其五,进而降低焊接接头的延迟裂纹倾向。
问题案例:因为焊后热处理能够解决焊接残余应力,所以是否所有的金属材料都需要在焊后进行热处理呢?某石化公司的高温高压渣油加氢装置中,TP347 厚壁管道(ø427×50)在焊后经 RT 射线检测,未发现超标缺陷,然而经过稳定化热处理之后,却发现了大量裂纹。接下来介绍两个定义:焊接热裂纹以及再热裂纹。
焊接热裂纹分为两种。一种是凝固裂纹(也叫结晶裂纹),它是焊接熔池在次结晶晶界的开裂,通常发生在凝固线温度(T₁)区间,且只出现在焊缝中,尤其容易出现在弧坑中,在这种情况下也被称为弧坑裂纹;另一种是液化裂纹,它是紧靠熔合线的近焊缝区过热段的母材晶界被局部重熔,出现晶间液膜分离,在收缩应力作用下产生的裂纹,液化裂纹常常出现在近焊缝区。
晶界裂纹具有沿晶开裂的特点,液化裂纹也具有沿晶开裂的特点。热裂纹的微观特征是:晶粒有明显的树枝状突出,晶间面很圆滑,断口有明显的氧化。热裂纹通常比较细小,它有可能出现在焊缝表面,也有可能出现在焊缝金属内部。
而高的强度对抵抗热裂是不利的。铌容易与铁、碳等元素形成低熔点共晶物,这会增加焊缝金属的热裂纹倾向。在工程方面,347/H 不锈钢中的 Nb/C 应不小于 10,同时铌的含量不宜超过 1%。
定义②表明,再热裂纹是焊后对焊接接头再次加热时所出现的开裂现象。这种开裂常出现在靠近再结晶温度的温度区间内。它与液膜没有关系,而是因为再结晶使得晶界韧性急剧下降,在焊接残余应力进行应力松弛时,引起的应变超过了晶界金属的变形能力,从而导致了开裂。
再热裂纹的产生有两个条件:
存在焊接残余应力,外载荷也会引起应力集中。所有焊接接头都有焊接残余应力,即便进行了焊后处理,也无法 100%消除焊接残余应力。奥氏体不锈钢热胀系数大,所以其残余应力水平较高,这是奥氏体不锈钢容易产生再热裂纹的重要原因之一。
存在敏感组织。粗大晶粒组织属于敏感组织,且其化学成分较为敏感。在二次加热(包含焊后热处理)的热循环过程里,因为再结晶的出现,某些敏感组织会发生共晶、析出或偏聚的情况,最终致使晶界被弱化。
壁厚 25mm 及以下的薄壁材料,其焊接应力相对较小,在热处理过程中应力消除得也足够快,所以不容易产生再热裂纹;而厚壁材料(40mm 及以上),在现场热处理时,内外壁温差较大,热应力比较大,非常容易产生再热裂纹。
另一种情况是再热裂纹的产生,它不是在焊后稳定化热处理时出现347钢材,而是在处于 538℃以上的高温环境中并长期使用的过程里产生的。
TP347 不锈钢的交货状态需为固溶处理,还要进行稳定化热处理,同时要进行晶间腐蚀试验。
有关资料显示,在操作环境低于 427℃时347钢材,TP347 管道若不进行热处理,其材料本身固有的抗晶间腐蚀性能完全可以满足使用需求;而对于操作温度高于 427℃的情况,就需要通过稳定化热处理来提升焊缝的抗晶间腐蚀性能。
不锈钢 321 在操作温度处于 427℃及以下时不容易发生敏化,不锈钢 347 在操作温度处于 454℃及以下时不容易发生敏化,因此通过焊后稳定化热处理来提高其抗敏化能力的意义不是很大。
奥氏体不锈钢的焊后热处理方面,各标准规范未给出明确的指导性规定。GB 150.4 - 2011 的第 8.2.4 条规定,奥氏体不锈钢焊后热处理要按设计文件规定。同时,该标准的第 8.2.5 条规定,除设计文件另有规定外,焊接接头可以不进行热处理。SH/T 3554 - 2013 的资料性附录 C 表明,对于含稳定化元素的奥氏体不锈钢管道焊接接头,其焊后热处理通常为稳定化热处理。很明显,焊后进行稳定化热处理并非是强制要求的。NB/T 10068 - 2018《含稳定化元素不锈钢管道焊后热处理规范》,此规范的观点如下:

加氢装置反应部分的不锈钢管道材料一般选用 347 。同时要求材料以固溶处理、稳定化处理以及酸洗钝化处理后供货。
设计一般有这样的要求:如果没有其他规定,当 347 管道的操作温度大于 450℃时,就必须进行焊后稳定化热处理;而当 347 管道的操作温度小于或等于 450℃时,就可以不进行焊后稳定化热处理,不过要满足相关的要求。
目前加氢装置反应部分的管道是 347 不锈钢材质。这种管道的操作温度通常不会超过 450℃。由于操作温度的限制,在加氢装置中,347 不锈钢倾向于不进行焊后稳定化热处理。


