304不锈钢法兰焊接裂纹分析及返修

GXF360 2017-06-15

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304不锈钢法兰焊接裂纹分析及返修

赵强1 肖维宝2 王大强2 孙章豪2 熊续平2

(1.国网新源控股有限公司技术中心工程技术所,北京 100161；2.华东琅琊山抽水蓄能有限责任公司,安徽滁州 239000)

摘要：对检修过程中发现的304不锈钢焊缝裂纹及母材本体裂纹进行分析，焊缝存在较多的焊渣，以及根部未焊透是焊缝开裂的原因。母材的金相分析表明，304不锈钢晶界存在碳化物聚集，容易发生晶间腐蚀，引起母材开裂，焊接过程中，多层多道焊也容易使得热影响区晶间腐蚀加剧，引起母材开裂。304不锈钢锻造法兰的制造过程中应避免在敏化温度停留时间过长，固溶处理时应采取快冷的方式避免晶间腐蚀。焊接返修过程中，通过严格控制焊接层间温度，采用快速小热输入的工艺参数使得返修后的304不锈钢焊接质量检验合格。

关键词： 304不锈钢焊缝裂纹晶间腐蚀

0 序言

304不锈钢是一种通用型奥氏体不锈钢，对应国内的牌号06Cr19Ni10。304不锈钢室温下可为单相奥氏体组织，具有屈服强度、抗拉强度较低，但是塑韧性、耐蚀性优良，冷加工性能好，无磁性等特点。由于材料本身含碳量不高，所以焊接性良好，适用于制作现场安装的工件。304不锈钢在固溶处理过程中应采取快冷工艺，避开敏化温度，防止发生晶间腐蚀。

304不锈钢具有良好的焊接性能，但由于其导热系数小，电阻率大，焊接过程中必须严格控制焊接工艺参数，避免热输入量太大，使得焊缝过热[1]。严格控制层间温度。焊后要快速冷却，避免焊缝在危险敏化区停留时间过长。而且焊接电弧为短弧，焊条尽量不要摆动，防止合金元素不必要的烧损。

1 问题描述

某抽水蓄能电站的调相压水管道的尾水管的法兰连接形式如图1所示，尾水锥管本体开孔焊接法兰，法兰同阀门通过螺栓连接。尾水锥管和法兰的材质均为304不锈钢，焊缝处开K形坡口，设计为满焊。

在某次检修过程中发现，对尾水锥管焊缝进行渗透检测时发现尾水锥管内侧焊缝有裂纹，如图2所示。对焊缝进行打磨后，发现内部有较多焊渣没有清理，如图3所示。未焊接部分深约15 mm，尾水管内焊接部位深约为10 mm，尾水管外焊接部分约为15 mm。

图1 尾水锥管与法兰连接结构图

图2 尾水锥管侧焊接裂纹

图3 尾水锥管同法兰焊缝形貌

针对该机组检修发现的问题，对其他机组进行了扩大检查，排空尾水锥管内侧焊缝进行渗透检测，法兰和尾水锥管焊接处有裂纹基本是共性问题，此外，法兰本体也存在肉眼可见的裂纹，如图4所示。

图4 法兰本体上的肉眼可见裂纹

初步的处理方法为更换法兰，将焊缝全部打磨后重新焊接，焊接方法为氩弧焊，焊接过程中为了保证检修进度，未严格控制层间温度。焊接完成后发现法兰本体裂纹有加大向贯穿性发展的趋势，如图5所示。

图5 焊接返修后法兰本体裂纹

2 原因分析

2.1 焊缝裂纹分析

现场对法兰、尾水锥管进行了光谱检验，化学成分均符合304不锈钢的成分要求。

法兰与尾水管间焊接处存在焊缝裂纹主要是由于焊接过程中根部存在未焊透。焊接过程中如果采用焊条电弧焊，层道之间未清渣，造成焊缝中存在大量的夹渣。检修过程中发现的焊缝缺陷正是引起焊缝裂纹的原因，尤其是根部未焊透，此类缺陷为危害性缺陷，在运行过程中会从未焊透部位产生裂纹，从而引起开裂。

2.2 法兰本体裂纹分析

现场对法兰本体和尾水锥管进行金相检查，由于尾水锥管内侧湿度较大，金相照片中存在较多由于水汽造成的黑点，但可以看到尾水锥管的组织是典型的奥氏体晶粒，晶粒相对较小，晶界清晰且无明显的碳化物聚集，如图6所示。

图6 锥管母材显微组织

同尾水锥管的晶粒相比较，法兰本体的晶粒相对较为细小，组织中的碳化物向晶界发生明显聚集，已发生晶间腐蚀，如图7所示。

图7 法兰本体显微组织

法兰本体的组织晶界析出碳化物严重，可见已经发生了较为严重的晶间腐蚀，法兰本体晶界的强度大大减低。奥氏体不锈钢的一种较为常见的破坏方式为晶间腐蚀，晶间腐蚀由表面沿晶界深入到内部，使材料的强度急剧下降，稍受外力即沿晶界断裂，而表面却仍然光亮完好[2]。由于室温时碳在奥氏体中的溶

解度只有0.02%[3]，304不锈钢中的铬含量远大于0.02%，经过固溶处理后，奥氏体中过饱和的碳就会与晶界边缘的铬结合形成Cr23C6，并优先沿晶粒晶界沉淀析出，从而使晶界附近的铬大量减少，从而使晶界附近的铬大量减少[4-5]，当该区域铬含量降低到有效含量(Cr%=12.5%)以下时，就形成了贫铬区，造成晶间腐蚀。

产生晶间腐蚀的温度是在450～850 ℃之间，该温度区间为产生晶间腐蚀的敏化温度区，其中，尤以650 ℃最为危险。法兰产生晶间腐蚀的原因很可能是在固溶处理的过程中在敏化温度区间停留过长。

2.3 返修裂纹分析

焊接接头在冷却过程中，焊接接头的晶间腐蚀在离焊缝边沿1.5～3 mm之外的母材金属上，热循环峰值温度为600～1 000 ℃的热影响区。有的也发生在焊缝上，焊缝的晶间腐蚀通常指出现在多层多道焊的情况，前一道焊缝受到后一道焊缝的热影响而处于敏化的区间。晶界上容易析出Cr的碳化物，形成贫Cr的晶粒边界，易产生晶间腐蚀[6]。奥氏体不锈钢在焊接时，随着焊接能量的增加，焊缝晶粒粗大化，晶界贫Cr层也增加，晶间腐蚀速度将加快[7]。焊接时可以通过提高焊接速度的方法来增大电流，以维持较低热输入，从而降低晶间腐蚀的倾向，也可以对焊接后的不锈钢进行固溶处理和稳定化处理来降低焊接件晶间腐蚀敏感性[8]。

焊缝开裂是由于在焊接过程中层间温度未严格控制使得焊缝发生晶间腐蚀。

在尾水锥管和法兰焊接返修过程中，由于未控制层间温度，焊缝和热影响区在敏化温度区间停留的时间过长，可能导致焊缝和热影响区发生晶间腐蚀，强度较低。焊缝一侧的尾水锥管母材晶粒度相对较为粗大，但晶界并未析出碳化物，不存在晶间腐蚀的倾向，即焊接返修并未使组织正常的尾水锥管侧的热影响区发生晶间腐蚀。

由于法兰本体存在较为严重的晶间腐蚀倾向，焊接过程中加剧了法兰一侧热影响区的晶间腐蚀倾向，使得法兰发生晶间腐蚀，从而法兰开裂，也有可能是焊缝发生开裂，延伸至法兰本体。

3 解决方案

3.1 法兰替换

为了避免法兰制造过程中出现晶间腐蚀，对于锻造法兰的制造过程进行了限定，要求终锻温度不低于850 ℃，锻造的平台和砧面要进行预热。锻造加热过程中应采取措施避免渗碳，避免火焰直接喷射到毛坯上，使钢增碳或使晶界贫铬，增加晶间腐蚀的敏感性。锻造后的冷却应进行快冷，尤其是在敏化温度附近。锻造后的固溶处理温度应为1 000～1 150 ℃，为防止晶粒过分长大，固溶处理温度不宜过高，保温时间不宜过长，固溶处理后应采取快冷措施。

3.2 焊接返修

焊接返修时采用焊条电弧焊，焊接时为了避免焊接接头在敏化温度停留，采用小电流、快速焊限制热输入量，控制一次成型的焊缝宽度。严格控制层间温度不超过150 ℃，为了控制层间温度，如果有条件可以采取焊缝背后通水的方法强制降低焊接接头的温度，层道之间用机械方法清除焊渣。为了保证焊接质量，中间进行一些渗透检测，全部焊满后24 h无损检测合格，如图8所示。