摘 要:某 LC６５Ｇ２２０５雙相不銹鋼焊管在熱彎成形后進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)彎管焊縫的沖擊 性能嚴(yán)重降低.采用金相檢驗(yàn)、斷口分析、熱處理工藝驗(yàn)證等方法,研究了熱彎成形對彎管焊縫低 溫沖擊性能的影響.結(jié)果表明:焊管熱彎成形過程中冷卻速度較慢導(dǎo)致大量σ相析出,使位錯滑移 受阻,大量位錯聚集在彎管焊縫并造成應(yīng)力集中,最終導(dǎo)致焊縫的低溫沖擊性能顯著下降. 

關(guān)鍵詞:２２０５雙相不銹鋼;焊管;熱彎成形;σ相;低溫沖擊性能 

中圖分類號:TG１５６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６１６Ｇ０５

雙相不銹鋼組織中鐵素體和奧氏體體積分?jǐn)?shù)各 占５０％,因而其不僅具有鐵素體不銹鋼熱導(dǎo)率高、 線膨脹系數(shù)小的特點(diǎn),還具有奧氏體不銹鋼韌性高、 脆性轉(zhuǎn)變溫度低、耐晶間腐蝕和耐氯離子腐蝕能力 強(qiáng)等特性[１].２２０５雙相不銹鋼作為第二代雙相不 銹鋼中的經(jīng)典鋼種,因具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐 蝕性能,被廣泛用于船舶、石油化工、油氣管道、造紙 工業(yè)以及深海管道等領(lǐng)域[２Ｇ７].

管道廣泛 用 于 石 油、化 工 和 冶 金 等 行 業(yè) 中 的 流體輸送,管 道 轉(zhuǎn) 彎 時 通 常 采 用 彎 管 連 接.當(dāng) 雙 相鋼管道用 于 天 然 氣 采 集 系 統(tǒng) 時,其 所 處 的 環(huán) 境 及介質(zhì)條件 非 常 苛 刻,管 道 內(nèi) 部 流 通 介 質(zhì) 成 分 復(fù) 雜,包括 Cl－ ,SO２－ ４ ,H２S 等 多 種 腐 蝕 性 介 質(zhì).從 以往管道服 役 期 間 失 效 案 例 來 看,在 彎 管 焊 縫 位 置的失效占 很 大 比 例,彎 管 焊 縫 是 管 道 最 薄 弱 的 部位.由于管道是高壓、密閉的輸送系統(tǒng),如果因 焊縫問題造 成 彎 管 失 效,將 會 導(dǎo) 致 重 大 的 安 全 事 故和經(jīng)濟(jì)損失.

某 LC６５Ｇ２２０５雙相不銹鋼彎管采用焊管感應(yīng) 加熱煨彎法進(jìn)行熱推彎成形,如圖１所示,焊縫位于 上中心 線 偏 內(nèi) 弧 側(cè) １０°處,加 熱 溫 度 為 １０１５~ １０３５ ℃,彎制推進(jìn)速度為２５~２７mm??min－１,加熱 區(qū)寬度為５０~６０mm,冷卻水壓為０．３MPa,保溫時間為２~２．５min.為確保管道安全運(yùn)行,根據(jù)ISO １５５９０Ｇ１:２００９ Petroleum and Natural Gas IndustriesＧInductionBends,FittingsandFlanges for PipelineTransportationSystemsＧPart１ :InductionBends,在熱彎成形后對彎管焊縫區(qū)(感 應(yīng)加熱區(qū))和與彎管相連的直管焊縫區(qū)(未感應(yīng)加熱 區(qū))分別取樣,在－４６ ℃下進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn),發(fā)現(xiàn) 彎管焊縫試樣的平均沖擊吸收能量僅為３４J,遠(yuǎn)低 于技術(shù)條件要求的７５J,而直管焊縫試樣的平均沖 擊吸收能量達(dá)到１４５J,高于技術(shù)條件的要求.由此 可確定是熱彎成形導(dǎo)致了彎管焊縫區(qū)管材的低溫沖 擊性能顯著降低.為查明管材在熱彎成形過程中彎 管焊縫低溫沖擊性能發(fā)生變化的原因,避免類似問 題再次發(fā)生,筆者通過試驗(yàn)對 LC６５Ｇ２２０５雙相不銹 鋼彎管進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析,為后續(xù)生產(chǎn)作業(yè)提供理 論依據(jù)及工藝改進(jìn)方向.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法 

試驗(yàn)采用牌號為 LC６５Ｇ２２０５ 的雙相不銹鋼焊 接彎管,管材規(guī)格為?４０６mm×１１mm,其化學(xué)成 分如表１所示. 

在 LC６５Ｇ２２０５ 雙相不銹鋼焊接彎管上以焊縫 為對稱中心沿橫向截取尺寸為７．５mm×１０mm× ５５mm 的試樣,采用ZBC２４５２ＧC型沖擊試驗(yàn)機(jī)對該 試樣進(jìn)行－４６ ℃低溫沖擊試驗(yàn),實(shí)際初始勢能(載 荷)為４５０J.試驗(yàn)后試樣從中部沿寬度方向斷裂為 兩部分.取其中一部分用丙酮超聲清洗,再用干燥無 油的壓縮空氣吹至完全干燥,用SＧ３４００N型掃描電鏡 觀察斷面形貌.按照 ASTM E３Ｇ１１(２０１７)Standard GuideforPreparationofMetallographicSpecimens, 在該沖擊試樣另一斷裂部分的縱截面截取金相試 樣,依次進(jìn)行粗磨、細(xì)磨,拋光至鏡面并用丙酮擦凈. 將該金相試樣置于體積分?jǐn)?shù)為１０％的草酸溶液中 電解５~１０s,用丙酮超聲清洗后風(fēng)干,采用 Axio ImagerMzm 型光學(xué)顯微鏡觀察截面顯微組織,用 SＧ３４００N 型掃描電鏡(SEM)觀察截面形貌,并使用 附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析. 

２ 試驗(yàn)結(jié)果與分析 

２．１ 金相檢驗(yàn) 

沖擊試樣縱截面的顯微組織如圖２所示,可見母 材和焊縫的顯微組織均由深色的鐵素體α相和淺色的奧氏體γ相組成,且在鐵素體α相和奧氏體γ相的 交界處分布著少量σ析出相,σ相硬且脆,會顯著降低鋼的塑 性 和 韌 性,是 對 鋼 危 害 性 最 大 的 一 種 析 出 相[８];焊縫組織中奧氏體γ相連續(xù)分布在鐵素體α相 基體上,呈現(xiàn)出鑄態(tài)組織的特點(diǎn);母材組織中奧氏體 γ相以條帶狀均勻分布于鐵素體α相基體中.

圖３為沖擊試樣縱截面的 SEM 形貌,可見在 鐵素體相和奧氏體相界面及鐵素體相內(nèi)部存在一定 數(shù)量的黑色點(diǎn)蝕坑,在點(diǎn)蝕坑周圍有亮白色的σ相. σ相的析出導(dǎo)致其周圍鐵素體相出現(xiàn)貧鉻區(qū),貧鉻 區(qū)鈍化膜的主要成分為 Cr２O３ [９],該鈍化膜較疏松, 在草酸溶液電解過程中易被浸蝕形成點(diǎn)蝕坑.點(diǎn)蝕 坑出現(xiàn)在σ相周圍并沿其方向擴(kuò)散,造成部分σ相 被腐蝕脫落.

對γ相、α相和σ相對應(yīng)的位置 A、位置 B和位 置 C處的 EDS分析結(jié)果如表２所示,可知 α相、σ 相和γ相中均富含鉻、鎳和鉬,其中α相和σ相中的 鉻、鉬的含量比 γ相中的要高,σ相中的鉻、鉬的含 量又比α相中的要高,γ相中的鎳含量最高.

２．２ 斷口分析

一般情況下,沖擊試樣的斷口存在纖維區(qū)、放射 區(qū)和剪切唇區(qū),如圖４所示.斷裂源位于沖擊試樣 前期加工形成的缺口槽根部,裂紋沿著缺口槽兩側(cè) 和試樣內(nèi)部擴(kuò)展,先在缺口槽附近形成纖維區(qū),然后 依次形成放射區(qū)及剪切唇,其中,剪切唇沿?zé)o缺口槽 的其他三側(cè)邊分布.在沖擊力作用下,試樣無缺口 槽的一側(cè)承受壓縮應(yīng)力,缺口一側(cè)承受拉應(yīng)力,有時 在無缺口槽的一側(cè)出現(xiàn)二次纖維區(qū)[１０].

圖５為沖擊試樣焊縫處沖擊斷口的宏觀形貌, 可見斷口均為放射區(qū),沒有剪切唇,說明材料塑性較 差.放射區(qū)內(nèi)存在準(zhǔn)解理狀和纖維狀兩種不同的形 貌,如圖６所示.其中,準(zhǔn)解理狀斷口較平坦,由多 個彼此連接的小平面組成,平面交接處存在大量高 密度的撕裂嶺、斷口空洞和少量韌 窩,如 圖 ６a)所 示;放大后可見一定數(shù)量的σ相聚集在斷口空洞處, 使試樣產(chǎn)生脆性斷裂的傾向,如圖６b)所示.另一 種為垂直于缺口槽的纖維狀斷口,靠近缺口槽的斷 口表面較平滑,具有典型的解理舌狀花樣和拉長的 韌窩,如圖６c)所示.

σ相的析出使位錯滑移受阻,在沖擊彎曲應(yīng)力 的作用下,大量位錯集中在位于缺口槽根部的σ相處,位錯的大量聚集使應(yīng)力集中于σ相區(qū)域.由于 沖擊彎曲應(yīng)力加載速率較大,試樣來不及進(jìn)行充分 的塑性變形,只能通過斷裂來釋放高應(yīng)力.而不是 所有的奧氏體相和鐵素體相的界面處都會形成 σ 相,σ相的偏析導(dǎo)致晶界弱化,對裂紋擴(kuò)展阻力減 小,使材料的韌性和塑性大幅降低.

３ 熱處理工藝驗(yàn)證

σ相通常由鐵素體相分解發(fā)生共析轉(zhuǎn)變而來, 其形成過程的主要影響因素是溫度[１].圖７為采用 JMatPro熱力學(xué)軟件計(jì)算得到的相圖,可見母材和 焊縫中 σ相 析 出 的 溫 度 范 圍 很 寬,分 別 為 ４８０~ ９７５ ℃和５２０~１０００ ℃. 

在與上述試驗(yàn)彎管相連的直管部分以焊縫為對稱中 心 沿 橫 向 截 取 尺 寸 為 ７．５ mm×１０ mm× ５５mm 的試樣,在１０１５ ℃下保溫２．５ min進(jìn)行模 擬熱處理試驗(yàn),水冷后對該試樣在－４６ ℃下進(jìn)行低 溫沖擊試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其平均沖擊吸收能量為１５３J,這 與模擬熱處理前的平均沖擊吸收能量(１４５J)非常 接近.按對彎管部分的試驗(yàn)步驟對直管部分取樣觀 察縱截面顯微組織,如圖８所示,可見經(jīng)過模擬熱處 理后在試樣焊縫和母材組織中的鐵素體相和奧氏體 相界面及鐵素體相內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)σ相,這是由于試 樣經(jīng)模擬熱處理后的冷卻速率較大,試樣在σ相析 出的溫度區(qū)間內(nèi)停留時間很短,σ相還未來得及析 出,溫度就已降低至析出溫度以下.模擬熱處理試 驗(yàn)的熱處理溫度及時間與失效管材熱推彎成形的熱 處理溫度及時間相同,僅冷卻速率不同.結(jié)合圖７ 可知,失效管材在進(jìn)行熱處理后,σ相析出是由于熱 推彎成形后冷卻速率較低,試樣在σ相析出的溫度 區(qū)間內(nèi)停留時間延長,相當(dāng)于σ相在該溫度區(qū)間進(jìn) 行保溫處理,鐵素體充分分解所導(dǎo)致.通常將不使 σ相析出的最小冷卻速率稱為臨界冷卻速率,實(shí)際 生產(chǎn)過程中,經(jīng)過１０１５~１０３５ ℃熱推彎成形后有 σ相析出是由于沒達(dá)到臨界冷卻速率. 

４ 結(jié)論 

LC６５Ｇ２２０５雙相不銹鋼焊管熱彎成形過程中 有大量σ相析出,使 大 量 位 錯 聚 集 在 彎 管 焊 縫 區(qū)并造成應(yīng)力集中,最 終 導(dǎo) 致 焊 縫 區(qū) 低 溫 沖 擊 性 能 顯著降低,非常容易引發(fā) 焊 管 失 效.熱 彎 成 形 過 程中焊管 冷 卻 速 度 較 慢 是 導(dǎo) 致 σ相 析 出 的 主 要 原因.

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文章來源——材料與測試網(wǎng)