奥氏体不锈钢管道焊缝裂纹产生原因分析[1]
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惠维山
& 核工业 %I& 厂 ! 甘肃 兰州 I!$$"0 #
摘要 ) 国内某电站在建造过程中 ! 部分奥氏体不锈钢厚壁管在焊接后进行 D5 检验时发现焊缝存在大量裂纹 $ 经分析研究 ! 认为裂纹的 产生原因与焊缝熔敷金属中 % 铁素体含量偏低 % D ! -< 含量偏高 % 焊接应力大等因素有关 $ 为 此 对 焊 缝 产 生 裂 纹 的 原 因 进 行 了 分 析 ! 为 不锈钢厚壁管的焊接积累了经验 $ 关键词 ) 奥氏体不锈钢 * 厚壁管 * 焊缝裂纹 * 原因分析 中图分类号 ) 57%0I9" 文献标识码 ) N
焊条采用锦州锦泰焊条厂生产的不锈钢焊条! 型号为
’!&"()&" " 相 当 于 *++,-#./0#! 规 格 !!1# 22 $ 该 批 焊 条 总
计 & $$$ 34 ! 其化学成分及力学性能复验值见表 ! 及表 % 所示 $
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为美国林肯公司生产 $ 焊条 ’!&"()&" ! !!9# 22 ! 为国内锦州
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锦 泰 焊 材 厂 生 产 ! 管 道 规 格 从 !/. 22:&& 22 至 !!#0 22:!$
3"#+&’ 图 测 得 ! 铁 素 体 值 为 ?94@ ! 偏 向 标 准 规 定 值 的 下 限 ! 但
仍 在 标 准 规 定 的 范 围 之 内 ! DH 检 验 又 未 检 测 出 裂 纹 的 存 在 ! 所以未引起注意 " 从 理 论 上 分 析 了 ! 铁 素 体 值 低 导 致 裂 纹 产 生 这 个 重 要 因 素 后 ! 考 虑 3"#+&’ 图 测 得 的 ! 铁 素 体 值 有 4@A0@ 的 误差! 为进一步证实结论的可靠性! 又采用更精确的磁性法 重新测定了熔敷金属中铁素体的值! 磁性法测得的铁素体仅 为 49?@ ! 测定结果证实了分析的正确性 " 焊条熔敷金属中 7 ! 8% 含量偏高 化学成分分析报告上显示!#7$为I9I0:@! 虽低于JK8及LM N
填充焊道 -,?C
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熔 敷 金 属 中 铁 素 体 含 量 低 ! 焊 缝 金 属 中 7 ! 8% 含 量 偏 高 及 不 锈 钢厚壁管焊接过程中拘束应力大等要素共同作用的结果 " 焊缝熔敷金属中 ! 铁素体含量偏低
从理论上分析该批焊条化学成分配比不合理! 促使焊缝 产生结晶裂纹这个原因后! 便对裂纹断口进行了化学成分光 谱分析 ! 分析结果表明 ! 在焊缝裂纹断口上确实聚集了 7 和 8% !
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裂 纹 $ 最 长 的 有 &$ 22 左 右 ! 最 短 的 亦 有 &8# 22 $ 裂 纹 不 仅 存在于对接焊缝中! 也存在于角焊缝中$ 裂纹非常细微! 经 多次对比试验确认 ! *5 底片上显示不出裂纹 $ $ 射线的检测灵 敏 度 达 不 到 显 示 这 些 微 裂 纹 的 程 度 ! 经 打 磨 D5 检 验 ! 发 现 有 些裂纹已贯通至管道氩弧焊打底层表面$ 由于缺陷的存在对
! (7 $ 为 I9I=0@ ! ! (8% $ 为 :94@ ) 090
奥氏体不锈钢焊接应力大 奥氏体不锈钢导热系数小! 线膨胀系数大! 在焊接局部 加热和冷却条件下 ! 接 头 在 冷 却 过 程 中 形 成 非 常 大 的 拉 应 力 ! 这一点在厚壁焊缝中尤为明显) 单纯的铁素体含量低* 杂质 含量高并不能形成结晶裂纹! 只有在较大的拉伸应力之下才 能形成结晶裂纹 ! 这是结晶裂纹产生的必要条件 ) 以上任何一个单一条件! 并不一定会引起焊缝结晶裂纹 的产生! 但是各种不利因素的综合作用就必然导致结晶裂纹 的产生 ) 对产生裂纹的处理 不锈钢厚壁管焊缝裂纹被发现后! 引起了各方的高度重 视! 立即对焊条的使用和库存情况进行了统计! 并对已领焊 条立即回收和库存材料一并封存) 在统计过程中! 查阅了电
Q $! 使 结 晶 过 程 中 极 易 形 成 液 态 薄 膜 ! 减 弱 晶 粒 之 间 的 结 合
力 ! 在 焊 接 应 力 作 用 下 显 著 增 大 裂 纹 倾 向 ) 资 料 介 绍 ! 7在" 相 中 的 溶 解 度 只 有 594?@ ! 远 低 于 在 液 相 中 的 49=@ ) 所 以 7 在 奥氏体不锈钢金属凝固时极易引起偏析) 所谓偏析是指金属 结晶时某些杂质元素会从晶粒中析出! 在晶界处富集! 晶界 处的杂质质量浓度远高于液态金属中杂质的质量浓度! 在杂 质质量浓度超过一定量时晶界处即会产生裂纹 ) 焊材熔敷金属中!(8%$为59F5=@! 也超出了标准规定的!(8%$
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焊条复验时按法 国 国 家 核 电 标 准 之 规 定 ! 应 用 标 准 的 3"C
站建造期间自焊条采购日起所有的焊接质量档案! 严密的质 保体系在此次事故的调查中发挥了极其重要的作用! 从每一 道焊口的焊接质量控制单上都可以追溯到该焊口所用焊材的 批号 ) 最终查 找 出 了 用 此 批 焊 条 所 焊 的 所 有 004 道 对 接 焊 口 和 一些支架的角焊缝) 对查出的对接焊口! 采用锯床从焊缝中 心锯切! 在车床加工去除焊缝的熔敷金属! 重新加工坡口并 对 坡 口 进 行 :II@ 的 7H 检 验 ! 采 用 复 验 合 格 的 焊 材 组 对 焊 接 ! 对于支架角焊缝! 用角向磨光机打磨掉熔敷金属重新用合格 的焊条焊接) 该处理方案最终得到业主和监理公司的认可) 采用该处理方案虽然使工期延误一个多月且返修成本较高! 但对电站的质量并无太大影响) 返修的施工在监理和技术人 员 的 亲 自 监 督 下 实 施 ! 经 返 修 的 焊 缝 进 行 层 间 和 最 终 :II@7H 检验 * 最终 :II@DH 检验 (7H 检验标准 S N MT9U:?VB % BFF2 ! DH 检 验 标 准 S N MT9UB?V= % BFF2 $ 未 发 现 有 裂 纹 产 生 ! 在 主 回 路 进行水压试验过程中也未发现有任何问题 ! 返修效果良好 ) 结论 (B$ 不 锈 钢 厚 壁 管 焊 缝 产 生 结 晶 裂 纹 的 主 要 原 因 是 熔 敷 金 属 中 铁 素 体 含 量 偏 低 ! 熔 敷 金 属 中 7 ! 8% 含 量 偏 高 等 因 素 综 合作用的结果 (4$ 对 于 奥 氏 体 不 锈 钢 ! 由 于 其 焊 接 过 程 中 易 产 生 结 晶 裂纹! 所以当奥氏体不锈钢焊缝中铁素体含量偏向下限值 (?@ 左右 $! ! (7 $ 超过 I9I0@ 时应引起足够重视 ) (0 $ " 射线检测有 可 能 漏 检 奥 氏 体 不 锈 钢 厚 壁 管 焊 缝 的 结 晶裂纹! 当有怀疑时应采用其它检测手段进行复检) 这方面 有待进一步研究 )
作 者 简 介 + 惠 维 山 ! BFFV 年 毕 业 于 南 京 理 工 大 学 焊 接 专 业 ! 本 科 学 历 ! 工程师 9
#+&’ 图测定熔敷金属中 ! 铁素体 的 值 " D<<E8 4FG? 卡 片 规 定 其
值 应 在 ?@AB4@ 之 间 ! 根 据 理 化 室 复 验 报 告 的 原 始 数 据 ! 用
从每一道焊口的焊接质量控制单上都可以追溯到该焊口所用焊材的批号最终查找出了用此批焊条所焊的所有004道对接焊口和一些支架的角焊缝对查出的对接焊口
!" +焊接质量控制与管理+
文章编号 )&$$#B$#0OP#$$% ($")$$"#)$#
焊接技术
第 !! 卷第 " 期 #$$% 年 &# 月
奥氏体不锈钢管道焊缝裂纹产生原因分析
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焊接工艺介绍 该管道焊接采用氩弧焊打底! 焊条电弧焊填充的焊接方
式 ! 567 焊 打 底 层 厚 度 为 08" 22 $ 567 焊 焊 丝 !&"( ! !#9$ 22 !
收稿日期 ) #$$%B$IB$"
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奥氏体基体上含有少量的 ! 铁素体 ! ! 铁素体一般在 ?@AB4@ 之 间 " 这些少量的 ! 铁 素 体 在 不 锈 钢 焊 缝 中 发 柱 状 晶 的 方 向 性 ! 细 化 晶 粒 ! 从而避免贫铬层贯穿于晶界构成腐蚀介质的集中通道! 防止 晶间腐蚀和结晶裂 纹 的 产 生 " 另 一 方 面 焊 缝 中 少 量 的 ! 铁 素 体 可以破坏焊缝结晶时低熔共晶体液态薄膜的连续性! 提高焊 缝抗结晶裂纹的能力 " ! 相在 " 基底上的分布模型如图 B 所示 "
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了 D<<E84F4? 卡片中 ! (7 $!I9I4?@ 的规定 ) 7 几乎在各类钢中 都有增加结晶裂纹的倾向! 也会使结晶区间大为增加! 能在 钢中 形 成 多 种 低 熔 共 晶 ! 如 O"07PO" (: I?I Q $! 1%07P1% ( ==5
表& 温度 焊条力学性能复验值 常温 !0$ J 屈服强度 ; ,DK 抗拉强度 ; ,DK 屈服强度 ; ,DK 抗拉强度 ; ,DK 不作规定 "#&$ 0#$8"I$ "&!$ ’ #0$ 0/$ &%0
艺评定! 工艺评定结论合格! 且该工艺在以前施工中未发现 焊缝有裂纹产生 $ 裂纹产生原因分析 由于管道材质在 &>机组焊接过程中使用良好未发现有裂纹 产生 ! 且大部分都是和 &>机组同批生产 % 同时采购 $ 焊接工艺 也是采用和 &>机组同样的工艺 ! 没有任何变动 ! 所以排除了母 材因素及焊接工艺造成裂纹的可能性! 最终将产生裂纹的因 素定位在焊条上 $ 从裂纹产生的原因及奥氏体不锈钢焊接特点分析! 裂纹 是在液态金属凝固时产生的结晶裂纹$ 主要原因是由于焊缝
国内某电站 #>机组在建造过程中 ! 部分奥氏体不锈钢厚壁 管 焊 缝 在 打 磨 抛 光 后 首 次 进 行 %$ 道 焊 口 D5 检 验 ! 发 现 其 中 有
电站的安全运行造成极大的隐患! 所以分析焊接裂纹的产生 原因! 采用正确合理的处理方案! 对确保电站的建造质量! 有相当重要的意义 $ 母材及焊材介绍 母材所用管道是南通特钢厂按法国标准制造的! 材料牌 号为 ) H#+F&/&$ & 相当于 !$%( #! H#+FA&/&# & 相当于 !&"( #! 两种材料的化学成分及力学性能如表 &% 表 # 所示 )
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艺评定! 工艺评定结论合格! 且该工艺在以前施工中未发现 焊缝有裂纹产生 $ 裂纹产生原因分析 由于管道材质在 &>机组焊接过程中使用良好未发现有裂纹 产生 ! 且大部分都是和 &>机组同批生产 % 同时采购 $ 焊接工艺 也是采用和 &>机组同样的工艺 ! 没有任何变动 ! 所以排除了母 材因素及焊接工艺造成裂纹的可能性! 最终将产生裂纹的因 素定位在焊条上 $ 从裂纹产生的原因及奥氏体不锈钢焊接特点分析! 裂纹 是在液态金属凝固时产生的结晶裂纹$ 主要原因是由于焊缝
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电站的安全运行造成极大的隐患! 所以分析焊接裂纹的产生 原因! 采用正确合理的处理方案! 对确保电站的建造质量! 有相当重要的意义 $ 母材及焊材介绍 母材所用管道是南通特钢厂按法国标准制造的! 材料牌 号为 ) H#+F&/&$ & 相当于 !$%( #! H#+FA&/&# & 相当于 !&"( #! 两种材料的化学成分及力学性能如表 &% 表 # 所示 )