TP347H不锈钢管表面补焊裂纹分析
2020-03-27 17:36:17
浙江宏盛特钢有限公司对TP347H不锈钢管进行着色探伤在焊接处发现了环向裂纹。对不锈钢管基体的化学成分、硬度、夹杂物、晶粒度、金相组织进行了检验，对裂纹的微观形貌进行了观察和分析，同时用能谱仪对裂纹内的产物成分进行了分析。结果表明不锈钢管表面焊接处的裂纹是应力腐蚀裂纹，焊接过程中引起的焊接应力及酸洗过程中氢氟酸清洗后没有用除盐水清洗带来的氟离子是不锈钢管焊缝处裂纹产生的根本原因。某电厂在对一批材质为TP347H不锈钢管进行现场着色探伤时，发现焊口处有环向微裂纹。对裂纹处打磨补焊后再进行着色探伤，在补焊焊口处仍有环向裂纹。送检的管件为补焊后的A27-17不锈钢管，管件小头侧规格为Φ48x7mm。本文对管件焊接处裂纹的形成原因进行了综合分析。
一、裂纹宏观形貌
不锈钢管焊缝处补焊后的宏观形貌如图所示。由图可知，补焊处有微小的裂纹，沿环向分布，处于焊接区域内。
二、实验结果
1. 基体化学成本
取样管的成分分析结果见表，表中列出了GB5310对07Cr18Ni11Nb（TP347H）的成分要求。可见A27-17管的主要成分符合标准。
2. 硬度检测
试样表面经金相砂纸磨光后，采用HB-3000B型布氏硬度计进行硬度测试。沿管子圆周方向选取4点测试，实验结果如表2。结果表明：A27-17管的平均硬度值为HB163，满足GB5310对相应钢种的硬度要求，并且处于DL438-2000《火力发电厂金属技术监督规程》中对TP347H硬度的控制范围HB140~192。
3. 金相检查
a. 非金属夹杂物
依据“GB/T 10561-2005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法”A法评级，在100×视场下对平行于钢材纵轴的补焊处取样进行非金属夹杂物评级。结果表明：管样的A、B、C、D各类夹杂物的细系级别和粗系级别均不大于2.5级，DS类夹杂物不大于2.5级，满足GB5310对此类钢种的要求。
b. 基体组织与晶粒度
补焊处的基体显微组织如图所示（王水溶液浸蚀），为细晶奥氏体+孪晶，晶粒度为6-7级。GB5310中对07Cr18Ni11Nb钢晶粒度的级别要求是4~7级。ASME A213-2007中对TP347H不锈钢的晶粒度要求也在7级以内。
c. 裂纹形貌
A27-17管表面焊接裂纹经磨制抛光后的低倍形貌及裂纹的放大形貌如图所示。可见补焊焊缝的前端看到了沿焊接枝晶晶界分布的微裂纹，裂纹沿枝晶的晶界扩展。裂纹处于补焊焊缝区内，而不是热影响区或融合线区。
d. 裂纹内能谱微区成分分析
为了对裂纹内和晶界析出物的成分进行分析，利用LEO1530VP扫描电镜附带的能谱仪（EDS）对裂纹内和晶界析出物进行了微区成分分析。为了保持裂纹内原有成分不发生变化，裂纹样品没有进行超声波清洗。 图为金相样品内主裂纹的形貌，其微区能谱成分分析结果见表。可见裂纹内富含氟元素，也含有少量氯元素。为了排除在制备金相样品过程中可能带来氟和氯，特别是氯，我们对于补焊处样品中的另外一条没有进行金相样品制备的原始裂纹也进行了能谱成分分析，原始裂纹的SEM形貌如图所示，裂纹内成分分析结果如表所示。表明未制备金相的样品其裂纹内也富含氟元素和氯元素，说明裂纹内的氟和氯不是金相样品制备过程中带来的，而是裂纹形成过程中带进来的。
三、综上分析
从上述实验结果可知，A27-17不锈钢管的化学成分、硬度、夹杂物等级和晶粒度均满足TP347H不锈钢种的标准要求。
A27-17管上的裂纹分布在补焊的焊缝内，微观上看裂纹沿焊缝枝晶的晶界扩展，且微裂纹很多。 一般形成沿晶断裂的原因有如下几种：热加工工艺不当，造成杂质元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相；或因温度过高使晶界弱化；或因环境介质沿晶界浸入金属基体，晶界的键合力被严重削弱。被弱化的晶界成为裂纹形成和扩展的优先通道，往往在低于正常断裂应力的情况下引发沿晶断裂。 裂纹内的能谱成分分析发现，裂纹内富含氟并有一定量的氯。 从裂纹处于焊缝区、裂纹扩展分叉形态严重，加上氟离子和氯的存在，认为A27-17管不锈钢补焊焊缝的裂纹应该是应力腐蚀裂纹，因为不锈钢与氟和氯离子（卤素离子）的搭配是极其敏感的应力腐蚀体系。裂纹形成的应力来源于焊接过程中引起的焊接应力，氟的来源是管件酸洗过程用到氢氟酸，少量的Cl可能是酸洗后没有用除盐水清洗带来的。
微观上看裂纹沿焊缝枝晶的晶界扩展，且微裂纹很多，这可能与枝晶晶界的杂质含量偏高有一定关系。从焊缝形成的原理看，枝晶晶界作为焊缝的最后结晶区，通常都会富含一定的杂质元素。
四、结论
1. A27-17不锈钢管的化学成分、硬度、夹杂物等级和晶粒度均满足TP347H不锈钢种的标准要求。
2. A27-17不锈钢管补焊区域的表面裂纹是应力腐蚀裂纹。裂纹形成的应力来源于焊接过程中引起的焊接应力，介质氟的来源是酸洗过程有氢氟酸，少量的氯可能是酸洗后没有用除盐水清洗带来的。
3.补焊区的裂纹沿焊缝枝晶的晶界扩展，且微裂纹很多，这可能与枝晶晶界的杂质含量偏高有一定关系。
