不锈耐热钢晶粒过粗对焊接接头的负面影响探析_束润涛.pdf

第 40 卷第 4 期压力容器2023 年 4 月doi:10 3969/j issn 1001 4837 2023 04 011制 造 与 安 装不锈耐热钢晶粒过粗对焊接接头的负面影响探析束润涛(武汉市润之达石化设备有限公司，武汉430200)摘要:介绍了国内外承压设备用材标准对不锈耐热钢晶粒度的规定，通过对几个失效案例的具体分析，明确了粗大晶粒会增加晶间腐蚀的敏感性，且在焊接热输入过大的情况下，粗大晶粒会阻碍焊缝收缩时的晶界滑移，增加焊接接头产生裂纹的风险。通过分析，认为晶粒粗大降低了晶界的总面积，随着晶界面积的减少，热影响区在焊接热循环过程中使碳化物更多地聚集于晶界，使得晶界熔合区和热影响区形成裂纹的可能性更大。提出了在严格按焊接工艺施工的前提下，对母材规定合理的晶粒度范围。建议对不锈耐热钢板材、管材和管件的晶粒度按 4 9 级，锻件的晶粒度按 3 7 级进行规定。关键词:不锈耐热钢;晶粒粗大;失效中图分类号:TH142;TG115 21;T 65文献标志码:BAnalysis on the negative effect of coarse grain of stainless heat-resistant steel on welded jointSHU Runtao(Wuhan Runzhida Petrochemical Equipment Co，Ltd，Wuhan 430200，China)Abstract:The grain size of stainless heat-resistant steel in the domestic and foreign standards of materials for pressure equipmentwas briefly summarized Through the analysis of several failure cases，it was clear that coarse grain will increase the sensitivity ofintergranular corrosion，and when the welding heat input is too large，the coarse grain will hinder grain boundary slip during weldshrinkage and increase the risk of cracking of the welded joint It is considered that the coarse grain reduces the total area of grainboundary，with the decrease of the grain boundary area，the heat-affected zone makes the carbides accumulate more in the grainboundary during the welding thermal cycle，making a greater possibility of crack formation in grain boundary fusion zone and heataffected zone It was put forward that reasonable grain size range of base metal should be stipulated on the premise of strictlyfollowing welding process It is suggested that the grain size of stainless heat-resistant steel sheet，pipe and pipe fitting should beclassified into 4 9 grades，and that of forgings should be classified into 3 7 gradesKey words:stainless heat-resistant steel;coarse grain;failure收稿日期:2022 08 19修稿日期:2023 03 300引言随着国内石化产业向深加工发展，渣油加氢、重油加氢、煤制加氢等高温高压设备和高压管道的设计安装越来越多，由不锈耐热钢原材料晶粒过粗引发的质量事故时有发生，如泉州和荆门某石化公司 TP347H 渣油加氢管道失效均存在原材料晶粒过粗所致焊接接头失效的问题。不锈耐热钢一般是指碳含量为 0 04%0 10%的 304H，309H，316H，以及添加了钛或铌的 321H，347H 的铁基不锈钢，还有 309S，310S，N08810(800H)等高温合金及镍基不锈钢。虽然通常认为不锈耐热钢晶粒适当粗大抗高温蠕变有益，但过于粗大(3 级或更粗)将会导致焊接接头的裂纹敏感性增加。本文就不锈耐热钢晶粒度的标准规定，以及47束润涛:不锈耐热钢晶粒过粗对焊接接头的负面影响探析晶粒过粗引起的失效案例与业界同仁进行深入分析和探讨，目的是消除事故隐患并降低承压设备使用的安全风险。1标准对不锈耐热钢晶粒度规定国内现有压力容器材料标准主要是参照ASME 材料篇建立的。ASME 材料篇所涉及到的不锈耐热钢板材、锻件、管材、棒料、管件等均以粗大为原则进行了具体规定。(1)ASME SA 3122021 管材规范在表 5的晶粒度要求中，尾缀为 H 的不锈耐热钢的晶粒度分别规定为 5 级或更粗、6 级或更粗、7 级或更粗。(2)ASME SA 2132021 管材规范表 3 中关于 不 锈 耐 热 钢 的 晶 粒 度 规 定，N08810 和N08811 为5 级或更粗，尾缀为 H 级的不锈钢晶粒度规定为 7 级或更粗，UNS S30942 规定为 6 级或更粗，而 TP347W 和 TP347HFG 规定为细晶粒的7 10 级。(3)ASME SA 2402021 板材规范对不锈耐热钢的晶粒度要求，在 6 1 条对尾缀为 H 的奥氏体不锈钢及 6 3 条规定 S31060 不锈钢的晶粒度规定为 7 级或更粗。(4)ASME SA 1822021 高温用锻件规范第 10 1 1 条规定 F304H 等牌号的晶粒度为 6 级或更粗，10 1 2 条规定 F321H 等牌号的晶粒度为7 级或更粗。(5)ASME SA 4032021 锻轧管件规范5 16条规定所有尾缀为 H 的不锈钢锻件，其晶粒度规定为 7 级或更粗。(6)ASME SB 4092021 板 材 规 范 中，第 8 2 条规定 N08810 等高镍不锈钢合金的晶粒度为 5 级或更粗。在 ASME SB 5642021 镍合金锻件和 ASME SB 5152021 镍合金管材规范中均有类似规定。国内早期标准大部分沿用 ASME 规范对不锈耐热钢的晶粒度均以粗大为原则进行了规定。近几年，在更新标准过程中，国内部分专家已认识到晶粒度无最粗级别限定并不严谨，在标准制定和改版时已对晶粒度的粗大级别进行了限定。(1)GB/T 53102017高压锅炉用无缝钢管 的 6 9 条和NB/T 47019 52021锅炉、热交换器用管订货技术条件 第5 部分:不锈钢 的6 9条都将 07Cr19Ni10，07Cr19Ni11Ti，07Cr18NillNb，07Cr25Ni21 规定为 4 7 级;将 07Cr25Ni21NbN规定为 2 7 级。(2)GB/T 245932018锅炉和交换器用奥氏体 不 锈 钢 焊 接 钢 管 在 第 5 8 条 规 定07Cr19Ni10，07Cr18NillNb 的晶粒度为 4 7 级。(3)GB/T 132962013锅炉、热交换器用不锈钢 无 缝 钢 管在 6 8 条 规 定 07Cr19Ni10，07Cr17Ni12Mo2，07Cr19Ni11Ti，07Cr18Ni11Nb 钢管的晶粒度规定为 4 7 级。(4)GB/T 402972021高压加氢装置用奥氏 体 不 锈 钢 无 缝 钢 管 在 7 8 条 规 定07Cr19Ni11Ti 和 07Cr18Ni11Nb 钢管的晶粒度规定为 4 7 级。但目前国内部分标准仍存在保留晶粒度以粗大为原则的具体规定。(1)GB/T 245112017承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带 在 6 6 条晶粒度要求规定为:根据需方要求，经供需双方协商，并在合同中注明，可对牌号为 07Cr19Ni10，07Cr17Ni12Mo2，07Cr19Ni11Ti，07Cr18Ni11Nb 的不锈钢进行晶粒度检验，平均晶粒度级别应为 7 级或更粗。(2)NB/T 47019 92021锅炉、换热器用管订货技术条件 第 9 部分:镍和镍合金 在 6 6 1条晶 粒 度 规 定 为:使 用 温 度 高 于 590 的NS1102，NS1104 管子应检验晶粒度，其平均晶粒度应为 5 级或更粗。2不锈耐热钢晶粒过粗导致的失效与腐蚀案例探讨2 1案例 1:TP347H 热影响区不同晶粒度的晶间腐蚀试验结果分析某石化公司渣油加氢装置 TP347H 管道(DN427 mm 50 mm)焊接接头经 900 /4 h 稳定化热处理后开裂，裂纹大部分位于熔合区及热影响区。由于现场对裂纹进行了多次焊接修复，已找不到原始裂纹，难以进行痕迹追踪。便从现场带回 2 段相同规格的 TP347H 钢管，按工艺要求进行模拟焊接和焊后热处理，以还原裂纹形成的可能原因。经晶粒度检测，发现 2 段钢管的平均晶粒度级别相差较大，分别为 3 级和 6 级。将 2 个管段各自对切后，严格按焊接工艺规程(WPS)要求分57PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.40，No.4，2023别进行组对焊接。焊后按热处理工艺进行了900 /4 h 焊后稳定化热处理，经检测未发现裂纹，然后对焊接接头取样进行相关试验分析。按 GB/T 43342020金属和合金的腐蚀 奥氏体及铁素体 奥氏体(双相)不锈钢晶间腐蚀试验方法 中 A 法草酸电解腐蚀试验，发现晶粒度 3 级的焊接接头在母材和热影响区均出现二类混合腐蚀沟槽(见图 1)，晶粒度 6 级焊接接头的母材和热影响区未见腐蚀痕迹，属于一类阶梯组织(见图 2)。按该标准中表 5 筛选试验与其他试验方法的关系，一、二类组织均不需做其他热酸晶间腐蚀试验。2 组管段试样的焊缝金属均为四类腐蚀轻微的游离铁素体组织，按该标准也不需做其他热酸晶间腐蚀试验。试验结果说明晶粒度 3级的粗晶 TP347H 材料的草酸晶间腐蚀敏感性高于细晶材料。图 1母材晶粒度 3 级的晶间腐蚀试验结果Fig 1Intergranular corrosion test results of base metalwith grain size of 3 grades通过电镜进一步分析，发现晶粒度 3 级管材晶间有碳化物析出，如图 3 所示。根据模拟试验研究得出的结论，严格按工艺规范进行焊接和稳定化热处理的管道热影响区都不发生开裂，但 3 级晶粒度管材的晶间腐蚀敏感性高于 6 级晶粒度的管材。据此可以判断，现场发生开裂的管道，既与焊接工艺失控有关，也与母材晶粒较为粗大有关。图 2母材晶粒度 6 级的晶间腐蚀试验结果Fig 2Intergranular corrosion test results of base metalwith grain size of 6 grades图 3晶粒度 3 级的 TP347H 在晶界有碳化物析出Fig 3Carbides precipitated at grain boundary ofTP347H with grade 3 of grain size2 2案例 2:WP347H 管件焊接接头开裂原因分析某石化公司渣油加氢装置 347H 大口径管道