管线管用超级13Cr钢的应力腐蚀开裂问题及其对策

1、超级13Cr钢焊接部高温环境应力腐蚀开裂
　　由于管线管用超级13Cr钢的高耐蚀性、优良焊接性和低生命周期成本等使其需求量不断增加，但在2000年前后发现这种钢在高温下焊接热影响区（HAZ）存在着应力腐蚀开裂敏感性的问题。这种现象可由以下几点予以说明。
　　◆在管线管周围焊接部的HAZ会发生应力腐蚀开裂敏感性。
　　◆发生的开裂是一种使原始奥氏体晶界扩展的晶界型应力腐蚀开裂（IGSCC）。这种开裂不会贯穿作为焊接金属而使用的双相不锈钢。
　　◆采用机械方式清除焊接时形成的表面氧化皮和采用焊后热处理（PWHT）方法可以有效降低开裂敏感性。
　　◆在实际环境下发生开裂的材料是低等级的13Cr钢（无添加Mo），根据其后的实验室再现试验可知，即使是添加Mo的13Cr钢，在采用Cu作垫板的气体保护金属极电弧焊（GMAW）时，也具有IGSCC敏感性，如表3所示。
　　在2000年代后期，业界对这种应力腐蚀开裂现象的发生机理和对策进行了详细研究。
　　2、应力腐蚀开裂的机理及其对策
　　开裂以管子内面HAZ形成的高温氧化皮下面生成的晶界Cr缺乏区为起源。可以认为这种Cr缺乏会使Cr的选择氧化和晶界中Cr的扩散重叠。虽然焊接施工时会形成氧化皮，但Cr会被氧化皮包裹，并在表面形成脱Cr层。尤其是，在原始奥氏体晶界中，由于Cr的扩散快，因此它容易成为开裂的起源。另一方面，当实施PWHT时，利用Cr的扩散，可以对表面晶界附近形成的Cr缺乏层进行弥补，消除Cr缺乏区域。由此可知，PWHT可以消灭开裂的产生源。在采用机械方式清除焊接表层部氧化皮的4点弯曲应力腐蚀开裂试验中没有观察到IGSCC。
　　接下来研究了开裂扩展路径，对高温HAZ区的两种现象产生机理进行了研究。主要是研究了有无添加Ti的情况。
　　首先，可以推测在没有添加Ti的超级13Cr钢中，焊接时在原始奥氏体晶界中会形成Cr缺乏区。该Cr缺乏区受到高温热循环后，固溶的C在后续的焊接热循环中会以碳化物的形式在原始奥氏体晶界中析出，并在晶界的析出物附近形成Cr缺乏区，从而使IGSCC敏感性增大。有研究指出，减少材料中的C量和添加Ti，可以降低IGSCC敏感性。
　　另一方面，添加Ti的超级13Cr钢，虽然没有发现碳化物的析出，但与没有添加Ti的超级13Cr钢相比，由于开裂的形态不同，因此认为焊接后晶界偏析的游离P会降低IGSCC敏感性。即，PWHT可以促进Mo向原始奥氏体晶界的扩散，形成P含量高的莱维氏相或其他Mo富集相。增加原始晶界中的Mo，可以提高耐蚀性，但游离的P会被莱维氏相包裹。由此恢复耐蚀性，以下两点可以作为支撑依据。
　　◆观察透射式电子显微镜（TEM）的结果可知，在焊接状态下没有看到的Mo富集，经PWHT后，在原始奥氏体晶界中能观察到Mo的富集。
　　◆在长时间PWHT后，在晶界中能观察到P富集的莱维氏相。
　　根据以上结果可知，施工后采取适当的焊后热处理（PWHT），可以减小开裂的发生，缩小开裂的扩展路径，同时降低开裂发生的敏感性。

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资料来源：东莞市弘超铜铝有限公司
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