张亚滨

（中国核工业集团公司 第五建设有限公司，中国 上海201512）

0 前言

我公司一项目从国外引进的大口径厚壁347H不锈钢管采用E347型的TS-347Z焊条焊接的环焊缝，在焊后检查中（UT、PT）未发现焊缝裂纹，但按设计要求在进行了900±10℃×（4～6）hr保温稳定化处理后，焊缝严重开裂，肉眼可见连续和断续裂纹数百毫米。

该项目不同直径的厚壁管环焊缝计200余条已焊64个，发现开裂的焊口约有1/3。

1 裂纹成因分析

1.1 环焊缝用焊材成分和组织

表1是切取试样焊缝所用焊材的熔敷金属化学成分及铁素体含量。

根据表1化学成分计算[Ni]、[Cr]当量，在Delong图上查出TS-347Z焊条铁素体含量为9.8%。同时也用F-2A铁素体测量仪对TS-347Z焊条熔敷金属的铁素体含量进行了测量，平均值为11.78%。测量值和查图值虽有一定偏差，但均表明此种焊条的铁素体含量是比较高的。也对切取的试块测量其铁素体含量，其平均值为纵向裂纹试块为1.03%，横向裂纹试块为3.02%。应当说明铁素体测量仪为国产F-2A测量仪，使用中发现当铁素体＜5%时，测量值偏低，存在一定误差，即使如此，两个试块测量值仍然说明焊后经过稳定化处理，铁素体发生了转变，含量显着减少。

表1 TS-347Z焊条熔敷金属化学成分wt%

1.2 裂纹宏观形貌

分别针对纵向裂纹和横向裂纹制作试块，如图1。

图1 裂纹宏观形貌

2 裂纹微观分析

2.1 金相分析

取纵向裂纹试块横截面试样进行光学显微镜观察，由图2可见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。这一现象说明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处理中发生组织转变或碳化物析出变脆，局部不能满足变形需要而产生开裂。

图2 纵向裂纹试块横截面微观裂纹形貌

2.2 断口分析

从纵向和横向裂纹试块上沿裂纹打开，用扫描电子显微镜（EDAX）观察和分析裂纹断口的形貌，图3是纵向裂纹断口上某一点从低倍到高倍的第一组断口形貌。由图3可知低倍（×180）电子扫描照片显示，断裂面沿焊缝柱状晶开裂，属于脆性断口；当放大倍数增加到1.5K时，断口上显示为许多小坑状微孔，当放大倍数达到4.5K时，发现微孔面存在若干白色块状物，采用EDAX能谱分析，这些白色块状物Nb含量极高（见图3中“+”）。

图3 EDAX观察纵向裂纹断口的形貌及能谱分析

上述照片是347H厚壁钢管TS-347Z焊条焊后经过稳定化热处理之后焊缝裂纹的断裂面的形貌。类似于蠕变断裂时的断口形貌，这种断口形貌被认为是焊接再热裂纹断口的特征。

2.3 金相试样用扫描电镜（EDAX）分析

在用作光学显微镜观察的裂纹横截面金相试样上，用EDAX进行铁素体的光谱分析，见图4。析铁素体可知，同样Nb元素的含量极高，这与在断口上的白色块状物分析结果是一致的。再一次证明裂纹是沿着焊缝铁素体或铁素体与奥氏体晶界开裂，而这种裂纹与铁素体部位存在高Nb的金属间化合物（如σ相）或在晶界析出了NbC有关。

图4 在EDAX下观察纵向裂纹横截面金相试样上的裂纹形貌及能谱分析

3 结论

根据环焊缝的制造工艺和裂纹的形貌特征，确定347H不锈钢管环焊缝的开裂是再热裂纹（reheat cracking）。

347H不锈钢厚壁大口径管环焊缝焊后在稳定化处理900±10℃×（4～6）h中发生NbC的析出或生成高Nb的金属间化合物（如σ相），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。可以认为E347焊缝稳定化处理后发生的开裂符合蠕变损伤理论。

4 裂纹预防建议

在本次分析试验表明，E347焊缝经稳定化处理后，裂纹沿铁素体或铁素体-奥氏体晶界开裂，而且裂纹断口上析出物和金相试样上铁素体组织上能谱分析显示，C、Nb含量很高。因此，认为为了防止347H管焊缝再热裂纹，从焊材和施工工艺方面提出以下建议：

1）减少焊条中化学成分C、Nb含量；

2）减少熔敷金属铁素体含量（约6%）；

3）采取保持层间温度（200～300℃），减少收缩应变；

4）最后3～5层采用对稳定化处理不敏感的E308L焊条焊接，防止从外侧启裂；

5）如果采用308L焊条焊接，将稳定化处理温度提高到950℃以上否则用阶梯热处理方式。

［1］陈伯蠡.焊接冶金原理：再热裂纹[M].清华大学出版社，1991，10.

［2］R.D.Thomas,Jr.and R.W.Messler,Jr.Welding Type 347 Stainless Steel-An Interpretive Report[J].Welding Research Coucil Bulletin#421,New York,NY.1997.

［3］B.Messer.and T.Phillips.Optimized Heat Treatment Of 347 Type Stainless Steel Alloys For Elevated Temperature Service To Minimize Cracking[J].Corrosion，2003.

［4］日本大阪大学焊接研究所松田福久博士、教授，编着.焊接接头断口分析图片集（中文）[M].1979.