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不鏽鋼儲罐上的316L焊接接頭及母材的耐蝕性能研究

作者:AG亚游集团機械 時間:2019-04-04 08:14
不鏽鋼儲罐上的316L焊接接頭及母材的耐蝕性能研究 如前文所述,在本研宄中采用四點彎曲恒載荷法對316L不鏽鋼儲罐焊接接 頭及母材的應力腐蝕敏感性進行研宄。根據國標GB/T 15970.2-2000對以下 信息摘要:

不鏽鋼儲罐上的316L焊接接頭及母材的耐蝕性能研究

如前文所述,在本研宄中采用四點彎曲恒載荷法對316L不鏽鋼儲罐焊接接 頭及母材的應力腐蝕敏感性進行研宄。根據國標GB/T 15970.2-2000對以下三組 試樣進行應力腐蝕試驗(每組2個試樣),並分析其應力腐蝕敏感性:(I)服役 15年焊接接頭試樣、(II)未經服役316L焊接接頭試樣、(III)服役15年後316L 母材試樣。應力腐蝕試驗結果如表4-2所示,可見同樣經過15年服役,儲罐焊 接接頭試樣開裂時間要明顯比儲罐母材試樣開裂時間短,而未經服役的儲罐焊接 接頭試樣在試驗過程中(200小時)未發生開裂,因此對於應力腐蝕敏感性,經 15年服役儲罐焊接接頭>經15年服役儲罐母材>未經服役儲罐焊接接頭,除了 長時間服役以外,焊接過程對於316L不鏽鋼的應力腐蝕敏感性同樣有較大的影響。

不鏽鋼儲罐上的316L焊接接頭及母材的耐蝕性能研究

表4-2應力腐蝕試驗結果

試驗後經觀察發現對於不同試樣,不鏽鋼儲罐其開裂位置也有所不同。對於經服役後的 母材試樣,由於在應力腐蝕四點彎曲試驗中在加載點之間載荷是均勻分布的,因 此裂紋也是在加載點間均勻分布。而對於焊接接頭試樣,裂紋集中分布於焊縫中 心與熱影響區。對熱影響區裂紋進行SEM觀察發現,在裂紋周圍存在大量的沉 澱相,如圖4-8。根據前文分析可知這些沉澱相主要為Cr23C6等富Cr碳化物, 經測量,熱影響區裂紋距熔合線的距離為2-3mm,這與Cr23C6碳化物的生成的 敏感溫度區間450°C-850°C所在位置相符,因此可以認為在焊接過程中在焊接熱 循環的作用促進了這些碳化物的析出。研宄表明[18]當奧氏體不鏽鋼內部過飽和的 C與固溶體元素Cr結合形成Cr23C6碳化物並沉澱析出後,在Cr23C6碳化物附近 的晶界區域,Cr含量大大降低,而由於Cr原子體積較大,擴散激活能高,擴散 速率較慢,因而在CbC6碳化物附近形成貧鉻區,當Cr的有效含量低於12%時, 造成不鏽鋼組織的耐蝕性顯著降低。

在應力腐蝕試驗中,最大載荷是根據試樣的屈服強度確定的,然而對於焊接 接頭的焊縫、熱影響區及母材,力學性能有著顯著的差異,這與也會對裂紋產生 的位置有顯著影響。由於硬度主要取決於材料的化學成分和冷卻條件,其實質是 反映不同顯微組織的性能。通常可以用最高硬度來間接預測熱影響區的韌性、脆 性和抗裂性等性能[82-83]。因此,根據焊接接頭的最高硬度值可以初步判斷該區域 的強度。

不鏽鋼儲罐上的316L焊接接頭及母材的耐蝕性能研究

圖4-8熱影響區裂紋SEM照片

圖4-9為不鏽鋼儲罐封頭焊接接頭試樣表麵和橫截麵中心熔合線附近的硬度 分布圖,其中豎線為熔合線所在位置,其左側為焊縫,右側為熱影響區及母材。 由圖4-9可見對於試樣表麵和橫截麵,硬度值從焊縫到熔合線到熱影響區都有逐 漸增大的趨勢。這是因為焊縫組織主要由柱狀奧氏體和斷續分布在奧氏體基體上 的骨架狀鐵素體組成,其硬度值較低,在200HV以內。而奧氏體不鏽鋼母材, 由於經過旋壓工序,變形量較大,因此其硬度值較高,達到300HV左右。當奧 氏體不鏽鋼的變形量較大時,由於奧氏體晶粒產生了較大的變形,組織中位錯等 缺陷的密度大,晶格的能量也增大,這會使奧氏體不鏽鋼的抗腐蝕性能下降。值 得注意的是,在靠近熔合線的熱影響區一側奧氏體不鏽鋼母材發生了軟化現象, 並隨著距熔合線距離的增加硬度值由185HV逐漸增加到與遠離熱影響區的母材 相同。這是因為在焊接熱循環的影響下,變形的奧氏體晶粒發生回複和再結晶作 用,使硬度明顯下降,此外距熔合線距離較近的區域由於加熱的最高溫度高,高 溫停留時間也長,因此奧氏體晶粒發生了明顯的粗化,這導致在熔合線附近的粗 晶區硬度值最低。隨著距熔合線距離的增加,加熱的最高溫度和高溫停留時間都 減小,因而隻有部分奧氏體晶粒發生再結晶作用,硬度值波動較大。當距熔合線 距離進一步增加時,其硬度值逐漸與母材硬度值趨於一致。另外由於在試樣橫截 麵存在部分鐵素體,因而其硬度值稍小於試樣表麵的硬度值。

不鏽鋼儲罐上的316L焊接接頭及母材的耐蝕性能研究

由硬度試驗結果可見,由於不鏽鋼儲罐焊縫的硬度較低,可推斷其強度也較低,因此雖 然如前文所述由FA模式形成的焊縫組織耐腐性和韌性較好,但在應力腐蝕試驗 中在焊縫中心(即試樣中心應變最大處)仍有裂紋產生。而對於熱影響區裂紋, 因為其出現的位置距熔合線2-3mm,並非硬度最低處,因此可以斷定富Cr碳化 物的析出是造成熱影響區耐蝕性下降的主要原因。

不鏽鋼儲罐上的316L焊接接頭及母材的耐蝕性能研究

圖4-10分別為應力腐蝕試驗試樣中的焊縫裂紋、熱影響區裂紋和母材裂紋的 SEM照片。由圖4-10(a)可見,焊縫裂紋平直,主要是在應力的作用下產生的, 而對於熱影響區裂紋和母材裂紋,如圖4-10(b)和(c),其方向性強且分支較多, 呈明顯的應力腐蝕裂紋特征,其中在熱影響區裂紋周圍存在較多的析出相。與實 際裂紋不同的是,在應力腐蝕試驗中產生的裂紋主要以穿晶的方式擴展,表明試 驗條件與實際條件存在一定的差異,但是在試驗中各試樣所處外部條件是一致 的,因此所得結果仍有一定的價值。

圖4-11為應力腐蝕試驗試樣中熱影響區裂紋的SEM照片,從圖中可以看到 在垂直於裂紋的方向上有一定長度的溝槽存在,如白色箭頭所示,這些溝槽無明 顯的方向性,大都與裂紋擴展的方向垂直,說明其主要是在腐蝕的作用下產生的。 值得注意的是在應力腐蝕試驗中,載荷為試樣屈服強度的90%,這比實際載荷要 大得多。因而根據3.1節中所述的穿晶裂紋和沿晶裂紋的產生機理,在應力的主 導作用下,裂紋優先以穿晶形式擴展。綜上所述,在服役過程中自然開裂的裂紋 是在應力和腐蝕介質共同作用下產生的,其以穿晶和沿晶相混合的形式擴展;而 在應力腐蝕試驗中,由於力的作用占主導,因此試驗中產生的裂紋主要以穿晶的 方式擴展。

如前文所述,富Cr碳化物的析出是其周圍組織貧Cr,造成耐蝕性的降低。 除此以外,碳化物本身作為脆硬相,在力的作用下在其周圍將產生應力集中,使 其與周圍基體解離或自身開裂,因而其大量析出也會對316L不鏽鋼的力學性能 產生很大的影響。圖4-11中黑色箭頭分別標示出了由於碳化物自身開裂及其周 圍開裂而產生的宏觀裂紋。

 

圖4-11應力腐蝕試驗試樣中熱影響區裂紋的SEM照片

 

 

為了進一步研宄316L不鏽鋼儲罐母材及熱影響區的耐腐蝕性,對經15年服 役後的熱影響區及母材試樣進行電解浸蝕試驗。由於Cr能吸收Fe的電子使Fe 鈍化,提高鐵基固溶體的電極電位,所以在一定的腐蝕電位的作用下,Cr含量 越高,基體的腐蝕速度越慢。因此草酸電解浸蝕試驗可以很好地反映出材料因貧 Cr而引起的耐蝕性降低現象。電解浸蝕後,HAZ及母材的顯微組織如圖4-12所 示,圖4-12(a)中可以看出,在一些母材奧氏體晶粒內部存在沿滑移帶分布的腐 蝕坑,晶界雖然清晰可見,但在晶界處並未發生明顯的腐蝕。而在圖4-12(b)中, 熱影響區奧氏體晶粒內部腐蝕坑的數量明顯增多,並且腐蝕出的溝狀組織同樣與 滑移帶方向一致,這說明滑移帶的存在對富Cr相的沉澱析出起到促進作用。從 電解浸蝕試驗結果中可以看出無論是母材還是熱影響區,晶界的耐蝕性都未發生 明顯下降,316L不鏽鋼儲罐耐蝕性的下降主要是由沿變形帶析出碳化物和c相 而造成周圍組織貧Cr引起的,其中熱影響區碳化物和C相的析出量明顯多於母材。

 

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