Effects of stabilizing heating treatment on properties and micro-structures of TP347 thick-wall steel welded joints
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摘要:
对焊后进行稳定化热处理和保持焊态的厚壁TP347钢管焊接接头开展了拉伸试验、弯曲试验、冲击试验以及耐晶间腐蚀等试验。结果表明，焊后进行稳定化热处理的厚壁TP347钢管焊接接头塑性、韧性以及耐腐蚀性均出现了下降，焊缝因产生失塑性损伤，导致了再热开裂；进一步采用光学显微镜、扫描电镜以及能谱分析等微观表征技术，分析了再热裂纹形核和扩展。厚壁TP347钢管焊接接头进行稳定化热处理过程中，较大焊接残余应力缓慢释放，在高温和应力共同作用下，晶界析出较多铬和铌的碳化物、氮化物以及氧化物，再热裂纹在较多析出物与基体交界处形核（孔洞），在剩余残余应力作用下孔洞合并引起裂纹沿晶界扩展。通过试验发现采用稳定化热处理提高厚壁TP347钢管焊接接头耐腐蚀性并不理想，在较大残余应力和高温作用下很容易引起焊接接头的失效性损伤。
Abstract:Tensile tests, bending tests, impact tests, and intergranular corrosion resistance tests were conducted on welded joints of thick-walled TP347 steel pipes that underwent stabilizing heat treatment and maintained their weld state. The results showed that plasticity, toughness, and corrosion resistance of the welded joints of thick-walled TP347 steel pipes decreased after stabilizing heat treatment, and the weld seam experienced loss of plasticity damage, leading to reheating cracking. Further analysis was conducted using microscopic characterization techniques such as optical microscopy, scanning electron microscopy, and energy spectrum analysis to study the nucleation and propagation of reheating cracks. During the stabilizing heat treatment process of welded joints of thick-walled TP347 steel pipes, significant welding residual stresses were slowly released, and at high temperatures and under the joint action of stresses, carbides, nitrides, and oxides with a larger amount of chromium and niobium precipitated at grain boundaries. Reheating cracks nucleate at the interface between a large number of precipitates and the matrix (voids). Accompanied by the residual stress, these voids merge, causing cracks to propagate along grain boundaries. The experimental results showed that using stabilizing heat treatment to improve the corrosion resistance of welded joints of thick-walled TP347 steel pipes is not optimal because it is easy to cause damage to the joints under large residual stresses and high temperatures.
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Keywords:
- TP347 steel /
- stabilizing heat treatment /
- plastic damage /
- reheating crack
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0. 前言
TP347不锈钢因具有较强的高温抗蠕变性及耐腐蚀性，被广泛应用于石油化工行业中渣油加氢、蜡油加氢、加氢裂化、芳烃等装置的高压管道[1 − 6]、加热炉管和热交换器[7 − 8]，这些装置共有的特点是耐高温和耐高压，同时又适用于氢气、硫化氢和环烷酸等多种腐蚀性的环境[9 − 11]，为了提高TP347钢管焊接接头耐晶间的腐蚀性，设计更倾向于焊后需要进行900 ℃-3～4 h稳定化热处理。近年来，随着装置的大型化，管道直径及壁厚也随之增加，一些加氢装置TP347高压厚壁管道经稳定化热处理后经常出现再热裂纹，针对这种情况，有些加氢装置取消了TP347钢管道焊后进行稳定化热处理。针对焊后进行稳定化热处理和保持焊态的厚壁TP347钢管焊接接头为对象，开展一系列试验，分析稳定化热处理对厚壁TP347焊接接头性能及微观组织的影响，揭示再热裂纹发生机理，讨论了厚壁TP347钢管焊接接头焊后进行稳定化热处理的必要性。
1. 试验材料
试验基材为TP347钢管，外径为ϕ457 mm，壁厚为45 mm，出厂状态为固溶处理，试验用焊丝牌号为CHG-347R，规格为ϕ2.5 mm，焊条牌号为TS-347，规格为ϕ3.2 mm，化学成分见表1，TP347钢管力学性能见表2。
表 1 试验材料化学成分（质量分数，%）材料 类别 C Mn P S Si Cr Ni Nb+Ta Fe TP347钢管 实测值 0.05 0.72 0.027 0.001 0.45 18.0 9.80 0.65 余量 标准值 ≤0.08 ≤1.00 ≤0.030 ≤0.020 ≤1.00 17.0～19.0 9.0～13.0 ≤1.0 余量 CHG-347R 实测值 0.018 1.79 0.016 0.001 0.48 19.43 9.0 0.257 余量 标准值 ≤0.08 1.0-2.5 ≤0.025 ≤0.020 0.30～0.65 19.0～21.5 9.0～11.0 ≤1.0 余量 TS-347 实测值 0.021 0.98 0.017 0.007 0.676 18.7 9.89 0.45 余量 标准值 ≤0.08 ≤1.0 0.5～2.5 ≤0.030 ≤0.020 18.0～21.0 9.0～11.0 ≤1.00 余量 表 2 TP347钢管力学性能类别 屈服强度
ReL1/MPa抗拉强度
Rm1/MPa断后伸长率
A(%)实测值 336 615 45 标准值 ≥205 ≥515 ≥25 采用TP347钢管制作焊接试件，试件规格为ϕ457 mm × 45 mm。采用VY形坡口，焊接方法为手工钨极氩弧焊（GTAW）+ 焊条电弧焊（SMAW），手工钨极氩弧焊接烤覆金属厚度为3 mm；焊条电弧焊厚度为42 mm。焊接工艺参数见表3，焊接接头编号分别为D-1和D-2，如图1所示。
表 3 焊接工艺参数焊接
接头焊层 焊接
方法极性 电弧电流
I/A电弧电压
U/V焊接速度
v/(cm.min−1)热输入
Q/(kJ.cm−1)D-1 1 GTAW 直流正接 110~125 14~15 5.0~5.5 16.8~22.5 2 SMAW 直流反接 120~125 26~27 8~8.5 22~25 其它焊层 SMAW 直流反接 120~125 26~27 8~8.5 22~25 D-2 1 GTAW 直流正接 110~125 14~15 5.0~5.5 16.8~22.5 2 SMAW 直流反接 120~125 26~27 8~8.5 22~25 其它焊层 SMAW 直流反接 120~125 26~27 8~8.5 22~25 焊接完成后对2道焊接接头进行射线（RT）检测和渗透（PT）检测，检测结果显示合格。对D-1进行900 ℃-4 h稳定化热处理，D-2保持焊态。
对稳定化热处理后的D-1进行渗透检测（PT）时发现焊道与焊道搭接处出现一条纵向裂纹，如图2所示，而采用γ-192射线检测（RT）时并未能将裂纹识别出来，可见γ射线对于检测较大壁厚钢材中的裂纹缺陷能力是有限的，裂纹出现在稳定化热处理后，可见这种裂纹属于再热裂纹。
2. 试验方法
2.1 拉伸试验
拉伸试验依据国家标准GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》规定进行，检测结果见表4。
表 4 拉伸试验结果试样
编号屈服强度
ReL2/MPa抗拉强度
Rm2/MPa断后伸长率
A(%)D-1-1 — 568 15.5 D-1-2 339 615 28.0 D-2-1 349 604 40.5 D-2-2 346 598 33.5 观察拉伸试样形貌如图3所示，D-1-1试样断裂在焊缝上，且肉眼几乎观察不到屈服（未采集到屈服强度值），断后伸长率仅为15.5%，说明材料塑性较低，脆性较大，其它试样屈服强度和抗拉强度均能满足相关标准验收要求。
2.2 弯曲试验
弯曲试验依据国家标准GB/T 2653—1989《焊接接头弯曲及压扁试验》，弯曲试验样貌如图4所示。焊后进行了稳定化热处理的D-1组焊接接头的2件试样均出现了断裂，表现出较低的塑性，而焊后保持焊态的D-2组焊接接头2件试样弯曲到180°后，没有出现开裂，表现出良好的塑性。
2.3 冲击试验
冲击试验结果见表5，根据NB/T 47014—2011标准，奥氏体不锈钢焊缝和热影响区冲击吸收能量不小于31 J，试验检测结果均符合标准要求，但D-1组焊缝平均冲击吸收能量明显偏低。
表 5 冲击试验结果试样编号 试样尺寸d/mm 位置 冲击吸收能量Akv/J D-1组 55 × 10 × 10 焊缝 56, 70, 44 热影响区 94, 83, 74 D-2组 55 × 10 × 10 焊缝 102, 97, 112 热影响区 83, 84, 86 2.4 晶间腐蚀试验
晶间腐蚀试验依据国家标准GBT 4334—2020《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》，使用硫酸—硫酸铜腐蚀试验方法。在焊接接头上抽取出2个试样片，为了对比开裂是否因晶间腐蚀引起，其中一片进行敏化处理，另一片不进行敏化处理，如图5所示。对试样进行加热，使硫酸-硫酸铜溶液保持微沸状态，连续进行16 h后将试样取出进行冲洗并干燥，采用压头直径为5 mm的弯曲机对试样进行弯曲，弯曲角度为180°，观察弯曲试样外表面有无因晶间腐蚀而产生的裂纹，观察到焊后进行稳定化热处理的D-1组（图5a）经过敏化处理的试样焊缝出现了开裂，未经过敏化处理的试样未出现开裂；焊后保持焊态的D-2组（图5b）经过敏化处理和未经过敏化处理的试样均未出现开裂，表现出良好的耐晶间腐蚀性。
3. 组织观察及分析
试验发现热处理后焊接接头塑性和耐腐蚀性均不能满足要求，焊缝区韧性也下降较明显，为了了解稳定化热处理对材料性能及组织的影响，进一步采用光学显微镜、扫描电镜以及能谱分析等微观表征技术对材料组织进行观察及分析。
在D-1和D-2上制取试样，经过磨制和抛光，用10%草酸溶液进行电化学腐蚀、清洗和吹干后在金相显微镜下观察，如图6所示。宏观下可观察到D-1接头经过渗透检测发现开裂部位的金相剖面上有2条裂纹，裂纹从焊缝表面起裂，垂直管外壁，向焊缝内部扩展，而D-2熔合情况良好，未见裂纹、未熔合和气孔等缺陷。
进一步放大观察如图7所示，焊缝组织均为奥氏体 + 铁素体，保持焊态的焊缝组织中铁素体呈骨架状均匀分布在奥氏体基体上，而经过稳定化热处理的焊缝出现了多条裂纹，裂纹沿着铁素体枝状晶或铁素体与奥氏体晶界扩展，部分铁素体已经发生转化，晶界有较多的析出物。
采用扫描电镜对D-1焊缝开裂部位进行观察如图8所示，可观察到组织中存在大量的孔洞，孔洞内有椭球状或棒状的析出物，孔洞先在析出物与基体交界的晶界处形核，在拉应力与切应力共同作用下孔洞长大，大量孔洞合并形成了裂纹的扩展。选取典型析出物进行能谱分析，发现析出物富含Cr，Nb，C，N和O等元素，说明在稳定化热处理过程中，产生的析出物主要是Cr和Nb元素的碳化物、氮化物和氧化物，这与大多数学者[12 − 13]研究的奥氏体不锈钢焊接接头热处理后碳化物析出演化规律一致。
为了防止奥氏体不锈钢易产生凝固裂纹，通常调整焊缝成分获得一定数量的铁素体，可防止S，P，Si和Nb等元素偏析，阻止低熔点共晶生成，从而提高抗裂和耐晶间腐蚀性能[14 − 15]。相关标准规定TP347焊缝铁素体数（FN）为4%～10%，铁素体含量过高易促使形成σ相，σ相是Fe-Cr金属间化合物，具有磁性，硬度很高，而塑性低。为了分析D-1焊缝组织变脆是否与σ相析出有关，采用能将σ相显现的腐蚀剂（每100 ml中加入20 g三氯化铁和10 ml盐酸的水溶液）对试样进行侵蚀、清洗和烘干，在金相显微镜下进行观察如图9所示。发现铁素体发生了转化，不再呈骨架状分布，有些部位的析出相较多，但并未观察到有σ相析出，说明焊缝失去塑性并不是因σ相析出所致。
4. 试验结果与分析
4.1 再热裂纹形成分析
通过以上试验及观察分析，再热裂纹产生的主要原因有以下几点：①与厚壁TP347钢管焊接接头具有较大焊接残余应力有关，较大的壁厚对应着较大的残余应力，在稳定化热处理过程中，较大残余应力引起了析出物与奥氏体晶界的滑移，在剩余残余应力作用下，孔洞在此处形核长大，大量孔洞合并引起了裂纹的扩展；②与焊缝含有一定量的铁素体有关，微观金相显示有些部位的铁素体与奥氏体晶界存在较多析出物，析出物主要是铬和铌元素的碳化物、氮化物以及氧化物，大量的析出物会降低材料的塑性、韧性以及耐腐蚀性；③与TP347具有析出强化特点有关，高温下Nb元素的碳化物和氮化物会重新析出，晶内析出可起到强化作用，相对引起晶界弱化，而晶界析出会引起应力集中，降低晶界的塑性，当晶界的塑性不能满足变形的需要时，就会引起了失塑性损伤。
4.2 厚壁TP347钢管焊后稳定热处理
一般认为Nb元素析出强化是产生再热裂纹的主要原因，由于Nb元素是一种碳化物和氮化物形成的元素，这些析出相硬而脆，因此会降低材料的塑性，增加焊缝金属的开裂倾向。ASME规范中对奥氏体不锈钢是否进行焊后热处理未做强制性要求，SH/T 3523—2009《石油化工铬镍不锈钢、铁镍合金和镍合金焊接规程》也未做强制性要求，NB/T 10068—2018《含稳定元件的不锈钢管焊后热处理规范》规定为了避免热处理过程中出现再热裂纹的风险，通常不进行焊后稳定化热处理。然而，焊后进行稳定化热处理可降低焊接残余应力，提高TP347不锈钢的耐应力腐蚀，设计更倾向于焊后进行稳定化热处理。试验表明厚壁TP347钢焊接接头稳定化热处理过程中，极易引起材料失塑性损伤。焊后保持焊态的厚壁TP347钢焊接接头综合力学性能及耐腐蚀性能，能够满足相关标准验收要求，这可能跟厚壁管道焊接经历了多次焊接热循环，累积受热起到了焊后热处理的作用有关。如果厚壁TP347钢管焊后保持焊态下应用，为了防止服役期间发生应力腐蚀开裂，建议采用合适的焊接方法、焊接工艺，以获得具有较小焊接残余应力的焊接接头。
5. 结论
（1）稳定化热处理会降低厚壁TP347钢焊接接头塑性和耐腐蚀性，易引起失塑性损伤，引起再热开裂。
（2）保持焊态的厚壁TP347钢焊接接头综合力学性能以及耐腐蚀性均能满足相关标准验收要求，焊后可不进行稳定化热处理，但为防止发生应力腐蚀开裂，需采用焊接变形较小的焊接方法及合理的焊接工艺以获得焊接残余应力相对较小的焊接接头。
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表 1 试验材料化学成分（质量分数，%）
材料 类别 C Mn P S Si Cr Ni Nb+Ta Fe TP347钢管 实测值 0.05 0.72 0.027 0.001 0.45 18.0 9.80 0.65 余量 标准值 ≤0.08 ≤1.00 ≤0.030 ≤0.020 ≤1.00 17.0～19.0 9.0～13.0 ≤1.0 余量 CHG-347R 实测值 0.018 1.79 0.016 0.001 0.48 19.43 9.0 0.257 余量 标准值 ≤0.08 1.0-2.5 ≤0.025 ≤0.020 0.30～0.65 19.0～21.5 9.0～11.0 ≤1.0 余量 TS-347 实测值 0.021 0.98 0.017 0.007 0.676 18.7 9.89 0.45 余量 标准值 ≤0.08 ≤1.0 0.5～2.5 ≤0.030 ≤0.020 18.0～21.0 9.0～11.0 ≤1.00 余量 
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表 3 焊接工艺参数
焊接
接头焊层 焊接
方法极性 电弧电流
I/A电弧电压
U/V焊接速度
v/(cm.min−1)热输入
Q/(kJ.cm−1)D-1 1 GTAW 直流正接 110~125 14~15 5.0~5.5 16.8~22.5 2 SMAW 直流反接 120~125 26~27 8~8.5 22~25 其它焊层 SMAW 直流反接 120~125 26~27 8~8.5 22~25 D-2 1 GTAW 直流正接 110~125 14~15 5.0~5.5 16.8~22.5 2 SMAW 直流反接 120~125 26~27 8~8.5 22~25 其它焊层 SMAW 直流反接 120~125 26~27 8~8.5 22~25
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表 4 拉伸试验结果
试样
编号屈服强度
ReL2/MPa抗拉强度
Rm2/MPa断后伸长率
A(%)D-1-1 — 568 15.5 D-1-2 339 615 28.0 D-2-1 349 604 40.5 D-2-2 346 598 33.5
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表 5 冲击试验结果
试样编号 试样尺寸d/mm 位置 冲击吸收能量Akv/J D-1组 55 × 10 × 10 焊缝 56, 70, 44 热影响区 94, 83, 74 D-2组 55 × 10 × 10 焊缝 102, 97, 112 热影响区 83, 84, 86
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