304不锈钢大径厚壁管道焊接缺陷分析及防治

引 言

海阳核电项目不锈钢大径厚壁管道多数选用304L超低碳不锈钢。该钢抗晶间腐蚀能力优秀，在未进行热处理的情况下，亦能保持良好的耐蚀性，应用于抗晶间腐蚀性要求高的部件。如果在焊接过程中操作不当，容易出现焊接缺陷，导致部件快速失效。

1 304L不锈钢管的化学成分及焊接性

奥氏体不锈钢304L对应为：00Cr19Ni10，其主要化学成分和主要力学性能见表1。304L不锈钢热导率较低，线膨胀系数大。因此在局部加热和冷却条件下，容易产生较大的残余应力。

2 304L不锈钢的焊接性

尽管304L不锈钢线膨胀系数大，但焊接过程中弹塑性应力应变量也很大，故焊接过程中极少出现冷裂纹。焊接时易出现的主要问题是：

（1）因其导热性差、线膨胀系数大，大径厚壁管焊接中产生较大的焊接应力；

（2）接头产生碳化铬析出，耐蚀性下降，容易产生晶间腐蚀；

（3）介质中有氯离子存在时，在应力作用下造成应力腐蚀开裂；

（4）焊缝及热影响区热裂纹敏感性大，焊接过程中易产生热裂纹。

3 焊接缺陷分析及防治措施

3.1 晶间腐蚀

晶间腐蚀是在腐蚀介质作用下，起源于金属表面的晶界并且沿晶粒边界深入金属内部产生在晶粒之间的一种腐蚀。不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须＞12%， 304L不锈钢在焊接过程中存在危险温度区间450 ~850℃，当温度在这一范围时，奥氏体中过饱和的碳向晶界迅速扩散，并在晶粒边界析出，在晶间形成碳和铬的化合物 Cr23C6，此温度区间铬在奥氏体中的扩散速度很慢，来不及向晶界扩散，消耗的Cr主要来自晶界，使得晶界处的Cr含量＜12%，就形成相对的“贫铬区”，“贫铬区”电位下降，而晶粒本身仍维持高电位，晶粒与“贫铬区”之间存在着一定的电位差，而在腐蚀介质中晶界的溶解速度和晶粒本身的溶解速度是不同的，晶界的溶解速度远大于晶粒本身的溶解速度，“贫铬区”作为阳极与晶粒构成大阴极小阳极的微电偶电池，造成“贫铬区”的选择性局部腐蚀，也就是晶间腐蚀。

晶间腐蚀发生后，虽然金属表面仍保持一定的金属光泽，也看不出被破坏的迹象，但晶粒间的结合力已显著减弱，强度下降，冷弯后表面出现裂缝，零件容易遭到破坏。晶间腐蚀隐蔽性强，突发性破坏几率大，因此有严重的危害性。

3.2 应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂是指承受应力的合金在腐蚀性环境中，由于裂纹的扩展而产生失效的一种形式，其形成机理还没有统一的定论。奥氏体不锈钢应力腐蚀的重要变量是温度、介质、非金属夹杂物的形态大小和分布以及加工应力的影响。304L不锈钢导热性差、线膨胀系数大、屈服强度低，焊接时容易变形，当焊接变形受到限制时，焊接接头中必然会有较大的残余应力。核电站附近海风中含有大量的氯离子，因此较容易出现应力腐蚀开裂。

应力腐蚀开裂的表面特征是：裂纹均发生在焊缝表面上，裂纹多与焊接方向垂直，裂纹细长并曲折，常常贯穿有黑色点蚀的部位。从表面开始向内部扩展，点蚀是裂纹的根源，裂纹整体呈树枝状，严重时裂纹可穿过熔合线进入热影响区。

3.3 结晶裂纹

304L不锈钢焊接时，容易出现的热裂纹是结晶裂纹，热裂纹宏观上无金属光泽，带有氧化颜色。304L不锈钢中的合金元素较多，尤其含有一定量的镍，它易与硫、磷等杂质形成低熔点的共晶，焊缝金属在凝固结晶的过程中，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含杂质较多，这些杂质与镍形成的共晶都有较低的熔点而被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成一种所谓的“液态薄膜”，此时由于收缩而受到了拉伸应力，这时焊缝中的液态薄膜就成了薄弱地带，在拉伸应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。

3.4 防治措施

为避免焊接中出现以上所分析的缺陷问题，重点从以下几个方面进行防治：

焊接时尽量减少熔池过热的情况，以防止形成粗大的柱状晶，因此焊接时宜采用小热输入及小截面的焊道，多层焊时，层间温度不宜过高，避免过热，焊接过程中不允许焊条摆动，采用窄焊缝的操作技术。

采用超低碳奥氏体不锈钢焊材，此时碳含量低于碳在不锈钢中室温溶解极限值以下，使碳不能与铬生成Cr23C6，从根本上消除晶间腐蚀。

使焊缝金属具有奥氏体-铁素体双向组织，提高其抗晶间腐蚀的能力。

氩弧焊打底焊和第一道电弧焊时进行管道内充氩保护，防止金属在高温时氧化。

将焊件加热至1050~1150℃后快冷进行固溶处理，使Cr23C6熔入晶粒内部，形成均匀的奥氏体组织。

4 焊接工艺

4.1 焊接材料

根据304L不锈钢的化学成分和力学性能，焊材选用ER308L焊丝（化学成分见表2）和PP-A002焊条（化学成分见表3）。焊材使用前必须复验合格方可使用，保证熔敷金属的化学成分及力学性能。同时应测定铁素体体积分数。铁素体含量增加时可以改善焊接性，可以有效防止晶间腐蚀和热裂纹，但接头中铁素体含量过高（超过15%）时，接头耐均匀腐蚀性能下降，还可能出现475℃脆化或σ相脆化。因此其含量要严格控制，一般其体积分数在4%~12%为宜。

4.2 焊接工艺参数及操作要点

正确选用焊材直径。焊材直径关系到焊接热输入量的多少，因此氩弧焊焊丝选用直径为Ф2.5mm的焊丝，手工电弧焊选用直径为Ф3.2mm 的焊条。在保证完全焊透、完全熔合的情况下，采用小电流、低电压（短弧焊）快速焊接，以减少热输入量、改善接头性能、减少焊接应力。焊接工艺参数见表4。

（1）坡口组对。坡口组对前应将坡口区域打磨出金属光泽。焊前坡口检查，确保坡口角度符合工艺要求。错边量≤壁厚的10%，且≤1mm。焊口组对不合格，不予施焊。实际操作见图1、图2。

（2）施焊前焊条必须烘干，并存放保温桶内备用。

（3）打底焊接头前，把先焊接的一段尾端打磨成斜坡，便于接头，避免长时间焊接产生过烧或接头缺陷。

（4）打底焊时背面充氩保护，并保持到焊缝厚度大于5mm时方可停止背面保护气体。观察内部打底情况（见图3），特别注意检查根部有无过烧组织，以验证充氩效果。

（5）采用直线运条，不作横向摆动，采用双人对称焊，层间温度不宜过高，使用红外线测温仪随时检查层间温度（见图4、图5）。待冷却至60℃以下清渣后再进行下一道焊接，层间接头要错开15~20mm，收弧时应填满熔池。

（6）每道焊缝厚度不要超过焊条直径，宽度不要超过焊条直径的3倍。

4.3 检验结果

（1）焊接完毕，焊工应认真进行焊缝表面清理和外观检查（见图6、图7），确认表面无缺陷。焊接后除了焊工严格自检之外，质检员要对焊缝做100%的外观检查，并填写焊缝外观检查记录表，发现缺陷立刻进行返修。

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（2）经过无损检测，一次探伤合格率达99.92%。

（3）不合格焊缝的返修，应严格按照规程规范要求进行返修处理。

5 结束语

不锈钢一般使用在耐腐蚀性要求高的环境中，如果对其认识不够，施工过程中不注意保护，其腐蚀速度甚至超过普通碳钢，远远达不到耐腐蚀的要求，造成快速失效。因此不仅要掌握焊接技巧，提高焊接质量，而且对其存放、打磨清理、标记等都要有严格的规定。