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1、珠光体耐热钢采用奥氏体焊材焊接时接头产生裂纹的情况分析 齐鲁石化公司检修公司 聂振海 一九八九年九月 内容提要 石油化工中的部分设备和管道采用珠光体耐热钢。以前由于现场施工条件的限制，一些单位常采用奥氏体不锈钢焊条焊接。这种焊接接头在使用中经常产生裂纹。本文针对这些具体事例进行分析，指出破坏的原因、检查方法和改进措施。 石油化工厂中部分温度在400—500℃的压力容器和管道，常采用珠光体耐热钢。此种材料在高温下具有足够的强度和抗氧化性，还具有较好的抗硫腐蚀和抗氢腐蚀的性能，是优良、经济的材料。但由于焊接此种焊接材料需采用化学成分、耐高温性能与母材相同的耐热钢焊条，而采用这
2、种焊条焊接工艺较苛刻，需进行焊前预热和焊后消除焊接残余应力热处理，鉴于现场条件的限制，不少单位在进行焊接装配或缺陷返修时，常采用奥氏体焊条焊接。这些接头在焊接中和使用一段时间后（几年），常常产生裂纹。 表１是齐鲁第一化肥厂部分珠光体耐热钢压力容器和管道奥氏体接头产生裂纹的情况。 设备、管线名称 使用温度 材 质 规 格 裂 纹 情 况 发现时间 转化废热锅炉气包 225℃ 12CrMo+16Mn 25mm 最长裂纹900mm，深15mm 第七年 中温变换炉 410℃ 13CrMo44 32mm 拍片发现七条裂纹，最大肉眼可见 返修中 甲烷化炉 400℃
3、 15CrMo 26mm 拍片发现八条裂纹，最大肉眼可见 返修中 对流五段至二段炉管线 500℃ 13CrMo44 Φ273×8 肉眼可见热裂纹 焊接时 对流六段至二段炉管线 510℃ 12CrMo Φ219×8 裂纹沿熔合线，最后爆开 第七年 转化废锅至中变炉管线 12CrMo Φ377×10 裂纹沿熔合线产生裂穿 2~4年 焊接特点及裂纹产生的原因 一、珠光体耐热钢的焊接特点 珠光体耐热钢是低合金耐热钢，含有不同成分的铬、钼、钒、钨、铌等合金元素，其可焊性与低碳调质高强钢相似，主要问题是近缝区的硬化和冷裂纹。这种钢的淬硬倾向较大，在冷
4、却到较低温度时会发生马氏体转变，因此焊接此种钢种时，如果冷却速度较大，最易形成淬硬组织，使焊缝和热影响区的塑性降低，脆性增大，往往产生冷裂纹。为防止冷裂纹产生，需要进行焊前预热和焊后热处理，焊接时应连续焊完，中途最好不要中断，在整个焊接过程中保持焊件不低于预热温度，采用较大的热输入量。 二、奥氏体不锈钢的焊接特点 奥氏体不锈钢的焊接的主要缺陷是热裂纹，特别是单相奥氏体不锈钢的热裂倾向更大。 为防止热裂纹的产生，需要采取以下措施：采用较小的焊接热输入量（低电压、小电流、高焊速），低的层间温度，即需要等前一道焊层冷却后，再焊下一焊道，焊条不摆动的窄焊道，以减少焊缝过热，增强抗热裂纹的能力。
5、 三、异种钢的焊接特点 异种钢焊接，通常是指不锈钢与低碳钢或普通低合金钢的焊接。对于珠光体耐热钢采用奥氏体焊材焊接，虽然两侧母材是同种钢材，但综合焊缝材质来考虑，也具有异种钢焊接的特点。 异种钢焊接时，会出现焊缝的稀释、熔合区过渡层低塑性带、碳的迁移及接头的应力差异，所有这些将对接头的可焊性及运行周期产生重大影响。 （一）焊缝的稀释 珠光体钢采用奥氏体焊条焊接时，由于珠光体钢中含合金元素较低，所以焊缝金属的合金成分将被稀释，使焊缝的奥氏体形成元素含量不足，结果焊缝可能出现脆性马氏体组织，恶化了接头质量，有产生裂纹的危险。 （二）熔合区过渡层的低塑性 异种钢焊接时，奥氏体焊缝金属中紧
6、邻熔合线处，存在一个窄的低塑性带，带宽一般为0.2~0.6mm，其化学成分和组织不同于焊缝的其余部分。其形成原因是因为珠光体钢与奥氏体填充金属成分相差悬殊，在熔池边缘上，液态金属温度较低，流动性较差，液态停留时间较短，所受到的机械搅拌作用也较弱而形成的。 低塑性带的存在，会严重降低接头的冲击韧性，在焊接应力和拘束应力的作用下会造成熔合线开裂。如图1、图2所示。 图1 中变炉焊缝返修熔合线处裂纹 图2 中变炉焊缝返修熔合线处裂纹 （三）熔合区碳的迁移 在焊接过程中，特别是在焊后热处理及高温运行过程中，将在异种钢熔合线附近，发生碳的扩散迁移现象。碳从珠光体钢一侧通过熔合线向奥
7、氏体焊缝扩散，其结果在靠近熔合线的珠光体钢一侧产生脱碳层，形成铁素体而被软化，在相邻和奥氏体焊缝一侧产生增碳，形成了高硬度的黑色增碳层。增碳层的碳以铬的碳化物形态析出而硬化。如图3所示。 中层熔合区上层熔合区 图3 转化废锅气包熔合线处金相照片 ×250 由于增碳层和脱碳层变形阻力不同，将引起应力集中，其结果是使接头的高温持久强度、塑性和抗腐蚀性能下降，脆性增大，使接头在高温下沿熔合线产生开裂，如图4、5、6所示。 图4、转化汽包熔合线裂纹着色照片（84.6） 图5、图4裂纹处打磨后着色照片 图6、 图4所示裂纹X射线片翻印片 （四）焊接接头
8、的应力差异 珠光体钢与奥氏体钢的线膨胀系数不同，在20~600℃温度范围内，大多数珠光体钢为：13.5×10-6K-1－14.5×10-6K-1，而奥氏体钢为16×10-6K-1－18.5×10-6K-1。这两种材质的异种钢接头，在焊接时常常产生很大的应力，焊缝和熔合线附近的金属受拉伸应力，稍远离熔合线的金属受压缩应力，拉应力可能导致接头在焊缝与母材边界上断裂。 这种焊接接头在加热到高温时，借助于松弛过程，能降低焊接应力，但在随后冷却过程中，由于钢板和焊缝金属热物理性的差异，不可避免地又产生了新的残余应力。所以焊后热处理并不能消除残余应力，只能引起应力的重新分布，这一点是与同种钢的焊接不同
9、的。 这种焊接接头在高温运行时，将产生很大的热应力。珠光体钢较奥氏体焊缝易于氧化，可能形成缺口，在热应力冲击下，珠光体钢一侧产生疲劳裂纹。当接头处于热疲劳状态时，所产生的交变应力更为危险，它可能在较短时期内导致接头破坏。如图7、8所示。 图7 空气管熔合线处开裂（79.11） 图8 转化废锅至中变炉管熔合线处开裂（82.6） 此两处的管焊缝是处在两组90°弯头交界处，在热应力和附加弯曲应力的作用下，短周期便产生裂纹。 （四）焊接热裂纹的产生 由于珠光体钢与奥氏体钢的焊接特点截然相反，前者要求较大的热输入量，后者要求较小的热输入量。当珠光体耐热钢采用奥
10、氏体焊材焊接时，兼顾不好极易出现裂纹。在现场返修焊接中，由于热处理条件限制，采用奥氏体焊缝。为了防止珠光体耐热钢近缝区的硬化和冷裂纹，尤其是厚度较大的容器，往往采用较大的热输入量，结果在不锈钢的焊缝部分常出现热裂纹。图8、9所示是这种热裂纹的典型实例。 图9 中温变换炉返修不当产生的热裂纹X光照片（80年） 13GrMo44 奥302焊缝 13GrMo44 裂纹 图10
11、 对流五段至一段炉上集气管裂纹（示意 81.10） 异种钢焊接接头裂纹的特征及检验方法 一、裂纹特征 1、裂纹宽度较大，有些裂纹肉眼可见。 2、焊接时产生的热裂纹，焊缝及熔合线上均可能产生，没有明显的规律。如图1、2、9、10所示。 3、高温使用后的裂纹多产生在熔合线上，并沿熔合线向里扩展。这种裂纹分布较广，在条件相同的每一道焊缝上都可能产生。如图7、8所示。 二、检验方法 1、由于这种裂纹宽度较大，所以一般情况下可采用X射线照相法进行检验。 2、如果X射线法难以实施，可参考地进行超声波检验。虽然焊缝本身是奥氏体组织，用常规脉冲超声波探伤法难以检验，但因为母材是珠光体组织，
12、又因裂纹常沿熔合线发生，所以可参考地进行检验。 3、由于高温使用后的裂纹是首先从内表面产生的，所以内表面着色探伤和宏观检查是有效的方法。 4、因为焊缝组织为奥氏体，常规超声波探伤无法检验焊缝内部缺陷，而X射线探伤又由于透照方向、裂纹检出灵敏度、裂纹检出角度及检出率的限制，漏检率将是较大的。 小 结 1、通过对以上珠光体耐热钢，采用奥氏体焊缝的焊接特点及焊接缺陷的分析，可以看出采用奥氏体焊材，虽然是现场焊接珠光体耐热钢的一种简易方法，但由于易出现裂纹等危险缺陷，使用寿命将大为缩短，在有较大的附加应力状态下，使用期更短。 2、由于奥氏体焊缝的金属结构特点，给检验带来一定困难，缺陷漏
13、检率较大，可能使一定的裂纹等危险缺陷留在焊缝中，给容器和管线的安全使用带来较大的威胁。因而应创造条件选用耐热钢焊条及相应的焊接工艺，尽量避免采用异种钢接头。 3、现场焊接珠光体耐热钢的主要难度，在于焊前预热和焊后热处理条件，以前热处理设备复杂，工艺上难以保证，所以不易为大家接受。近年来，国内不少厂家开始生产适于现场使用的高效率加热器，都是可弯曲、组装式的。有履带式、指状、绳状等，非常适用于现场压力容器和管道的热处理使用。因此，今后焊接此类钢材，应完善焊接热处理设备，采用耐热钢焊材焊接，以改善焊接接头性能，延长使用寿命，防止危险缺陷和事故的发生。 一九八九年九月山东省第六届焊接年会论文 一九八九年十月上海华东第一届焊接年会论文
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