張 敏，徐藹彥，汪 強(qiáng)

(西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048)

12Cr1MoV鋼是一種低合金高強(qiáng)度珠光體型耐熱鋼，具有良好的抗氧化性能、較高的持久強(qiáng)度和塑性，且無熱脆傾向，生產(chǎn)工藝簡單，同時(shí)具有較好的力學(xué)性能和優(yōu)良的工藝性能［1－3］.因此，在國內(nèi)外均得到快速發(fā)展，成為壁溫低于550℃的高溫、高壓過熱器管、蒸汽管道等的常用鋼種，也被大量用作輸送流體物質(zhì)(如天然氣、石油和水等)的管道［4－7］.但在高溫環(huán)境下，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，焊縫中的裂紋會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)行形成重大的安全隱患并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［8－12］，通過研究其微觀結(jié)構(gòu)而評(píng)估設(shè)備的安全性顯得尤為重要［13－15］.

針對(duì)以上出現(xiàn)的問題，本文截取某廠大包內(nèi)聯(lián)箱三通與支管其中一處環(huán)形焊縫進(jìn)行試驗(yàn)研究.通過對(duì)高溫運(yùn)行后焊縫組織、裂紋形成機(jī)理的分析，提出預(yù)防此類裂紋產(chǎn)生的措施，將為實(shí)際工程提供重要的理論依據(jù)，減少同類焊接結(jié)構(gòu)開裂失效的發(fā)生.

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)用母材為12Cr1MoV，成分見表1，失效接頭基本情況見表2，焊接參數(shù)見表3.

聯(lián)箱及支管切割后環(huán)形焊縫的宏觀形貌如圖1所示，圓環(huán)外徑約430 mm，內(nèi)徑約325 mm，焊縫寬度約45 mm.

表1 12Cr1MoV鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 失效接頭的參數(shù)

表3 焊接工藝參數(shù)

圖1 環(huán)形支管的宏觀形貌

用滲透檢測(cè)確定焊接接頭上的表面裂紋，沿焊縫橫向截取主裂紋處獲得金相試樣，采用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，用OLYMPUS－GX71金相儀分析裂紋形貌;使用JSM－5800掃面電鏡觀察斷口形貌;用能譜儀對(duì)焊縫中的夾雜物進(jìn)行成分分析;按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2975—82《鋼材力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)取樣規(guī)定》進(jìn)行母材拉伸試樣的取樣，取樣位置平行于焊縫，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定，拉伸試樣尺寸如圖2所示;利用顯微硬度計(jì)測(cè)試焊縫硬度.

圖2 拉伸試樣尺寸

2 結(jié)果及討論

2.1 裂紋宏/微觀形貌分析

圖3為試樣上裂紋宏觀形貌，可分為裂紋尖端擴(kuò)展區(qū)和裂紋中部開裂區(qū).可見，裂紋尖端擴(kuò)展區(qū)裂紋隱隱約約，呈波浪狀起伏延伸;而裂紋中部開裂區(qū)裂縫清晰可見，且?guī)缀醪淮嬖谂ふ?

對(duì)宏觀形貌進(jìn)行滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)環(huán)形焊縫存在多條裂紋，裂紋方向垂直于焊縫，裂紋微觀形貌如圖4所示.

圖3 裂紋宏觀形貌

從圖4(a)可以看出，主裂紋寬約150 μm左右，河流狀貫穿整個(gè)焊縫區(qū)域;由圖4(b)放大的形貌圖可見，裂紋呈分枝多道并行發(fā)展的形態(tài)，在晶粒交界處呈楔形開裂，部分主裂紋斷續(xù)擴(kuò)展，這與各部分材料的晶粒尺寸有關(guān)，若裂紋尖端遇到細(xì)晶區(qū)則擴(kuò)展緩慢或者停止擴(kuò)展，主裂紋側(cè)邊萌生有大量的細(xì)長的微裂紋，其形狀較主裂紋更加扭折，沿晶界擴(kuò)展.在主裂紋的擴(kuò)展過程中新微裂紋的形成會(huì)改變主裂紋的應(yīng)力分布狀態(tài)，從而加速主裂紋的擴(kuò)展，引起材料開裂失效.

圖4 裂紋微觀形貌

2.2 斷口分析

用掃描電鏡觀察斷口形貌，發(fā)現(xiàn)裂紋沿管軸向擴(kuò)展，如圖5所示.由圖5(b)可見，在氧化層覆蓋的區(qū)域可以看見細(xì)微的裂紋花樣，而在無氧化層覆蓋的區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋花樣，這是因?yàn)檠趸瘜犹?，已擴(kuò)展至斷口內(nèi)部，氧化層清除后裂紋花樣同時(shí)消失;圖5(c)為圖5(b)中所示5(d)位置局部放大圖，可見，斷口上靠近焊縫表面位置有數(shù)條龜裂紋，是管道外界氣體的氧化腐蝕導(dǎo)致的.

對(duì)斷口表面的氧化物進(jìn)行成分分析，測(cè)多個(gè)點(diǎn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與原子分?jǐn)?shù)求平均值，結(jié)果如表4所示，可得斷口表面主要是Fe的氧化物，因氧化物的傳熱能力小，氧化層會(huì)使管壁溫度升高，從而導(dǎo)致管的強(qiáng)度下降，而且，高溫下金屬氧化速度加快，形成惡性循環(huán).這些特征是支管長期過熱的典型宏觀特征.

表4 斷口表面能譜分析結(jié)果

2.3 支管夾雜物分析

使用金相儀對(duì)試樣的金相組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)焊接接頭中存在大量的夾雜物.夾雜物的種類及形貌對(duì)材料的使用性能有很大的影響，掃描圖片和能譜測(cè)試結(jié)果如圖6所示.

由圖6可以清晰地觀察到，夾雜物的分布整體上雜亂不均勻，部分已磨損脫落形成凹坑，而未脫落的夾雜物呈亮白的小點(diǎn).另外，發(fā)現(xiàn)部分雜物沿一定方向的直線分布，弧形輪廓上有許多向外突出的尖角，如圖6(b)所示，這導(dǎo)致材料所能夠承受的載荷降低，尤其會(huì)使材料受力具有方向敏感性，即在某一方向上很小載荷作用下能使材料開裂失效，而突出的尖角處極易因應(yīng)力集中而萌生微裂紋.

對(duì)殘余奧氏體中的夾雜物進(jìn)行元素測(cè)定，結(jié)果如圖6(c)所示，可見含有較高的Fe，極易形成鐵的氧化物，尺寸較大時(shí)對(duì)接頭的性能有危害.金相組織特征是珠光體鋼長期過熱的典型組織特征.

圖6 非金屬夾雜物分析

2.4 拉伸分析

采用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸斷口的微觀形貌如圖7所示，兩個(gè)拉伸試樣均在標(biāo)距內(nèi)斷裂，從圖7(a)可觀察到斷口上有明顯的解理臺(tái)階，臺(tái)階上有細(xì)小的韌窩及撕裂棱，故可以確定剪切斷裂區(qū)為典型的準(zhǔn)解理斷裂;圖7(b)示出了500倍下裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷口形貌，圖中有大小兩種韌窩，大韌窩成橢圓狀分布在斷口上，小韌窩則將相鄰大韌窩連接在一起.將大韌窩放大至2 000倍后，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部分布著等軸狀的小韌窩.因此裂紋擴(kuò)展區(qū)為韌性斷裂.故剪切斷裂區(qū)以脆性斷裂為主，而裂紋擴(kuò)展區(qū)為韌性斷裂.

對(duì)比表5中1、2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該失效焊縫強(qiáng)度滿足GB/T 5310—2008規(guī)定的σb≥470 MPa的要求，但斷后延伸率和斷面收縮率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的δ≥21%和ψ≥50%的要求.說明該材料經(jīng)過1.4×105h運(yùn)作后，材料強(qiáng)度升高，塑、韌性降低，即材料變脆.

圖7 斷口形貌

2.5 硬度分析

使用布氏顯微硬度計(jì)對(duì)焊接接頭橫截面進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試試樣的測(cè)試位置如圖8所示，載荷為2 N，保載時(shí)間10 s，試樣每隔1 mm測(cè)試一個(gè)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果如圖9所示.可見，焊縫內(nèi)部硬度值偏高且不穩(wěn)定;從焊縫到母材，材料的硬度依次降低，母材上的硬度值最低.比較標(biāo)線1和2上硬度值，發(fā)現(xiàn)同位置處標(biāo)線1上的硬度值普遍低于標(biāo)線2上的硬度值，也就是說焊縫表層硬度低于焊縫中心及趾部硬度，這是由焊接過程中焊縫中心和趾部受到二次熱循環(huán)所導(dǎo)致的.對(duì)于12Cr1MoV材料，母材硬度值標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為135～180 HB，焊縫硬度值不超過母材+100 HB.測(cè)試結(jié)果中焊縫上布氏硬度均值為277.5 HB，熱影響區(qū)硬度均值225.3 HB，母材均值 194.2 HB，可得母材硬度超標(biāo).

圖8 測(cè)試試樣

圖9 焊接接頭顯微硬度曲線

3 裂紋產(chǎn)生原因

通過對(duì)失效件的測(cè)試分析，得出裂紋形成的主要原因是:1)焊接接頭中存在夾雜和凹坑，這促使焊接接頭強(qiáng)度和韌性的降低.焊接缺陷處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，形成裂紋開裂.2)管件外表面在焊后和運(yùn)行過程中存在較大的應(yīng)力，且焊縫外表層在運(yùn)行一段時(shí)間后形成不均勻氧化層，使焊縫表面出現(xiàn)應(yīng)力集中，在較大的應(yīng)力載荷下萌生裂紋，致使焊縫從管壁外側(cè)開裂.

4 建議預(yù)防措施

針對(duì)上述得出管件開裂失效原因，主要提出以下幾點(diǎn)預(yù)防措施:

1)優(yōu)化焊接工藝方案.在焊接時(shí)保證焊渣完全清除，減少夾雜等缺陷的產(chǎn)生;使用更好的低氫堿性焊條，以減少焊接過程氣孔的產(chǎn)生和降低焊縫上氫含量.

2)焊前預(yù)熱焊后回火.焊前預(yù)熱至200～300℃，可以減少溫差和減慢冷卻速度，顯著減少焊接應(yīng)力，同時(shí)還能減少焊接變形;焊后進(jìn)行整體高溫回火，恒溫730℃保持1.5 h，降溫速率為300℃/h，是最有效的消除焊接應(yīng)力的一種方法.

3)控制管內(nèi)介質(zhì)成分.減小或消除管件外壁的氧化層，可采取的措施有:涂覆耐熱耐氧化涂料、或在焊接蓋面時(shí)采用元素含量相近耐氧化的焊條蓋面.

4)減少設(shè)備停機(jī)次數(shù).管件在使用過程中，盡量減少設(shè)備停機(jī)次數(shù)，這樣就可以減少管件受到的載荷沖擊次數(shù)，預(yù)防管件疲勞失效.

5 結(jié)論

1)聯(lián)箱與支管失效的主要原因是焊后存在焊接缺陷夾雜物，產(chǎn)生應(yīng)力集中，超過材料的抗拉強(qiáng)度，形成開裂.

2)焊件長期過熱，外表面產(chǎn)生不均勻氧化層，使焊縫表面出現(xiàn)應(yīng)力集中，致使焊縫從管壁外側(cè)開裂.

3)建議改進(jìn)焊接工藝，減少焊接缺陷的產(chǎn)生;采用合適的熱處理工藝，減小焊縫上的應(yīng)力;控制管內(nèi)介質(zhì)成分，減小或消除管件外壁的氧化層;盡量減少設(shè)備停機(jī)次數(shù)，預(yù)防管件疲勞失效.

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