工程项目中存在的问题，并加以深入的研究和分析。由于原材料是工程项目中确保质量和安全 要素的第一环节，故对原材料进行重新检验是非常必要的。 2.1 原材料检验 2.1.1 TP347H 实测化学成分结果（见表 1） 表 1TP347H 实测化学成分结果（%） 管材规格(mm)CSiMnCrNiNbSP 273.1140.0550.381.2717.349.70.480.0050.029 558.8360.0710.381.6217.589.20.730.0050.033 按 GB/T 11170-2008不锈钢多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法 【3】进行分析， 两种规格的钢管均满足标准规定的成分要求。 2.1.2 原材料机械性能复验结果（见表 2） 表 2 机械性能复验结果 试样编号 管材规格 (mm) RP0.2 （MPa） Rm （MPa） A （%） 弯曲试验 180结果 Y001 273.114 40362447.0面弯无裂纹 Y00239662143.5背弯无裂纹 Y003 558.836 24556547.5面弯无裂纹 Y00424656647.5背弯脆断 机械性能复验的强度拉伸结果满足标准规定的指标范围，273.114 的钢管弯曲试验合格，但 558.836 大口径钢管的 2 个背弯试样发生脆性断裂，后又补做 2 个试样仍然发生脆性断裂，不满 足标准要求。 2.1.3 原材料表面硬度检测结果 按 GB/T 231.1-2009 金属材料布氏硬度试验 第 1 部分：试验方法 【4】对原材料进行了硬度 测试，每个试样在固定区域测试 7 个点，以下是硬度试验检测结果（见表 3） 。 表 3布氏硬度检测结果（HB） 试样编号 管材规格 (mm) 表面硬度值平均值 Y001 273.114 145163165171179172152164 Y002165172160176169176156168 Y003 558.836 222205230248225217225225 Y004191230200280272208187224 根据布氏硬度检测结果，按 ASME 材料 SA 312/SA312M 的标准规定(HB192)，273.114 钢管的硬度测试结果满足标准技术要求，而558.836 厚壁管的母材硬度测试结果都严重超标。 2.1.4 原材料常温冲击试验结果 无论是 ASME 标准还是中国相关标准，对于奥氏体不锈钢的冲击功均没有要求，做冲击功试验 的目的是对原材料的韧性指标有一个最基本的判断和比对。本试验按 GB/T 229-2007金属材料夏 比摆锤冲击试验方法 【5】进行试验，V 型缺口，试验结果见表 4. 表 4 原材料常温冲击试验结果 试样编号 管材规格 (mm) 温度 冲击值 Akv：（J） 测试值平均值 Y001 273.114 常温172，179，176176 Y002常温180，191，190187 Y003 558.836 常温88，116，110104 Y004常温102，98，108103 从冲击试验的结果看，558.836 大口径钢管的冲击韧性明显低于273.114 的小口径钢管， 结合前面硬度测试值超标（不合格）及背弯断裂的情况来看，558.836 厚壁钢管具有明显的脆性 倾向。 2.1.5 原材料金相检测原材料金相检测 为了观察原材料的第二相析出情况，本课题组对原材料进行了微观检测和分析。在放大 100 倍 的电子扫描显微镜下，两种规格的样品均为纯奥氏体组织。但经放大 1000 倍和 5000 倍以后，在 两种规格的样品中都发现有条状铁素体和颗粒状碳化物析出。图 1 为放大 1000 倍时可以看到明显 的条形铁素体，图 2 为放大 5000 倍时可以看到明显的碳化物颗粒。 图 1点状碳化物和条状铁素体组织 1000图 2 晶内碳化物析出 5000 2.1.6 其它性能检验 晶粒度检测：试样按 GB/T 6394-2002 金属平均晶粒度测定方法 【6】进行草酸腐蚀后进行微 观判断，其晶粒度级别分别为：273.114 两个试样均为 8 级细晶粒材料，558.836 为 5 级和 7 级。 晶间腐蚀试验：试样按 GB/T 4334-2008 金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法 【7】 ， 采用方法 A 进行草酸电解腐蚀试验，所有试样均没有晶间腐蚀痕迹。 残余铁素体：经过手持式磁性法测试仪，所有原材料的铁素体含量均为 0，无铁素体残留。经 相平衡计算，TP347H 应为无铁素体残留的纯奥氏体组织，但在高倍电子显微镜下发现两个规格的 钢管均存在少量条状铁素体。 经上述检验， 可以判定558.836 的原材料不符合标准要求， 但该规格的钢管曾投入工程应用。 为了模拟实际工程项目的真实情况， 本试验研究仍然用经检验分析判定为不合格的558.836 厚壁 管与复验合格的273.114 一道进行焊接及热处理试验研究。 3、焊接工艺、焊后稳定化热处理及机械性能检验、焊接工艺、焊后稳定化热处理及机械性能检验 3.1 焊接工艺及检验 焊接工艺采用氩弧焊打底+手工焊（GTAW+SMAW）填充的方式进行焊接，采取单面焊双面成 型的焊接工艺，打底焊用氩弧焊焊接，进行填充焊时管内充氩气进行背面保护。氩弧焊焊接材料为 CHG-347，手工焊焊条牌号为 CHS-137。 焊接坡口为 241的小角度 V 型坡口，层间温度按120进行严格控制。焊前对坡口进行 PT 检验，焊接过程进行 VT 目视检验，焊后进行 PT、UT 和 RT 检验，热处理后再进行一次 RT 检验。 焊接方式为管-管对接，焊接合格后按试验研究的项目要求进行标记和分切。 3.2 焊后稳定化热处理 将分切后的试件进行稳定化热处理： 273.114 焊接试件的焊后稳定化热处理为 90010保温 3h，风冷； 558.836 焊接试件的焊后稳定化热处理为 90010保温 4h，风冷。 3.3 焊接接头拉伸和弯曲试验 将两种材料焊接接头试样按要求加工成拉伸和侧弯试样，进行拉伸和侧弯试验。拉伸试样见图 3，侧弯试样见图 4，试验结果见表 5. 图 3 拉伸试样图 4 侧弯试样 表 5 焊接接头拉伸和侧弯试验结果 试件 编号 管材规格 （mm） 焊接方法 热处理状态 Rm （MPa） 试验 温度 拉断 部位 180侧弯 H001 273.114 GTAW +SMAW 焊态625,625室温母材无裂纹 H002900/3h631,633室温母材无裂纹 H003 558.836 GTAW +SMAW 焊态637,635室温母材无裂纹 H004900/4h625,626室温母材 有 2 个微裂纹 经稳定化热处理后的抗拉强度都满足要求，但558.836 厚壁管侧弯后在 2 个试样上分别发现 有 1 个微小裂纹，一个微裂纹位于焊缝上，一个微裂纹位于母材侧的熔合线上。H004-1 在焊缝上的 微裂纹长度约 0.75mm，H004-2 在熔合线上的微裂纹长度约 0.2mm。 按 GB/T2653-2008焊接接头弯曲试验方法 【8】和 NB/T 47016-2011承压设备产品焊接试件 的力学性能检验 【9】的技术要求，裂纹单条长度不大于 3mm 的开口缺陷为合格，以上 2 个微裂纹 都在标准允许范围。 3.4 焊接接头不同状态下表面硬度测试结果 表 6 焊缝金属表面布氏硬度检测结果比较（HB） 试件 编号 管材规格 （mm） 焊接方法热处理状态 焊缝外表面 7 个点平均值 （HB） 平均值 （HB） H001 273.114GTAW+SMAW 焊态144146145145 H002900/3h173172162169 H003 558.836GTAW+SMAW 焊态181179175178 H004900/4h187195184188 硬度测试是在钢管的 3 个部位做（3030mm）的标记，热处理前后均在标记框内进行测试， 每个标记框测试 7 个数据为一组，表格中每个测试点的数据都是在一个标记框内 7 个测试数据的平 均值。两种规格的焊接试板经稳定化热处理后焊缝金属表面的布氏硬度均有所提高。 3.5 焊接接头不同状态下的冲击试验 由于奥氏体不锈钢的韧性很好， 故 ASME 标准和国家相关标准针对奥氏体不锈钢焊接接头的冲 击韧性均予豁免，但本项目进行冲击试验的目的是进行比较研究。试样用线切割设备按 101050 的标准试样进行切割，用专用拉床开标准 V 型缺口，在摆锤式冲击试验机上进行冲击试验。其焊接 接头焊缝金属和热影响区常温冲击试验结果见表 7. 表 7 常温冲击试验结果 试件 编号 管材规格 （mm） 焊接方法 热处理 状态 常温冲击值 Akv：（J）平均值（J） 焊缝热影响区焊缝热影响区 H001 273.114 GTAW +SMAW 焊态138/133/135220/215/204135.3213.0 H002900/3h126/118/118242/229/207120.6226.0 H003 558.836 GTAW +SMAW 焊态126/106/150120/147/142127.3136.3 H004900/4h132/134/11486/86/107126.693.0 材料的微观组织和化学成分在每一个点位都会有细微差别，特别是材料中的微缺陷对冲击值的 影响较大，由于取样部位不一样，其冲击值结果就会有一定的区别，但试验数据仍不失为一个很重 要的参考指标。273.114 的焊接接头经稳定化热处理后焊缝冲击值有所降低，热影响区指标有所 上升。558.836 的焊缝金属在稳定化热处理前后的冲击功平均值基本没有变化，但热影响区冲击 功平均值明显偏低。 4、焊接接头稳定化热处理前后的晶间腐蚀试验和微观分析、焊接接头稳定化热处理前后的晶间腐蚀试验和微观分析 4.1 焊接接头晶间腐蚀试验 针对两种规格钢管的所有焊接试样，按 GB/T4334-2008金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀 试验方法 方法 A 对焊缝金属进行草酸电解腐蚀试验， 所有试样的热影响区和母材经金相检测均不 产生晶间腐蚀。 4.2 焊接接头微观组织检测结果 微观金相分析为日本产 SEM-6510 扫描电子显微镜设备， 经检测所有试样焊缝金属均为奥氏体 +少量铁素体组织，焊态和稳定化热处理态在焊缝金属中均未见明显碳化物。 图 5H001 焊缝金属 1000图 6H002 焊缝金属 1000 图 5 和图 6 中白色枝状体为铁素体组织，所有试件所观察的多个微观视场均未见明显敏化物析 出。H003 和 H004 试件焊缝金属的组织形态和 H001、H002 基本一致，分析结果见表 8。 表 8焊缝金属和母材金属扫描电镜分析结果 试件 编号 管材规格 （mm） 焊接方法热处理状态焊缝母材 H001 273.114GTAW+SMAW 焊态组织正常 有微量铁素体偏析和少量 碳化物析出 H002900/3h 组织正常 未见析出 有明显碳化物析出 H003 558.836GTAW+SMAW 焊态组织正常 有微量铁素体和密集碳化 物析出 H004900/4h 组织正常 未见析出 有微量铁素体偏析和点状 碳化物析出 焊缝金属经稳定化热处理后的微观组织与热处理前并没有显著变化，但母材的问题较多。 273.114 和558.836 焊接接头 4 个试样的母材热影响区和前述原材料检验结果一样，在大倍 率下均发现有条状铁素体和颗粒状碳化物。 5、针对焊接接头稳定化热处理后弯曲微裂纹缺陷的深入研究、针对焊接接头稳定化热处理后弯曲微裂纹缺陷的深入研究 本次科研的焊接试样，经稳定化热处理侧弯试验后产生微裂纹的概率较大，但大多都出现在 558.836 的焊接试样上。 针对本文表 5 中558.836 焊接试样经稳定化热处理后弯曲试样上出现 的两个微裂纹，本课题组进行了深入研究。 5.1 稳定化热处理后焊缝冷弯微裂纹研究稳定化热处理后焊缝冷弯微裂纹研究 5.1.1编号 H004-1 焊缝微裂纹分析 图 7熔合线附近的焊缝微裂纹图 8 呈链状分布的豁口痕迹50 H004-1 试样焊缝上的裂纹靠近熔合线，微裂纹长度约 0.75mm， 但放大 50 倍后发现在裂纹 附近还有 2 个微小的豁裂痕迹，3 个大小不一的豁口呈链状分布。 图 9氧化性夹杂能谱分析 经能谱分析 （见图 9） ， 焊缝撕裂部位内部的成分为氧化性夹杂物， 主要成分为氧化硅、 氧化钙、 三氧化二铝等化合物，为焊道中间残留的夹杂物，这些微小氧化性颗粒有可能是在用砂轮清理焊道 后又从空中飘回到焊道中的尘埃。 5.1.2 编号 H004-2 母材熔合线附近微裂纹分析 图 10母材熔合线附近的微裂纹图 11 微裂纹低倍照片 40 图 12微裂纹 1 号点位能谱分析 H004-2 试样母材熔合线附近的微裂纹长度约 0.2mm，微裂纹豁口的 1 号点位和 2 号点位微区 成分均为脆性铬铁化合物，两个微区点位的 Cr 含量质量分数都为 39.66%，其它成分差异不大，Ni 含量最高 5.18%，按相平衡公式来算，属于成分严重偏析的铁素体组织。1 号点位已经发生粉碎性 撕裂，2 号点位大块状的脆性特征保持完好。 5.2 裂纹分析和讨论裂纹分析和讨论 针对焊接接头稳定化热处理试样上的弯曲裂纹，推理如下： 焊缝金属微裂纹产生的原因：焊缝中残留的氧化物+高温膨胀+结构应力。 热影响区微裂纹产生的原因：母材脆性化合物+高温膨胀+结构应力。 弯曲试验：弯曲是一种很强的应力状态，可以将其归类于结构应力一类。 残留的氧化物、低熔点化合物、偏析的脆性化合物和奥氏体材料本体的膨胀系数都不一样，这 些有害残留物在热处理过程中，温度越高，膨胀量就越大，当膨胀达到一个临界点后，便是微裂纹 隐性缺陷的集中爆发点，材料越厚，结构应力越复杂，微裂纹就越容易产生。如不锈钢焊接冶金 学及焊接性 【10】一书所述，焊接接头的稳定化热处理（900）温度几乎正好处于再热裂纹 C 曲线 （见图 13）的“鼻尖”上，本次试验研究的结果，与文献 10 所述 347 型不锈钢焊缝金属再热裂纹敏 感性 C 曲线的描述是相吻合的。 但本试验研究发现，TP347H 焊接接头稳定化热处理后的弯曲裂纹与文献 10 所述的微量元素 和相析出都没有直接关系。 图 13347 型不锈钢焊缝金属的再热裂纹敏感性 C 曲线 注：空心符号表示破坏，实心符号表示试验停止时未裂 德国科学家在不锈钢焊接冶金 【11】一书 P202 页表述的也很清楚：含铌和含钛的稳定化不锈 钢焊缝金属在焊态和固溶态表现出最佳的耐蚀性，应尽量避免采用固溶热处理以外的其它热处理方 式。 由于篇幅所限， 本文只介绍了558.836 厚壁管的一种焊接方法经稳定化热处理后焊缝和热影 响区出现的问题，其它焊接方法在稳定化热处理后的侧弯试样上也出现了类似的微裂纹。抛开母材 脆性组织的影响因素，焊缝金属中的氧化性夹杂物是无法避免的，而这些氧化性夹杂物才是实际工 程项目中经稳定化热处理后经常出现裂纹的主要源头。 大口径管道的焊接一般都在现场施工， 现场施工受条件所限， 焊接过程中的微缺陷有可能更多， 而缠绕式局部加热方式与炉内热处理存在很大区别。 炉内热处理的温差一般不大于 30， 而缠绕式 局部加热方式存在管壁内外温差和上下温差很大的现象，有单位进行过现场模拟测试，壁厚大于 30mm 的管材，在升温