304不銹鋼大徑厚壁管道焊接缺陷分析及防治
304不銹鋼大徑厚壁管道焊接缺陷分析及防治
引 言
海陽核電項目不銹鋼大徑厚壁管道多數選用304L超低碳不銹鋼。該鋼抗晶間腐蝕能力優秀，在未進行熱處理的情況下，亦能保持良好的耐蝕性，應用于抗晶間腐蝕性要求高的部件。如果在焊接過程中操作不當，容易出現焊接缺陷，導致部件快速失效。
1 304L不銹鋼管的化學成分及焊接性
奧氏體不銹鋼304L對應為：00Cr19Ni10，其主要化學成分和主要力學性能見表1。304L不銹鋼熱導率較低，線膨脹系數大。因此在局部加熱和冷卻條件下，容易產生較大的殘余應力。
2 304L不銹鋼的焊接性
盡管304L不銹鋼線膨脹系數大，但焊接過程中彈塑性應力應變量也很大，故焊接過程中極少出現冷裂紋。焊接時易出現的主要問題是：
（1）因其導熱性差、線膨脹系數大，大徑厚壁管焊接中產生較大的焊接應力；
（2）接頭產生碳化鉻析出，耐蝕性下降，容易產生晶間腐蝕；
（3）介質中有氯離子存在時，在應力作用下造成應力腐蝕開裂；
（4）焊縫及熱影響區熱裂紋敏感性大，焊接過程中易產生熱裂紋。
3 焊接缺陷分析及防治措施
3.1 晶間腐蝕
晶間腐蝕是在腐蝕介質作用下，起源于金屬表面的晶界并且沿晶粒邊界深入金屬內部產生在晶粒之間的一種腐蝕。不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質量分數必須＞12%， 304L不銹鋼在焊接過程中存在危險溫度區間450 ~850℃，當溫度在這一范圍時，奧氏體中過飽和的碳向晶界迅速擴散，并在晶粒邊界析出，在晶間形成碳和鉻的化合物 Cr23C6，此溫度區間鉻在奧氏體中的擴散速度很慢，來不及向晶界擴散，消耗的Cr主要來自晶界，使得晶界處的Cr含量＜12%，就形成相對的“貧鉻區”，“貧鉻區”電位下降，而晶粒本身仍維持高電位，晶粒與“貧鉻區”之間存在著一定的電位差，而在腐蝕介質中晶界的溶解速度和晶粒本身的溶解速度是不同的，晶界的溶解速度遠大于晶粒本身的溶解速度，“貧鉻區”作為陽極與晶粒構成大陰極小陽極的微電偶電池，造成“貧鉻區”的選擇性局部腐蝕，也就是晶間腐蝕。
晶間腐蝕發生后，雖然金屬表面仍保持一定的金屬光澤，也看不出被破壞的跡象，但晶粒間的結合力已顯著減弱，強度下降，冷彎后表面出現裂縫，零件容易遭到破壞。晶間腐蝕隱蔽性強，突發性破壞幾率大，因此有嚴重的危害性。
3.2 應力腐蝕開裂
應力腐蝕開裂是指承受應力的合金在腐蝕性環境中，由于裂紋的擴展而產生失效的一種形式，其形成機理還沒有統一的定論。奧氏體不銹鋼應力腐蝕的重要變量是溫度、介質、非金屬夾雜物的形態大小和分布以及加工應力的影響。304L不銹鋼導熱性差、線膨脹系數大、屈服強度低，焊接時容易變形，當焊接變形受到限制時，焊接接頭中必然會有較大的殘余應力。核電站附近海風中含有大量的氯離子，因此較容易出現應力腐蝕開裂。
應力腐蝕開裂的表面特征是：裂紋均發生在焊縫表面上，裂紋多與焊接方向垂直，裂紋細長并曲折，常常貫穿有黑色點蝕的部位。從表面開始向內部擴展，點蝕是裂紋的根源，裂紋整體呈樹枝狀，嚴重時裂紋可穿過熔合線進入熱影響區。
3.3 結晶裂紋
304L不銹鋼焊接時，容易出現的熱裂紋是結晶裂紋，熱裂紋宏觀上無金屬光澤，帶有氧化顏色。304L不銹鋼中的合金元素較多，尤其含有一定量的鎳，它易與硫、磷等雜質形成低熔點的共晶，焊縫金屬在凝固結晶的過程中，先結晶的金屬較純，后結晶的金屬含雜質較多，這些雜質與鎳形成的共晶都有較低的熔點而被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成一種所謂的“液態薄膜”，此時由于收縮而受到了拉伸應力，這時焊縫中的液態薄膜就成了薄弱地帶，在拉伸應力的作用下就有可能在這個薄弱地帶開裂而形成結晶裂紋。
3.4 防治措施
為避免焊接中出現以上所分析的缺陷問題，重點從以下幾個方面進行防治：
焊接時盡量減少熔池過熱的情況，以防止形成粗大的柱狀晶，因此焊接時宜采用小熱輸入及小截面的焊道，多層焊時，層間溫度不宜過高，避免過熱，焊接過程中不允許焊條擺動，采用窄焊縫的操作技術。
采用超低碳奧氏體不銹鋼焊材，此時碳含量低于碳在不銹鋼中室溫溶解極限值以下，使碳不能與鉻生成Cr23C6，從根本上消除晶間腐蝕。
使焊縫金屬具有奧氏體-鐵素體雙向組織，提高其抗晶間腐蝕的能力。
氬弧焊打底焊和第一道電弧焊時進行管道內充氬保護，防止金屬在高溫時氧化。
將焊件加熱至1050~1150℃后快冷進行固溶處理，使Cr23C6熔入晶粒內部，形成均勻的奧氏體組織。
4 焊接工藝
4.1 焊接材料
根據304L不銹鋼的化學成分和力學性能，焊材選用ER308L焊絲（化學成分見表2）和PP-A002焊條（化學成分見表3）。焊材使用前必須復驗合格方可使用，保證熔敷金屬的化學成分及力學性能。同時應測定鐵素體體積分數。鐵素體含量增加時可以改善焊接性，可以有效防止晶間腐蝕和熱裂紋，但接頭中鐵素體含量過高（超過15%）時，接頭耐均勻腐蝕性能下降，還可能出現475℃脆化或σ相脆化。因此其含量要嚴格控制，一般其體積分數在4%~12%為宜。
4.2 焊接工藝參數及操作要點
正確選用焊材直徑。焊材直徑關系到焊接熱輸入量的多少，因此氬弧焊焊絲選用直徑為Ф2.5mm的焊絲，手工電弧焊選用直徑為Ф3.2mm 的焊條。在保證完全焊透、完全熔合的情況下，采用小電流、低電壓（短弧焊）快速焊接，以減少熱輸入量、改善接頭性能、減少焊接應力。焊接工藝參數見表4。
（1）坡口組對。坡口組對前應將坡口區域打磨出金屬光澤。焊前坡口檢查，確保坡口角度符合工藝要求。錯邊量≤壁厚的10%，且≤1mm。焊口組對不合格，不予施焊。實際操作見圖1、圖2。
（2）施焊前焊條必須烘干，并存放保溫桶內備用。
（3）打底焊接頭前，把先焊接的一段尾端打磨成斜坡，便于接頭，避免長時間焊接產生過燒或接頭缺陷。
（4）打底焊時背面充氬保護，并保持到焊縫厚度大于5mm時方可停止背面保護氣體。觀察內部打底情況（見圖3），特別注意檢查根部有無過燒組織，以驗證充氬效果。
（5）采用直線運條，不作橫向擺動，采用雙人對稱焊，層間溫度不宜過高，使用紅外線測溫儀隨時檢查層間溫度（見圖4、圖5）。待冷卻至60℃以下清渣后再進行下一道焊接，層間接頭要錯開15~20mm，收弧時應填滿熔池。
（6）每道焊縫厚度不要超過焊條直徑，寬度不要超過焊條直徑的3倍。
4.3 檢驗結果
（1）焊接完畢，焊工應認真進行焊縫表面清理和外觀檢查（見圖6、圖7），確認表面無缺陷。焊接后除了焊工嚴格自檢之外，質檢員要對焊縫做100%的外觀檢查，并填寫焊縫外觀檢查記錄表，發現缺陷立刻進行返修。
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（2）經過無損檢測，一次探傷合格率達99.92%。
（3）不合格焊縫的返修，應嚴格按照規程規范要求進行返修處理。
5 結束語
不銹鋼一般使用在耐腐蝕性要求高的環境中，如果對其認識不夠，施工過程中不注意保護，其腐蝕速度甚至超過普通碳鋼，遠遠達不到耐腐蝕的要求，造成快速失效。因此不僅要掌握焊接技巧，提高焊接質量，而且對其存放、打磨清理、標記等都要有嚴格的規定。
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