A312 TP347H稳定化热处理工艺改进

A312 TP347H稳定化热处理工艺改进

【摘要】本文简要介绍了A312 TP347H材料的性能和稳定化热处理的作用，分析了A312 TP347H不锈钢管稳定化热处理后出现裂纹的原因，根据裂纹产生的原因，对A312 TP347H稳定化热处理工艺提出了改进措施。

【关键词】A312 TP347H；裂纹；稳定化热处理

1、背景

A312 TP347H因具有良好的高温耐氧化、耐磨、耐蚀及其热稳定性而被广泛应用于电站、化工等行业。神华煤直接液化项目是我国煤直接液化关键技术研究国家863计划项目之一，工艺管道材质种类多，其中A312 TP347H被大量安装在与反应器相连接的管道中，管内介质为固、液、气三态混合的油煤浆，最高运行温度455℃（设计温度482℃），最高运行压力19.188MPa（设计压力20.55MPa），管道设计技术条件要求对其进行焊后稳定化热处理。

为了消除应力焊接残余应力，提高A312 TP347H的抗晶间腐蚀能力，根据设计给出的工艺对焊缝进行了稳定化热处理处理，然而在对完成稳定化热处理的焊缝进行表面酸洗钝化处理后，部分焊缝出现表面裂纹，且随着壁厚的增加，裂纹程度更严重。经分析，稳定化热处理工艺是出现裂纹的主要原因。

2、材料特性

A312 TP347H在ASME中归类为P-NO. 8，与我国18-8型奥氏体耐热钢比较相近，为单相奥氏体组织，具有较好的耐高温和耐腐蚀性能。

3、稳定化热处理的作用

A312 TP347H奥氏体不锈钢组织为单相奥氏体，焊后易出现晶间腐蚀、应力腐蚀开裂。因此A312 TP347H含有的稳定化元素Nb+Ta，在经过890℃以上的稳定化温度时，能形成稳定碳化物（由于Nb能优先与碳结合，形成NbC），大大降低奥氏体中Cr23C6的含量，起到了牺牲Nb元素保护铬元素的目的。进行这种退火可以将碳化铬完全溶解，而特殊碳化物TiC或NbC不完全溶解，且在冷却过程中特殊碳化物又充分析出，使碳不可能再形成铬的碳化物，因而有效地消除了晶间腐蚀倾向。

4、施工中出现的问题，分析与解决

根据管道技术条件要求，现场执行的稳定化热处理工艺如下表（1）

稳定化热处理实际操作时，采用电加热板对焊缝区进行加热；硅酸铝保温棉对其包扎保温，具体内容是按以下要求执行的：

1）加热宽度B：以焊口中心为基准，加热范围每侧不小于3倍管壁厚且大于100mm。

2）保温宽度：以焊口中心为基准，保温范围每侧不小于5倍管壁厚且大于250mm；保温采用厚度为大于80mm的硅酸铝耐火纤维毡。

3）控温/测温热电偶：对每组加热器单独控温热电偶控制；DN200-400设置2个测温点，外径大于DN400设置四个温控点（0°、90°、180°、270°各设置一个温控点），以保证温度的加热均匀，尽量保证整个焊口之间的温差在规定的范围之内。

4）稳定化热处理特殊要求：热处理时为减少氧化影响，减少氧化物的生成，整个热处理过程中将管两端堵死，防止空气流动。

在稳定化热处理后的酸洗过程中，经PT检测，发现壁厚大于37mm的部分管道在焊接区域出现大量裂纹：在弯管与直管连接的焊缝立焊区域，且弯管外侧裂纹多于弯管内侧，焊道中间及焊道熔合线部位均发现有裂纹存在。

根据现场施工情况，大部分裂纹主要发生在靠近管件或弯管相连结的一侧的焊缝上，且裂纹沿熔合线扩展；所有的焊缝裂纹均是在稳定化热处理后出现的，初步推断这种裂纹属于再热裂纹。

再热裂纹的特征是沿晶开裂，开裂的前提条件有两个：一、存在残余应力，二、存在敏感组织。由于残余应力的存在，在一定高温范围加热时，应力松弛引起的松弛应变超过蠕变塑性，促使再热开裂；所谓的敏感组织首先是指粗大晶粒组织，其次是有敏感的化学成分，均导致晶界弱化，促使沿晶开裂。

壁厚δ≤37mm的管道本身焊接结构比较小，焊后残余应力相对其他大规格管道小的多，壁厚较薄的客观条件也决定了稳定化热处理的效果：热处理时较易实现均匀加热，使内外壁的温差达到最小，能相对较容易的消除焊接残余应力。

对于壁厚δ>37mm的管道，则同时具备了再热裂纹的两个基本条件：

1、晶内析出强化作用（敏感组织），在再次加热过程中，由于晶内析出强化，剩余应力松弛形成的松弛应变或塑性变形将集中于相对弱化的境界，而导致沿晶开裂。

壁厚δ>37mm的TP347H不锈钢管道焊缝在焊后稳定化处理900±10℃×（4-6）h中，析出NbC或形成高Nb的金属间化合物，使奥氏体和铁素体晶界因NbC 的析出或在铁素体基体上形成金属化合物而脆化，在应力松弛晶格滑移时产生空穴，然后空穴长大，聚合而成裂纹。

图1可看出裂纹均沿着焊缝金属中的铁素体或铁素体与奥氏体晶界开裂。焊

后稳定化处理过程中，应力松弛时发生塑性变形，而由于铁素体在稳定化热处理中发生组织转变或碳化物析出变脆，塑性下降，在焊接残余应力作用下，产生裂纹。

2、蠕变损伤作用（残余应力），再次加热过程中的应力松弛是应力逐步随时间降低的蠕变现象。

焊接结构焊后存在残余应力，特别是对于大厚壁的焊接结构焊后极易产生多轴应力，在热处理过程中由于应力松弛作用，发生塑性变形，当局部塑性变形能力无法满足实际变形量时，发生开裂。对于壁厚大于37mm的不锈钢管，其在稳定化热处理后，由于厚度方向加热不均匀，致除应力效果不佳，加之稳定化热处理后的内部相变，两者共同的作用下，导致裂纹的产生。

5、改进后的稳定化热处理

针对上述原因，进一步改善稳定化热处理工艺，减少厚壁管道的内外壁温差，控制升降温速度，争取最大限度消除焊接残余应力，防止新应力产生，主要采取如下措施：

1）稳定化热处理前增加消应力措施，在热处理前将焊缝打磨平整，使得在打磨的过程中释放部分残余应力。

2）控制层间温度，采用滑动装置以利于焊缝的自由收缩。

3）稳定化热处理参数设置的过程中，考虑到热处理过程中的温差应力、组织应力及壁厚因素，将升温速度定为50℃、通过延后升温使温差减少在80℃以内。

4）升温时的控温温度从0℃开始；降温时，根据实验数据中空冷时温差大小，设置降温到700℃以下后，再进行空冷。890℃-700℃范围内缓冷，利于在这个区间的降温速度，尽可能减小温差应力、组织应力、残余应力消除。

5）热电偶应点焊在待测温处，预制期间管道内焊缝两侧尽量靠近焊缝进行保温封堵，有条件时每侧离焊缝中心距离应控制在300-500mm之间。

参考文献

[1]《Recommended Practices for Local Heating of Weld in Piping and Tubing》AWS D10.10-1999

[2]陈伯蠡.《焊接工程缺欠分析与对策》.机械工业出版社

[3]《石油化工铬镍奥氏体钢铁镍合金和镍合金管道焊接规程》.SHT3523-1999