焦炭塔热处理后复合板简体复层焊缝裂纹原因分析

第32卷第5期翁必生等焦炭塔热处理后复合板简体复层焊缝裂纹原因分析从金相照片看，焊缝中的裂纹短而直，沿奥氏体晶界发展；奥氏体晶界上有较多夹杂物。312复层焊缝的热影响区金相分析出现在热影响区的微裂纹，基本特征为沿母材0CR13铁素体等轴晶晶界扩展，晶界上有碳化物析出。0CRL3在1400C时0CRL3的熔点约为1550，01的碳可以固溶于铁素体中，而在冷却到1100时，碳的溶解度降到了0L1，在铁素体不锈钢中，碳基本上是以碳化物形式存在，因此将OCR13加热到950以上，则产生晶界贫铬而敏化，这一点与奥氏体不锈钢不同心。因此晶界析出碳化物的区域，不管是紧靠熔合线还是稍远一些的区域，都是焊接的敏化区。32热过程分析设备制造、安装过程中，原材料经受了两次热过程一焊接、热处理，下面就这两个过程进行讨论。321焊接过程分析1焊接材料选用复层焊接可以选用的焊接材料有0CRL3对应的焊材，奥氏体型焊材如E308、E309、E310，NI基焊材如ENICRFE一3。现分述如下。10CR13对应的标准化的焊材不易得到，焊后要进行较高温度的热处理700850。C，接近或超出了基层15CRMO的A点7453J，不能实施，同时焊缝受15CRMO的稀释会形成马氏体组织，不适用。2焦炭塔工作时，不断地在升温、降温。奥氏体型焊接材料的平均线膨胀系数是1711810C数量级，15CRMO的平均线膨胀系数是13514410数量级，0CRL3的平均线膨胀系数是1001171O数量级L4，线膨胀系数差异较大，会有较大的热应力并引起热应力疲劳，同时会有E308焊缝受到稀释形成马氏体焊缝及高温时的碳扩散等，因此选用奥氏体型焊材也不允许。3选用NI基焊材ENICRFE一3是适当的，理由如下ENICRFE一3的平均线膨胀系数是14416210。C数量级，比较接近15CRMO，虽然与0CRL3有差距，但复层厚度较薄一3MM，引起的热应力较小。焊缝是富镍的奥氏体，组织比较稳定。碳在富镍焊缝中的固溶度很低，碳难以扩散，在15CRMO、0CR13接合的熔合线上，不易发生增碳层和脱碳层，脆性层也较窄。事实上，国内焦碳塔的复层焊接，基本都选用了ENICRFE3焊条。2复层焊缝分析从金相照片看，焊缝中奥氏体晶界上有较多夹杂物，这些夹杂物往往是起裂点，这主要与焊接操作不当、焊渣清理不彻底有关。ENICRFE3焊缝易产生收弧裂纹，在焦炭塔热处理前已经将复层焊缝打磨，不能确认焊接收弧部位，但从裂纹外观看，有不少星形裂纹，可以推断有部分裂纹属于收弧裂纹。奥氏体不锈钢熔敷金属再热区域，易产生“微裂纹”，这种短裂纹典型长度2MM经常闭合很紧，检测比较困难。要发现这种裂纹，必须进行金相检验，将焊缝表面磨光，也能确认其位置1J。复层焊接时采用的是多道焊接，两条重叠焊道下面的焊道受到再次加热，会产生微裂纹。焦炭塔在制造厂完成了焊接工作后，向现场提供成段的筒体前，对部分复层焊缝进行了渗透检测，但渗透检测前，并没有将焊道打磨平，热处理前将复层焊道打磨平后，没有进行渗透检测，没有能够发现缺陷。3复层焊缝热影响区分析0CRL3的微观组织是铁素体和碳化物的混合组织，既无任何稳定化元素又不是超低碳不锈钢。焊接过程中，热影响区被加热到950时，碳化物开始溶解，110O。C以上，碳化物大量溶解。冷却过程中，温度低于950时2，过饱和的碳在晶界处以碳化物形式析出，引起晶界贫铬，因为低温时碳在铁素体中的溶解度很低，析出反应有很强的驱动力。在700850。C热处理时，铬向晶界扩散铬在铁素体中的扩散速度比奥氏体中快，晶界贫铬可以消除，但正如前面所述，此处不具备此种热处理的条件。0CRL3无固态相变，焊接时热影响区的晶粒长大比较严重。焊接时热影响区的晶粒长大，近缝区碳化物沿晶界析出，不属于异常；但晶粒过分长大，晶界碳化物析出过多，一般认为是焊接线能量控制不当引起的。从热影响区碳的过分积聚，可以判断石油化工设备技术焊接时热量输入过大。焊接时热影响区的晶粒长大，近缝区碳化物沿晶界析出，都会使热影响区韧性、延性降低，具备产生裂纹的条件。4采用ENICRFE一3焊接复层时的注意事项1对钢材表面仔细清理，防止污染焊接区；2采用低热输入，控制焊接线能量15KJCM；3严格控制层问温度100；4得到凸形的焊道轮廓；5小心填充弧坑。322热处理分析焦炭塔复合板的基层是15CRMO，焊接后必须进行热处理，以消除焊接残余应力，改善接头组织。但由于复层和基层材质不同，热膨胀系数有差异，焊接残余应力并不能完全消除，同时热处理还会引起碳的扩散，恶化复层与基层的接合面。两害相权取其轻，目前国内外的焦炭塔都采取了焊接后热处理的措施。热处理时的应力松弛，会使前面谈到的焊缝微裂纹扩展，还会使低塑性、低韧性的热影响区产生裂纹。323热过程产生脆化的可能性1475脆化475C脆化是金相改变导致韧性损失，这是含铁素体相的合金暴露在316540。C的温度范围内所致。复层焊缝中几乎不含有铁素体，因此这种脆化不会在镍基焊条焊接的奥氏体焊缝中出现。焊接和热处理都会经过316540C的加热，475。C脆化可能会在复层的母材0CRL3中出现。475。C脆化是一种金相改变，这种改变在现场复型金相观察中不容易发现，从母材的金相检测中12处未发现异常。475。C脆化是一种积累性损伤，当温度高于或低于475C时，需要额外的时间来脆化，例如316需要数万小时才能引起脆化。焦炭塔热处理的时间比较短，同时，当CR含量大于155时，脆化趋势很小，600。C以上处理，韧性恢复J。热处理引起0CRL3的475。C脆化可能性不大，也没有证据说明发生了这种脆化。2相脆化当CR含量为1570的FECR合金在550820。C长期加热时，将从铁素体中析出沿晶界分布的相FE与CR的金属化合物，由于A相的形成涉及到置换型原子的扩散FE、CR，所需时间较长。奥氏体中析出相所需时问很长总在几千个小时，而复层焊缝为富镍的奥氏体，产生相的几率不大。虽然焊接、热处理都会使焊道经受55082O。C加热，但不管从化学成分上还是从加热时间上，都不具备形成相的条件。从铁素体中析出相所需时间较短，但含铬量小于2O时，所需时间也很长。含铬量25的309不锈钢，770。C加热50H才析出相。因此，虽然焊接、热处理都会使0CR13热影响区经受550820。C加热，热处理使0CR13母材经受550820加热，但不管从化学成分上还是从加热时间上，都不具备形成A相的条件。尽管现场金相认为热影响区有相，但由于现场条件的限制，有相的判断不能够成立。发现相至少要在SEM扫描电镜下观察。4结语从以上分析可以认为，焦炭塔热处理后出现的裂纹，是由于焊接过程控制不当产生晶间的微裂纹或微观缺陷，在热处理过程中应力松弛，使焊接时产生的微裂纹或夹杂等缺陷扩展。现场复层焊缝修复合格后，能够满足设计要求，可以安全使用。参考文献1LIPPOLD，JC美KOTECKI，DJ美WELDINGMETALLURGYANDWELDABILITYOFSTAINLESSSTEELS